在工業(yè)工廠和廠房中，希望降低環(huán)境傳感器系統(tǒng)的維護(hù)成本時(shí)，可以通過降低傳感器功耗來實(shí)現(xiàn)。本文描述如何利用微控制器的待機(jī)功能來降低傳感器系統(tǒng)的功耗。具體來說，就是將傳感器測(cè)量的頻度降低，讓系統(tǒng)盡可能長(zhǎng)時(shí)間保持在待機(jī)狀態(tài)。除此之外，還能在保持該狀態(tài)的同時(shí)，執(zhí)行異常檢測(cè)。瑞薩電子的16位微控制器芯片RL78/G11，提供了許多在待機(jī)模式下可用的外圍功能。通過這些功能的適當(dāng)組合，不必讓芯片跳出待機(jī)模式，就可以實(shí)現(xiàn)異常檢測(cè)和警報(bào)輸出。

制造業(yè)中的工廠和廠房，需要大量的環(huán)境傳感器來監(jiān)控諸如振動(dòng)、氣體的存在、溫度、采光、粉塵等方面的信息。如今，這些任務(wù)通常會(huì)整合在系統(tǒng)中，再透過這套系統(tǒng)，持續(xù)收集大量的傳感器數(shù)據(jù)，并應(yīng)用AI（人工智能）式的分析方法，以及早發(fā)現(xiàn)可能會(huì)影響制造，并導(dǎo)致故障的任何變化（預(yù)防性故障診斷和維護(hù)）。

在這種系統(tǒng)中使用的傳感器，其安裝可能受到空間 限制，而難以連接電源布線的位置，有時(shí)還必須在制造設(shè)備停止運(yùn)作時(shí)收集數(shù)據(jù)。因此，這種傳感器經(jīng)常由獨(dú)立的電池式電源供電。必須的電池更換頻度，會(huì)影響工廠的維護(hù)成本。如果只有少數(shù)傳感器，就不會(huì)造成嚴(yán)重 問題，但對(duì)于具有數(shù)十個(gè)或數(shù)百個(gè)傳感器的系統(tǒng)，更換電池所需的人工成本和時(shí)間，就成為重要的考慮因素。當(dāng)考慮到降低電池更換頻度時(shí)，降低環(huán)境傳感器的功耗，即為一種有效的方法（圖1）。

圖1 與環(huán)境傳感器相關(guān)的維護(hù)成本

本文描述了如何利用微控制器的待機(jī)功能，來降低傳感器系統(tǒng)的功耗。

所使用的微控制器是瑞薩電子的16位RL78/G11芯片，專為傳感器應(yīng)用、小型家電和類似設(shè)備而設(shè)計(jì)。

在降低量測(cè)頻率時(shí)，考慮適當(dāng)?shù)漠惓z測(cè)方法用來生產(chǎn)精密零件的制造廠房的系統(tǒng)范例，可以用作環(huán)境傳感器應(yīng)用的范例（圖2）。這里的目標(biāo)，是借著減少傳感器系統(tǒng)的電流消耗來降低電池更換頻率。為了能更清楚明白，以下的說明專注在粉塵傳感器的控制，當(dāng)作代表性的范例。

圖2 精密零件廠房的環(huán)境傳感器系統(tǒng)

在精密零件的制造上，空氣中的粉塵、煙霧、懸浮顆粒等，都會(huì)影響產(chǎn)量。為了控制好這部分，入口處會(huì)有空氣浴塵室用于人員的清潔，整間廠房的粉塵傳感器，則用于監(jiān)測(cè)粉塵顆粒的濃度。空氣清凈機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)率，通常根據(jù)測(cè)量的濃度值升高或降低。

當(dāng)廠房的運(yùn)作正常時(shí)，粉塵濃度通常不會(huì)有較大的波動(dòng)。借著在這種條件下降低測(cè)量頻率，可以降低粉塵傳感器的功耗。例如，透過每十秒，而不是每秒一次執(zhí)行量測(cè)，功耗可以減少到十分之一。

反之，如果廠房的運(yùn)作偏離穩(wěn)定狀態(tài)，則粉塵濃度可能異常增加。在這種情況下，需要增加空氣清凈機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)率，但要等到粉塵濃度下降，可能仍需要一些時(shí)間。如果生產(chǎn)設(shè)備繼續(xù)在高濃度的粉塵下運(yùn)轉(zhuǎn)，設(shè)備可能會(huì)被污染并需要清潔。因此，當(dāng)粉塵異常增加時(shí)，必須立即停止廠房的生產(chǎn)設(shè)備。因此，用于檢測(cè)異常和系統(tǒng)控制的合適方法，必須好好的來思考。第一步，是配置用于檢測(cè)異常情況的系統(tǒng)。接下來，必須確保在異常檢測(cè)的情況下所需的處理步驟（例如輸出警報(bào)訊號(hào)）可以平穩(wěn)且快速地執(zhí)行。

這可以總結(jié)如下。粉塵傳感器系統(tǒng)需要：

(1) 降低測(cè)量的頻率

(2) 有能力檢測(cè)出異常情況

(3) 在檢測(cè)到異常的情況下，就可啟動(dòng)系統(tǒng)控制。

外圍功能對(duì)傳感器處理很有用

在解釋如何實(shí)現(xiàn)這種控制系統(tǒng)之前，在此有一些關(guān)于RL78/G11芯片的信息（以下簡(jiǎn)稱為G11）。該產(chǎn)品是瑞薩電子的RL78系列微控制器的一部分（見圖3）。其特點(diǎn)，是在提供適用于電壓測(cè)量、增強(qiáng)型模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換外圍功能等的應(yīng)用。舉例來說，這些功能可用于控制傳感 器的集線器和工業(yè)傳感器、電池模塊、電動(dòng)工具、測(cè)量?jī)x器、廚房用具、吸塵器、美容用具、空調(diào)風(fēng)扇、通風(fēng)設(shè)備等。

圖3 RL78系列路線圖

G11包含四種類型的定時(shí)器，以及串行通訊功能、一組比較器、可編程增益放大器(PGA)、10位A/D轉(zhuǎn)換器和8位D/A轉(zhuǎn)換器等。以下進(jìn)一步說明的是，在CPU停止時(shí)，G11的許多外圍功能模塊仍然可以在待機(jī)模式下運(yùn)行。

G11的電源電壓范圍為 1.6 V 至 5.5 V，包含三個(gè)振蕩器，用于生成工作時(shí)鐘信號(hào)。G11有四種閃存操作模式（flash operation mode），可優(yōu)化內(nèi)部電路的工作電壓、工作時(shí)序和工作電流。通過選擇合適的模式，并根據(jù)電源電壓范圍，以及要使用的時(shí)鐘頻率，可以盡可能有效地降低微控制器的電流消耗（圖 4）。

圖 4 RL78/G11的閃存操作模式 在待機(jī)模式下也能使用定時(shí)器進(jìn)行間歇操作

要實(shí)現(xiàn)的第一個(gè)方向，是降低傳感器測(cè)量的頻度。利用微控制器的待機(jī)（standby）功能，間歇地操作粉塵傳感器，可以實(shí)現(xiàn)即只在測(cè)量粉塵濃度時(shí)，喚醒微控制器的CPU，并在其他時(shí)間將其保持在待機(jī)狀態(tài)（圖5）。這里的待機(jī)狀態(tài)應(yīng)該理解為電流消耗減少了，但可以快速返回到正常狀態(tài)（可以執(zhí)行粉塵濃度測(cè)量）的那種狀態(tài)。

圖5 使用待機(jī)狀態(tài)降低測(cè)量頻度