12一种非休眠方式的超低功耗RTU方案Research,of,a,kind,of,compatible,RTU,base,on,the,intelligent,water,management,system,application

12一种非休眠方式的超低功耗RTU方案

Research,of,a,kind,of,compatible,RTU,base,on,the,intelligent,water,management,system,application

唐光辉 孙飞

Guanghui Tang, Light Sun

(长江信达软件技术(武汉)有限责任公司 湖北武汉 430010)

(Changjiang Schinta Software Technology (Wu Han) Co., LTD.)

摘要:目前市面上的远程测控终端（RTU）产品种类众多，对低功耗性能的要求也日趋严苛。此外由于国外疫情及其他原因，芯片供应短缺，尤其是对一些高性能的产品进行了限量甚至断供。本文通过分析智慧水利RTU的功能特点，结合应用场景，提出了一种将RTU待机功耗降低至3uA以下的超低功耗方案，并通过对系统断电的方式，降低对其芯片性能的要求，提高国产化率，降低成本，减小了被卡脖子的风险。

关键词：远程测控终端、超低功耗

Abstract： At present, there are many types of remote terminal unit(RTU) products on the market, and the requirements for low power consumption performance are increasingly stringent. In addition, due to the overseas epidemic and other reasons, there is a shortage of chip supply, especially some high-performance products are limited or even cut off. By analyzing the functional characteristics of intelligent water conservancy RTU and combining with the application scenarios, this paper proposes an ultra-low power consumption scheme that reduces the standby power consumption of RTU to below 3uA, and reduces the requirements on chip performance, improves localization rate, reduces costs and avoids being contained.

Key words: RTU,Ultra-Low Power

收稿日期：2022–09–28；

作者简介：唐光辉，男，工程师，研究方向智慧水利系统集成，Email：tangguanghui@cjwsjy.com.cn

中图分类号： TP23 文献标识码：A 文章编号：

0引言

智慧水利是充分利用现代信息技术，深入、广泛的利用水利资源，通过信息技术采集、传输、存储水利信息，结合数字化、网络化、智能化的管理，合理调度资源实现利用率最大化。要实现无人值守、全天候采集、长期自动存储、定时回传等功能[1]。在回传的形式上，主要分为两大类：有线回传和无线回传。有线回传(典型例如ModBus)[2]优点在于成本低、可靠性高、功耗低，但是应用场景有限，需要铺设线缆才能实现通信。无线回传是目前的主流回传技术，从最初的GPRS，到后来的3G、NB-IoT以及4G、5G[1-3]，以及无线组网的LoRa和Zigbee[4]，其优势是无需有线电缆，可通过运营商的基站或自组网实现通信，缺点是功耗比较高。在水利应用中RTU经常安装在地下管网的维修井中，环境恶劣，信号屏蔽严重，而且没有渠道提供能源，只能依靠设备自身集成的电池供电。所以降低RTU待机功耗，延长其使用寿命一直是RTU的一个重要参数。

RTU的功耗主要集中在两个方面：一是无线回传的射频功耗，另一个是待机状态下的值守功耗。无线回传最开始使用的是GPRS技术，基于2G网络的GPRS技术功耗极大，往往在发射瞬间达到几百毫安。随着技术的发展3G、4G、5G逐渐替代的原有的GPRS技术，就以目前覆盖最广的4G为例，其瞬时发射功率已经控制在100多毫安左右，但即便如此，对于动辄待机5年的RTU依然是较大的负担，所以针对物联网应用，推出了NB-IoT技术，其瞬时发射功率已经降到100mA以下。除了无线回传功耗，另一部分是待机功耗，即RTU在非采集模式下的静态值守功耗，这部分功耗主要由两部分组成：前端电源变换模块(DCDC)以及中央处理器(CPU)。DCDC将外部供电电压或自带电池电压通过DC变换到CPU工作所需的3.3V或5V，所以不论RTU处在采集工作模式，还是静态值守模式，DCDC是始终工作的。电源变换模块的转换效率和静态电流是静态值守功耗的主要组成部分，目前静态功耗低的电源芯片基本集中在TI和ADI等外国公司手中，国产芯片在功能上可以替代，但是个别指标上还是存在明显差距。TI的部分高性能芯片供货周期都在3个月以上，价格也提高了数倍，导致国内相关产品的成本大大增加。同样的中央处理器也存在同样的情况，尤其是严重依赖CPU低功耗休眠模式来降低静态功耗的设计(如STM32系列)

[5、6]，使得国产的休眠模式功耗较高的CPU完全被排除在外。

本设计就是针对以上情况，提出一种与传统低功耗思路不同的，非休眠模式的低功耗方案。

1本文RTU设计思路

结合上文的分析，要进一步降低RTU的功耗，就需要在需要待机的时候切断DCDC和CPU的供电。本设计提出一种全新的方案，在待机状态下，所有电路均和电源断开，只由一个外部微功耗定时芯片，通过预设的定时值，定期打开电源开关，为系统供电。这样免去了低功耗DCDC芯片的限制，使得大部分国产芯片成为替代的可能，即降低了成本，又免于被外国卡脖子。同样的道理，也放宽了CPU芯片的选型，可以使用国产的非低功耗CPU来实现功能。其拓扑结构如下图所示：。

图1超低功耗RTU拓扑结构

从图1中可以看出，RTU自带的3.6V直接向唤醒芯片供电，在正常工作时，电池与降压模块的开关闭合，系统带电，采集、回传功能正常运行。当进入低功耗模式时，电池与系统之间的开关断开，系统整体断电，唤醒芯片进入定时状态，达到定时时间后，唤醒芯片输出电平，控制开关闭合，重新为系统供电，如此往复。

2实施方案

本设计的关键技术主要集中在两点，首先是低功耗的定时芯片。本设计采用专门的定时芯片作为定时唤醒的触发。其具有超低的待机电流从图2中可以看出，待机电流仅50nA。

图2 定时芯片待机功耗

芯片还内置了PNP控制功能，如图3所示：在定时计数期间，U6的6脚维持集电极开路状态，此时PNP管M1的G极被R7拉高，M1截止，此时BAT_SW无电压，所以接在此受控电源上的DCDC和CPU将不工作。

图3 电源控制电路

当计时等于定时时间时，5脚DRV拉低，由于R7和R29的分压比例为100：1，所以M1的G极约为0.01倍的BAT电压，此方案中BAT为单节锂电池，工作电压范围2.7~4.2V，则G极电压范围0.027~0.04V，VGS满足2V以上，可以饱和导通M1，此时BAT_SW等于BAT电压减去M1的导通压降，可为后级供电。

本设计的另一个关键因素是PNP管M1的选型，最终使用了AO3407，参数如图4所示，AO3407的漏电流IDSS在正常温度范围时最大1uA，门限电压VGS典型值1.9V，最大也只需要2.4V，由前文计算可知，本设计VGS余量充足，满足功能条件。

图4AO3407参数

3实施效果

通过我公司设计的超低功耗方案，降低了对DCDC芯片性能的苛刻要求，使得原本需要进口的DCDC芯片，变为国产芯片，价格从30(以TPS631000为例)元降为2元(SC8001)，且不用担心货期问题。同时也降低了对待机工作模式功耗的苛刻要求，不必使用STM32系列的CPU，此系列芯片因为疫情，已由原来的几十元上涨到几百元，且货期极长，使用本设计的方案，可以改换为国产CPU，成本从几百元降低至10元以内(W806)。

同时待机电流从原来的几十uA以上降低至3uA以内，使用单节锂电池供电，功耗仅10uW，若按5年使用寿命计算，待机功耗只需200 mAh电量。

图5待机功耗

综上所述，本设计具有极高的经济效益，同时减少了对外国芯片的依赖，提高了国产化率。

参考文献：

[1]刘一均,冯黎兵,郑嘉龙,等. NB-IoT在水利信息采集中的应用研究[J]. 自动化技术与应用,2022,41(3):106-108. DOI:10.3969/j.issn.1003-7241.2022.03.023.

[2]赵喜波. Modbus RTU通信方式在龙口水电站通风集控系统上的应用[J]. 水利建设与管理,2020,40(12):64-66,78. DOI:10.16616/j.cnki.11-4446/TV.2020.12.13.

[3]陈钊,黄凤辰,花再军. 基于GPRS网络的低功耗远程图像采集RTU设计[J]. 工业仪表与自动化装置,2016(3):37-39. DOI:10.3969/j.issn.1000-0682.2016.03.010.

[4]Design of intelligent tiered pricing meter based on ZigBee[C]. //International Conference on Advanced Intelligence and Awareness Internet 2010.:Curran Associates, Inc., 2010:291-294.

[5]邵灿辉,倪维东,伏怀文. 基于STM32的新一代遥测终端机的设计与实现[J]. 自动化与仪表,2021,36(1):93-96. DOI:10.19557/j.cnki.1001-9944.2021.01.021.

[6]盛雪瓯,沈冰,屠佳恒. 基于ARM Cor tex-M4的水利遥测终端机设计[J]. 浙江水利科技,2022,50(3):74-77. DOI:10.13641/j.cnki.33-1162/tv.2022.03.017.