單片機(jī)開發(fā)
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單片機(jī)低功耗設(shè)計(jì)
單片機(jī)系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)的總體原則及其設(shè)計(jì)策略
隨著電子科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在人們的生產(chǎn)生活領(lǐng)域，基于單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的電子產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用，同時(shí)對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)的能耗功率設(shè)計(jì)提出了更高的要求，單片機(jī)低功耗設(shè)計(jì)越來越受到人們關(guān)注，單片機(jī)低功耗設(shè)計(jì)符合社會(huì)節(jié)能要求，可以大幅度提高電子產(chǎn)品的使用壽命，大大提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。由此看出，單片機(jī)的低功耗設(shè)計(jì)不但具有很好的經(jīng)濟(jì)效益，而且具有較大的社會(huì)效益。
一、單片機(jī)系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)原則
（１）ＣＰＵ內(nèi)核簡(jiǎn)單為宜原則：在單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，ＣＰＵ的選擇不能一味的追求性能。８位機(jī)就夠用，一定要遵循夠用就好的原則。隨著科技的發(fā)展，當(dāng)前的單片機(jī)運(yùn)行速度越來越快，但是性能的不斷提升一定會(huì)帶來能量的消耗。相對(duì)復(fù)雜的ＣＰＵ集成度也一定高，由于片內(nèi)晶體管多，總漏電流會(huì)加大，所以當(dāng)設(shè)備處于ｓｔｏｐ狀態(tài)的時(shí)候，也會(huì)產(chǎn)生漏電現(xiàn)象，所以ＣＰＵ的選擇，簡(jiǎn)單實(shí)用就好，不但可以降低功耗而且可以降低成本。
（２）電壓系統(tǒng)“夠用就好”原則：降低單片機(jī)供電電壓能夠很好的降低使用功率，目前，單片機(jī)的供電電壓已經(jīng)從原來的５Ｖ降至１．８Ｖ。低電壓供電可以有效的降低系統(tǒng)工作電流，但是由于晶體管的尺寸在不斷減小，這也是降低功耗非常不利的一方面。所以選擇低電壓系統(tǒng)時(shí)一定要慎重。系統(tǒng)中的其他電子元件在低電壓的情況下要確保正常工作。通過這種途徑可以很大程度上解決系統(tǒng)的低功耗問題。
（３）選擇低功耗電路原則：?jiǎn)纹瑱C(jī)低功耗系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，要選擇在低功耗的情況下，保持高效率的電路，目前低功耗系統(tǒng)使用的大多是ＨＣＭＯＳ集成電路，可以將很多集成電路共同聯(lián)結(jié)在一個(gè)封裝內(nèi)。這樣可以減少總線電容，從而容納更多的信號(hào)。除此之外，降低晶振頻率也能有效的降低整機(jī)電流，但是晶振頻率降低有時(shí)會(huì)影響系統(tǒng)的運(yùn)行速度，會(huì)受到外部電路時(shí)序、計(jì)數(shù)器測(cè)量頻率、串行通訊頻率等的限制，所以在晶振頻率值選擇時(shí)，一定要考慮到系統(tǒng)信息處理的工作速度。
二、單片機(jī)低功耗設(shè)計(jì)的主要依據(jù)
２．１降低單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)功耗
在單片機(jī)低功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，要合理的運(yùn)用掉電、睡眠以及中斷，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)電子產(chǎn)品的低功耗運(yùn)行，睡眠模式與掉電模式可以通過ＣＰＵ與系統(tǒng)的關(guān)斷來達(dá)到降低功耗的目的。集中功率消耗較大的任務(wù)，降低功耗時(shí)間，采用快速進(jìn)入掉電或睡眠狀態(tài)，避免系統(tǒng)無謂的等待。在確保系統(tǒng)正常運(yùn)行的前提下降低采集速度、總線速度。
２．２單片機(jī)本質(zhì)低功率設(shè)計(jì)
對(duì)于單片機(jī)本質(zhì)低功耗設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在對(duì)元器件的選擇和電路設(shè)計(jì)兩個(gè)方面。元器件的選擇要遵循頻率宜慢不宜快、系統(tǒng)宜靜不宜動(dòng)、電壓宜低不宜高的原則，實(shí)現(xiàn)硬件系統(tǒng)的節(jié)能化。關(guān)于元器件節(jié)能控制的主要方法為：控制電源電壓、時(shí)鐘控制以及靜態(tài)控制。在電路的設(shè)計(jì)過程中，要采用低功耗的喚醒電路設(shè)計(jì)，選擇集成度高的電子芯片來替代單一功能集成度低的電子芯片，在降低供電電壓的同時(shí)要加強(qiáng)電路的屏蔽與抗干擾能力設(shè)計(jì)。
三、單片機(jī)系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)方案
３．１單片機(jī)低功耗系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
（1）選擇適當(dāng)?shù)恼袷幏绞剑耗壳氨容^常用的振蕩器有晶體震蕩器、諧振器與ＲＣ振蕩器，３種振蕩器的喚醒時(shí)間各不相同，該設(shè)計(jì)選用晶體振蕩器，晶體振蕩器的喚醒時(shí)間在８．５ｍｓ左右，單片機(jī)在工作的過程中，如果喚醒的時(shí)間過長(zhǎng)，就會(huì)形成一個(gè)預(yù)工作階段，這時(shí)處理器就會(huì)消耗電能，但是程序還沒有運(yùn)行，所以導(dǎo)致電能消耗損失。為了進(jìn)一步節(jié)約能耗，在晶體振蕩器的回路中串上一個(gè)小電阻ＲＳ。
（2）處理Ｉ／Ｏ管腳：在單片機(jī)低功耗系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，Ｉ／Ｏ管腳的處理尤為重要。設(shè)置為輸出的管腳可以驅(qū)動(dòng)２０－２５ｍＡ的電流，所以要對(duì)每一個(gè)輸出管腳進(jìn)行優(yōu)化，為了達(dá)到節(jié)能的效果，可以禁止內(nèi)部上拉，使外部較大的電阻做上位，這種做法可以做到在休眠狀態(tài)下節(jié)約能量，在受干擾的環(huán)境下，會(huì)由于內(nèi)部鎖存器的頻繁翻轉(zhuǎn)，而增加電流的消耗。所以，沒有用的管腳，都可以設(shè)置為輸出，不能只是簡(jiǎn)單的不接，一旦外界出現(xiàn)干擾信號(hào)就極易成為反復(fù)振蕩的輸入信號(hào)，造成不必要的功耗。
（3）選擇合適的ＭＣＵ以及待機(jī)模式：低功耗的ＭＣＵ對(duì)于降低單片機(jī)的功耗具有十分重要的作用，一定要根據(jù)單片機(jī)系統(tǒng)被應(yīng)用的具體場(chǎng)合，從多種待機(jī)工作模式中選取最恰當(dāng)?shù)哪Ｊ?，最大可能的使ＭＣＵ處于低功耗狀態(tài)。ＭＣＵ的工作頻率不同時(shí)，工作耗電的差異也會(huì)很大，另外，低電壓供電可以使系統(tǒng)的供電電流大大下降，降低單片機(jī)的供電電壓可以有效降低功耗。所以選擇合適的ＭＣＵ以及系統(tǒng)電壓，對(duì)于降低功耗具有積極意義。
３．２單片機(jī)低功耗系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
（1）采取“中斷”方式降低功耗：系統(tǒng)在運(yùn)行的過程中，程序的中斷方式不同，對(duì)于應(yīng)用系統(tǒng)功耗的大小有很大區(qū)別，在“中斷”的形式下，系統(tǒng)處理器可以處于空閑狀態(tài)，而如果在查詢的形式下，ＣＰＵ對(duì)于Ｉ／Ｏ寄存器就會(huì)不停的訪問，產(chǎn)生額外的功耗。
（2）間歇式運(yùn)行Ｉ／Ｏ模塊：Ｉ／Ｏ模塊在間歇式運(yùn)行時(shí)一定要注意關(guān)閉電源，目前單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)所采用的驅(qū)動(dòng)一般功率較大，所以要通過一個(gè)Ｉ／Ｏ引腳來進(jìn)行掌控，當(dāng)系統(tǒng)無需通信時(shí)，及時(shí)的關(guān)閉驅(qū)動(dòng)。對(duì)于簡(jiǎn)單封裝或沒有引出的單片機(jī)，要注意Ｉ／Ｏ引腳的初始化。
（3）降低ＣＰＵ的運(yùn)算量：在實(shí)際操作中，關(guān)于減少ＣＰＵ的運(yùn)算量的方法有很多，可以將運(yùn)行算好的結(jié)果提前植入到Ｆｌａｓｈ當(dāng)中，在使用時(shí)可以通過查詢的方式來替代運(yùn)算，從而減少ＣＰＵ運(yùn)算量。許多單片機(jī)已經(jīng)具備快速尋址方式與查表指令，對(duì)一些難以避免的計(jì)算非常有效。增加分?jǐn)?shù)運(yùn)算或減少浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算的使用，盡可能使用一些短的數(shù)據(jù)類型。
（4）選擇低功耗模式系統(tǒng)：低功耗模式主要指系統(tǒng)的等待或停止模式。這種模式下單片機(jī)的功率會(huì)遠(yuǎn)小于運(yùn)行時(shí)功率，在等待模式下，ＣＰＵ會(huì)停止工作，但是單片機(jī)的外圍Ｉ／Ｏ模塊不會(huì)停止工作，系統(tǒng)的功耗降低也有限，如圖２所示。
以Ｆｒｅｅｓｃａｌｅ的ＨＣＳ０８單片機(jī)為例，給出不同運(yùn)行模式下的系統(tǒng)功耗。ＨＣＳ０８是８位單片機(jī)，有多個(gè)系列，各系列Ｉ／Ｏ模塊數(shù)目有所不同，但低功耗模式下的電流消耗大致相同。
因此在讓系統(tǒng)進(jìn)入深度停止?fàn)顟B(tài)前，要將重要系統(tǒng)參數(shù)保存在非易失性存儲(chǔ)器中，如ＥＥＰＲＯＭ中。深度停止模式關(guān)掉了所有的Ｉ／Ｏ，可能的喚醒方式也很有限，一般只能是復(fù)位或ＩＲＱ中斷等。保留的Ｉ／Ｏ模塊越多，系統(tǒng)允許的喚醒中斷源也就越多。單片機(jī)的功耗將根據(jù)保留喚醒方式的不同，降至１μＡ至幾十μＡ之間。
總結(jié)
在當(dāng)今社會(huì)的發(fā)展中，低功耗的單片機(jī)應(yīng)用已經(jīng)成為單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要發(fā)展方向，加強(qiáng)與推廣單片機(jī)低功耗設(shè)計(jì)的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。在以后的研究與設(shè)計(jì)中，通過對(duì)硬件系統(tǒng)及軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與創(chuàng)新，單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)在不遠(yuǎn)的將來將會(huì)創(chuàng)造出更大的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。
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