便攜式測量儀器中低功耗鍵盤的設(shè)計(jì)*

北京工業(yè)大學(xué)集成電路與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室，北京，100022

摘　要：本文提出了便攜式測量儀器中基于A/D轉(zhuǎn)換器的低功耗鍵盤的設(shè)計(jì)方案。這種鍵盤有效的節(jié)省了微處理器的I/O口，降低了系統(tǒng)功耗。本文并結(jié)合美國CYGNAL公司生產(chǎn)的C8051F0xx系列單片機(jī)對基于查詢和A/D轉(zhuǎn)換器方式的鍵盤設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)地功耗分析比較，并在實(shí)際系統(tǒng)中得到應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：鍵盤 A/D轉(zhuǎn)換器 低功耗 便攜式測量儀器 C8051F0xx

Design of Low-power Dissipation Keyboard in portable measuring instrument
Rengui Luo, Liping Zheng, Yunyang Song, Wuchen Wu  
VLSI & System Laboratory, Beijing University of Technology, Beijing 100022, China
Abstract  A low-power dissipation keyboard in portable measuring instrument, based on A/D converter method, is proposed in this paper.  The designed keyboard saves I/O pins and reduces the power dissipation effectively.  The power dissipation behaviors of two keyboards, one is based on scanning method and another on A/D method, was compared and analyzed. The keyboard has been applied in a practical system. 
Keywords  Keyboard  A/D Converter  Low-power Dissipation  Portable Measuring Instrument  C8051F0xx

1 引言
　
　　隨著以微處理器為核心的便攜式測量儀器的出現(xiàn)，如何降低其功耗成了當(dāng)前系統(tǒng)設(shè)計(jì)所面臨的首要問題。然而，鍵盤不僅是測量儀表中進(jìn)行人機(jī)交互信息必不可少的部件，也往往是系統(tǒng)中的功耗大戶，因此，如何降低測量儀表的鍵盤功耗就顯得尤為突出。同時(shí)，在一個(gè)多功能的測量儀器中，鍵盤要占用大量的I/O管腳，由于受到微處理器的通用I/O管腳的限制，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)I/O不足的情況。在測量儀器中，鍵盤通常采用矩陣式的結(jié)構(gòu)，利用2*n個(gè)I/O管腳就能讀取n*n個(gè)按鍵（例如一個(gè)端口的8個(gè)管腳可以讀取16個(gè)按鍵）。如果在矩陣式鍵盤中適當(dāng)?shù)募尤攵O管，還可以進(jìn)一步降低I/O數(shù)量（只用5個(gè)管腳就能讀取16個(gè)按鍵）[1,2]， 即使這樣并不能有效的解決I/O管腳不足的問題。本文提出的基于A/D轉(zhuǎn)換器的低功耗鍵盤的設(shè)計(jì)方案，只用一個(gè)I/O管腳就能讀取多個(gè)按鍵（受到A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換精度的影響），這不僅有效的節(jié)省了微處理器的I/O口，同時(shí)采用A/D轉(zhuǎn)換器中斷采樣的方式，還大大的降低了系統(tǒng)的功耗。

2 基于A/D轉(zhuǎn)換器的鍵盤的結(jié)構(gòu)與工作原理

　　AD轉(zhuǎn)換器的分立鍵盤電路主要由一系列的分壓電阻和按鍵組成，不同的按鍵對應(yīng)著不同的分壓的電阻，從而得到不同的分壓值，電路框圖如圖1所示。[3]

　　圖1中Vkin為鍵值電壓，Vcc是電源電壓，R為分壓電阻，Rx為上拉電阻，電容C起到抗干擾的作用。電路中的電阻只有R和Rx兩種，大大地降低了對電阻的要求。
 
　　當(dāng)沒有按鍵按下時(shí)，通過上拉電阻，將A/D的輸入端置成高電平，得到全1的數(shù)值，防止外部噪聲的干擾。

　　當(dāng)有第i個(gè)鍵按下時(shí)，分壓電阻為 與Rx的并聯(lián)。為了計(jì)算方便，取Rx遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于R。這樣，Rx可以忽略不計(jì)，分壓電阻即為 。因此，任何一個(gè)按鍵i閉合時(shí)，其電壓值可由下式計(jì)算：
  
 （n為接入按鍵的個(gè)數(shù)）  （1）
　　
　　通過公式不難看出，不同的按鍵按下時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)字值也不同，這是按鍵識別的依據(jù)。因此，該電路只能識別單個(gè)按鍵按下的情況。
 
3 便攜式測量儀表的系統(tǒng)簡介

　　便攜式測量儀表通常由微處理器、A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)顯示模塊、鍵盤、傳感器及電源管理模塊等幾部分組成。美國CYGNAL公司生產(chǎn)的基于SoC的數(shù)模混合芯片C8051F0xx，它的數(shù)字部分采用高速8051微控制器內(nèi)核，模擬部分主要包括一個(gè)12位、轉(zhuǎn)換速率高達(dá)100ksps的SAR A/D轉(zhuǎn)換器，比較器，以及內(nèi)部可編程振蕩器等。[5] 同時(shí)，該芯片的供電電壓為2.7V～3.6V，非常適合用于便攜式測量儀表中。圖2就是基于C8051F0xx的典型便攜式測量儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)的硬件框圖。

4 基于查詢和A/D轉(zhuǎn)換器方式的鍵盤的功耗分析

4.1 兩種方式的硬件電路

　　為了分析問題的方便，把兩種工作方式的鍵盤做在同一個(gè)電路圖中，如圖3所示。為了減小鍵盤的靜態(tài)功耗，分壓電阻盡量采用較大的阻值的電阻，減少靜電流。 
 

4.2 兩種方式的功耗分析

首先看一下C8051F0xx直流電氣特性，如表1所示。[5]

表1 C8051F0xx部分直流電氣特性

電源方式    VDD=2.7V    VDD=3.6V

數(shù)字電流消耗    正常    0.5mA/MHz    1.0mA/MHz

    等待    0.33mA/MHz    0.65mA/MHz

模擬電流消耗    ADC    450uA    450uA
 
   VREF(內(nèi)部)    50uA    50uA
 
  內(nèi)部振蕩器（使用數(shù)字電源）    200uA    200uA

　　假設(shè)系統(tǒng)使用內(nèi)部時(shí)鐘，工作頻率采用16MHz，工作的電壓VDD=3.6V，在這種情況下可以通過計(jì)算電流來估算功率，如表2所示。

表2 兩種工作方式的電流計(jì)算比較

    鍵盤掃描方式    A/D轉(zhuǎn)換器的方式

工作方式    MCU一直進(jìn)行鍵盤掃描，即MCU的數(shù)字部分一直處于正常工作狀態(tài)，同時(shí)禁止所有不用的模擬部分電路    將MCU置于等待方式，經(jīng)過一個(gè)規(guī)定的時(shí)間間隔后再用一個(gè)定時(shí)器將其喚醒，啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換器，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換結(jié)束后，讀取鍵值，進(jìn)行相應(yīng)的操作，之后，再次進(jìn)入等待狀態(tài)，等待喚醒。
 
數(shù)字部分電流消耗    正常    1mA/MHz*16 MHz=16mA    1mA/MHz*16 MHz=16mA

    等待    0.5mA/MHz*16MHz=8mA    0.5mA/MHz*16MHz=8mA

模擬部分電流消耗    正常    5uA（忽略不計(jì)）    450uA+50uA=500uA
    等待        50uA（VREF）

內(nèi)部振蕩器的電流消耗    200uA    200uA

正常狀態(tài)總功耗    16mA+200uA=16.2mA    16mA+200uA+500uA=16.7mA

等待狀態(tài)總功耗        8mA+200uA+50uA=8.25mA

　　對于A/D轉(zhuǎn)換器的方式，已經(jīng)計(jì)算了等待方式下的電源電流和正常方式下的電源電流，還要計(jì)算在每種方式下所消耗的時(shí)間以計(jì)算所用器件的平均電流。
設(shè)置ADC工作在低功耗跟蹤方式，使用最大的2MHz SAR轉(zhuǎn)換時(shí)鐘，ADC設(shè)置為SAR時(shí)鐘 = SYSCLK/8。由于機(jī)械按鍵的抖動(dòng)時(shí)間為5～10ms，而按鍵的穩(wěn)定時(shí)間為十分之秒～幾秒，因此可以利用MCU內(nèi)部的定時(shí)器把A/D的采樣頻率設(shè)置為1KHz，電源的電流周期為1ms。處在正常方式下的時(shí)間是ADC跟蹤/轉(zhuǎn)換時(shí)間、將樣本保存到存儲器的時(shí)間以及處理鍵值的時(shí)間的總和。在低功耗跟蹤方式需要3個(gè)SAR時(shí)鐘用于跟蹤和16個(gè)SAR時(shí)鐘用于轉(zhuǎn)換這19個(gè)SAR時(shí)鐘，如圖4所示。在頻率為2MHz時(shí)需要9.5 us，存儲采樣值需要兩個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期（16MHz）即0.125 us。為了進(jìn)入正常方式要執(zhí)行一條mov指令，需三個(gè)SYSCLK周期，即0.188us。[6] 假設(shè)系統(tǒng)對按鍵處理平均需要100個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，即6.25us。這樣在正常方式下的總時(shí)間為 9.5 us + 0.125 us+ 0.188 us +6.25us= 16.05 us，等待方式的時(shí)間為 1ms -16.05us=983.95us。

　　只要在一個(gè)周期內(nèi)對電流進(jìn)行積分然后除以周期值，即可得到平均電源電流。
 
 （2）

　　這里，IA為電源的平均電流，IW為等待狀態(tài)的電源電流，IN為正常工作時(shí)的電源電流，tW為一個(gè)周期內(nèi)的等待時(shí)間，tN為一個(gè)周期內(nèi)的正常工作時(shí)間，T為電流周期。

　　本文中，IW=8.25mA, IN=16.7mA, tW=983.95us，tN=16.05us，T=1000us,代入公式（2），可得IA =8.386mA，明顯要比查詢方式降低了很多，實(shí)現(xiàn)了低功耗。它們的曲線關(guān)系如圖5所示。

5 實(shí)際應(yīng)用中的軟件設(shè)計(jì)
　　
　　在實(shí)際的應(yīng)用中，由于C8051F0xx有一個(gè)ADC可編程窗口檢測器，它不停地將ADC輸出與用戶編程的極限值進(jìn)行比較，當(dāng)滿足條件時(shí)通知系統(tǒng)控制器。在這里，可以把這個(gè)極限值設(shè)為全“1”，即當(dāng)沒有按鍵按下時(shí)，將不會(huì)產(chǎn)生中斷，這將進(jìn)一步降低系統(tǒng)的功耗。

　　為了提高讀取鍵值的準(zhǔn)確性，就必須設(shè)法消除抖動(dòng)的影響?？梢允褂密浖訒r(shí),多次采樣的辦法。當(dāng)有按鍵按下時(shí)，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換結(jié)束后，與電壓窗口比較器的預(yù)設(shè)值比較，產(chǎn)生中斷，經(jīng)過10ms的延時(shí),再讀取鍵值, 為了提高鍵值的可靠性, 一般要多讀幾次, 進(jìn)行比較，只要在誤差允許范圍內(nèi)，就認(rèn)為是相同的，軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖6所示。[4]
 
6 結(jié)束語

　　本文采用的是內(nèi)部定時(shí)器的方式來啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換器，同樣也可以采用外部中斷的方式來啟動(dòng)，進(jìn)一步降低功耗，但是這樣會(huì)增加外部鍵盤電路的設(shè)計(jì)難度。文中經(jīng)過充分挖掘C8051F0xx系列單片機(jī)的功能，利用其內(nèi)部定時(shí)器和可編程窗口比較器，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的低功耗，并且這種基于A/D轉(zhuǎn)換器的低功耗的鍵盤已經(jīng)在實(shí)際的便攜式測量儀器中得到應(yīng)用，有效的解決了系統(tǒng)中I/O管腳緊張的問題，降低了系統(tǒng)的成本。