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          基于C8051F系列單片機(jī)的低功耗設(shè)計(jì)

          ——
          作者:海軍工程大學(xué) 趙志宏 李小珉 陳冬 時(shí)間:2007-01-26 來源:《單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用》 收藏


          引言

          在控制終端系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,當(dāng)系統(tǒng)要求整體功耗偏低時(shí),c8051系列單片機(jī)是一個(gè)最佳的選擇,它們擁有靈活的時(shí)鐘硬件,使系統(tǒng)能夠方便地在高效運(yùn)作模式與低功耗模式間進(jìn)行轉(zhuǎn)換,智能的電源管理模式能夠在正常工作及待機(jī)狀態(tài)自由切換,從而降低整個(gè)系統(tǒng)的能量損耗,當(dāng)工作頻率低于10khz時(shí),時(shí)鐘丟失檢測器(mcd)能夠引發(fā)系統(tǒng)產(chǎn)生復(fù)位,確保系統(tǒng)工作的安全可靠。

          1 c8051f各部分組件的功耗

          當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)對功耗要求嚴(yán)格時(shí),可以在硬件電路建立前首先粗略計(jì)算一下整個(gè)系統(tǒng)所需的功耗,由于c8051f系列單片機(jī)為數(shù)?;旌蟬oc系統(tǒng),能夠?qū)崿F(xiàn)整個(gè)設(shè)計(jì)的大部分功能,因此整個(gè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的功耗將主要集中在c8015f系列單片機(jī)的能量消耗上。

          整個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)的功耗應(yīng)該由4部分組成,振蕩器功耗、數(shù)字設(shè)備功耗、模擬外設(shè)功耗及i/o端口功耗,振蕩器功耗包括內(nèi)部振蕩器的功耗以及外部振蕩器功耗,數(shù)字設(shè)備能量消耗主要由cpu的工作模式,工作電壓及系統(tǒng)時(shí)鐘頻率決定,溫度與數(shù)字外圍設(shè)備對數(shù)字設(shè)備的功耗影響很小,模擬外圍設(shè)備功耗主要包含adc,電壓基準(zhǔn)vref、溫度傳感器、偏壓發(fā)生器及內(nèi)部振蕩器,比較器也有少量的能量功耗。

          1.1 振蕩器功耗分析

          外部振蕩器具有很好的可配置性,為系統(tǒng)設(shè)計(jì)者提供了多種選擇。時(shí)基信號可以從外部cmos電平時(shí)鐘源、晶振或陶瓷諧振器、rc組合電路或外部電容獲得,每一種方法都有各自的優(yōu)勢,由于振蕩器可以靈巧地在各種方式中轉(zhuǎn)換,因此可以通過改變振蕩器來降低功耗,對外部振蕩器來說,外部cmos時(shí)鐘,電容和rc網(wǎng)絡(luò)都能夠提供較低的振蕩頻率。

          (1)外部cmos時(shí)鐘

          當(dāng)工作于外部振蕩器cmos時(shí)鐘模式時(shí),外部振蕩器驅(qū)動(dòng)被關(guān)閉,電路功耗電流微小可以近似忽略,xtal2輸出的時(shí)基信號可以用作cpu、計(jì)時(shí)器、pca或其他外圍設(shè)備的時(shí)鐘源,注意,即使在某一端口應(yīng)用了高頻信號,功耗仍只有少量的增加。

          (2)外部晶振

          外部晶振提供了最精確的時(shí)間基準(zhǔn),但隨之而來的功耗在同一頻率下也更高,外部晶振依賴于晶振頻率和振蕩器驅(qū)動(dòng)電路(xfcn)。

          (3)外部電容c模式

          外部電容模式通過將一個(gè)電容連接到xtal2為系統(tǒng)提供低功耗時(shí)鐘,這是精度最差的一種時(shí)基方式,但同時(shí)也是最靈活的一種方式,只用一個(gè)電容元件就可以提供8種不同的工作頻率,最高頻率幾乎可達(dá)最低頻率的3000倍,可以通過改變在oscxcn寄存器中的xfcn位改變其振蕩的頻率,并直接影響其輸出的電流,外部電容方式下的時(shí)基精度主要由電容的誤差和流過xtal2的內(nèi)部電流源的精度決定。

          (4)外部振蕩rc模式

          rc模式與電容模式十分相似,區(qū)別在于外部電容方式下電容的充電電流由接到xtal2的內(nèi)部可編程電流源提供,并且在rc模式下充放電電路除了包含電容外還要通過一個(gè)外部電阻器。rc模式振蕩電路的平均功耗由通過電阻器的平均電流所決定,電阻器上的壓降成指數(shù)倍大小,其波形可以簡化為三角波來估計(jì)平均值。

          通常,設(shè)計(jì)者可以通過合理地選擇時(shí)鐘源達(dá)到降低功耗的目的,內(nèi)部振蕩器消耗數(shù)字電源電流的典型值為200μa,用于驅(qū)動(dòng)外部振蕩器的電流是變化的,對于一個(gè)外部振蕩源(如晶振),驅(qū)動(dòng)電流(由模擬電源提供)用軟件通過配置外部振蕩器控制寄存器oscxcn的xfcn位來設(shè)置,在驅(qū)動(dòng)電流較大時(shí)用戶可以使用內(nèi)部振蕩器以降低功耗。

          1.2 數(shù)字設(shè)備的功耗分析

          數(shù)字設(shè)備的能量消耗主要是由cpu電流的大小來衡量的,cpu的電源模式是決定cpu電流大小、工作電壓及系統(tǒng)時(shí)鐘頻率的關(guān)鍵因素,通常,溫度和數(shù)字外圍設(shè)備對數(shù)字設(shè)備的功耗只有很小的影響。

          (1)cpu電源管理模式

          cpu有3種操作模式:正常狀態(tài),空閑狀態(tài)與停止?fàn)顟B(tài)。通常,空閑狀態(tài)的平均電流值受控于內(nèi)部振蕩器,正常模式時(shí)的電流值減去空閑模式時(shí)的電流值即為cpu正常運(yùn)行的工作電流值。當(dāng)寫1到idle位時(shí),cpu結(jié)束指令周期進(jìn)入低功耗模式,直到被中斷或復(fù)位喚醒。在空閑模式下,所有的模擬與數(shù)字外圍設(shè)備、存儲(chǔ)器與內(nèi)部寄存器都保持原來的值不變,被喚醒后,cpu開始從設(shè)置空閑方式選擇位指令的下一條指令開始執(zhí)行,當(dāng)寫1到stop位時(shí),cpu進(jìn)入停機(jī)模式,設(shè)置停機(jī)模式后,當(dāng)前指令被執(zhí)行完畢,內(nèi)部振蕩器及所有的數(shù)字外圍設(shè)備全部停止工作,模擬外設(shè)(如比較器與外部振蕩器)保留其當(dāng)前的狀態(tài)。在停止?fàn)顟B(tài),mcu消耗最少的電流。

          (2)cpu工作電壓、頻率及溫度對功耗的影響

          工作電壓:cpu的工作電流會(huì)隨著供電電壓的升高而增加,這種關(guān)系存在于任意一種工作頻率下,尤其在高頻運(yùn)行時(shí)表現(xiàn)得更為明顯,理論上提供電壓最小可達(dá)到2.7v,但由于電壓調(diào)整本身有±10%的誤差率,因此系統(tǒng)通常供電電壓不會(huì)低于3v。

          溫度:溫度對系統(tǒng)的功耗無影響。

          工作頻率:cpu工作頻率對系統(tǒng)功耗有主要影響,在cmos數(shù)字邏輯器件中,功耗與系統(tǒng)時(shí)鐘sysclk頻率成正比:

          功耗=cv2f

          式中:c是cmos的負(fù)載電容;v是電源電壓,f是sysclk的頻率。

          因此,為了降低功耗,設(shè)計(jì)者必須知道給定系統(tǒng)所需的最高sysclk頻率和精度,某些設(shè)計(jì)可能需要其系統(tǒng)時(shí)鐘頻率在全部工作時(shí)間內(nèi)保持不變,在這種情況下,設(shè)計(jì)者將選擇滿足要求的最低頻率,并采用消耗最低功耗的振蕩器配置。

          1.3 數(shù)字外圍設(shè)備與i/o接口的功耗分析

          數(shù)字外圍設(shè)備(計(jì)數(shù)器、uart、pca、spi)的損耗占系統(tǒng)總功耗的比例很小,舉個(gè)例子,當(dāng)c8051f單片機(jī)工作在3.06mhz(內(nèi)部振蕩器8分頻),3v電壓時(shí),沒有一個(gè)數(shù)字外圍設(shè)備端口的工作電流超過700μa,而在啟動(dòng)計(jì)數(shù)器作為uart0數(shù)據(jù)傳輸時(shí)鐘后,系統(tǒng)的工作電流會(huì)增加18μa,這里,計(jì)數(shù)器與uart的功率損耗主要由其時(shí)鐘頻率及工作電壓來決定,利用交叉開關(guān)配置通過i/o口為推挽模式,也能夠影響功耗的大小,在上述例子中,如果利用交叉開關(guān)將uart0的tx端分配到p0.4口,則配置端口為推挽模式將令系統(tǒng)的工作電流再增加82μa,輸出引腳的功耗由連接在該引腳的外部電流頻率決定。

          1.4 模擬外圍設(shè)備的功耗

          模擬外圍設(shè)備功耗是adc、溫度傳感器、內(nèi)部偏置電壓產(chǎn)生器及內(nèi)部振蕩器的功耗和,通常,只要adc、內(nèi)部振蕩器或溫度傳感器被激活,內(nèi)部偏置電壓產(chǎn)生器就會(huì)自動(dòng)被使能。adc在轉(zhuǎn)換期間的工作電流比adc沒有轉(zhuǎn)換時(shí)的工作電流大30%-50%,sar轉(zhuǎn)換時(shí)鐘頻率與采樣頻率也影響了功耗的大小,由于增加sar轉(zhuǎn)換時(shí)鐘頻率或降低采樣率會(huì)縮短每次a/d轉(zhuǎn)換的時(shí)間,使系統(tǒng)在轉(zhuǎn)換間隙有更多的時(shí)間處于空閑狀態(tài),因此會(huì)大大降低系統(tǒng)功耗。

          2 降低功耗的幾點(diǎn)考慮

          要降低系統(tǒng)的平均功耗,需要從兩個(gè)方面考慮:首先是適當(dāng)調(diào)整在所有時(shí)間一直影響系統(tǒng)工作的參數(shù),通常工作電壓是重要考慮的參數(shù),工作電壓決定了系統(tǒng)是否能夠處于正常運(yùn)作狀態(tài),它可以由電壓調(diào)整器或一個(gè)電池來提供,對于一個(gè)節(jié)能系統(tǒng),工作電壓應(yīng)該被最小化,以節(jié)約能量。第二點(diǎn)就是構(gòu)建合理的固件結(jié)構(gòu)以降低功耗,要為系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩個(gè)工作模式:一個(gè)為高效的運(yùn)作模式;另一個(gè)則是以降低功耗為目的的睡眠模式,兩個(gè)模式的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不同,但應(yīng)盡量讓系統(tǒng)在大部分時(shí)間內(nèi)處于睡眠模式,以降低系統(tǒng)的總功耗,下面詳細(xì)討論這兩個(gè)方面的設(shè)計(jì)。

          2.1 降低工作電壓、減少工作電流

          工作電壓對系統(tǒng)的總功耗起著舉足輕重的作用,對于節(jié)能系統(tǒng)、應(yīng)該盡量在保證系統(tǒng)安全可靠的前提下采用最低的工作電壓。通常電壓調(diào)制器會(huì)有10%的誤差率,因此在設(shè)計(jì)工作電壓時(shí)地最低的工作電壓應(yīng)該為3v,此時(shí)電壓調(diào)制器的輸出電壓在2.7v與3.3v之間,也可以選擇用電池。在這里推薦使用鋰電池,鋰錳二氧化氮電池能夠無須任何調(diào)節(jié)地輸出穩(wěn)定的2.85v電壓,并且該電池能夠直接連接到設(shè)備的電源引腳,無須擔(dān)心電池耗盡時(shí)會(huì)對系統(tǒng)工作有不良的影響,因此c8051f系列單片機(jī)中,片上電源監(jiān)控器能夠確保在電池耗盡后系統(tǒng)自動(dòng)復(fù)位。

          由于工作電壓通常是恒定的,因此經(jīng)常通過減小平均電流來降低系統(tǒng)的總功耗,平均工作電流是系統(tǒng)在單位時(shí)間內(nèi)消耗的電荷量,對一個(gè)系統(tǒng)來說,其總的運(yùn)行時(shí)間應(yīng)該被分為兩個(gè)部分——高效工作期與低功耗休眠期,如圖1所示,高效工作期的工作電流偏大,而休眠期的電流非常小,平均工作電流是系統(tǒng)在這兩部分時(shí)間的總電荷量與時(shí)間相除所得的平均值,因此如果想減小平均電流值,唯有通過兩種方法解決——縮短高效工作期的時(shí)間或減小高效工作期的峰值電流,設(shè)計(jì)者應(yīng)該盡量從這兩方面著手設(shè)計(jì)系統(tǒng),以達(dá)到降低總功耗的目的。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/21552.htm

          2.2 設(shè)計(jì)一個(gè)低功耗的休眠模式

          可以通過設(shè)計(jì)低功耗休眠模式,令系統(tǒng)在非工作期一直處于低消耗狀態(tài),從而達(dá)到減小整個(gè)系統(tǒng)工作電流的目的。休眠模式可以通過將電源管理模式設(shè)定為空閑或停止?fàn)顟B(tài)來實(shí)現(xiàn),通常會(huì)設(shè)定空閑模式,因?yàn)樵撃J礁菀妆换謴?fù),需要注意的是,在休眠模式下應(yīng)該關(guān)閉所有不需要的外圍設(shè)備,并配置休眠模式的時(shí)鐘為外部振蕩器,因?yàn)橥獠空袷幤髂軌蚪箖?nèi)部振蕩器的振蕩,并能以非常低的時(shí)鐘基準(zhǔn)進(jìn)行振蕩,這里有兩個(gè)可選的振蕩器:36.728khz晶振與單電容模式外部振蕩器。

          外部電容模式振蕩器消耗的功耗比晶振低,但沒有晶振精確。其優(yōu)勢在于能夠使鐘控外圍設(shè)備(如定時(shí)器)的頻率低度低于10khz,同時(shí)由于其組成只包含1個(gè)電容,相比于晶振的2個(gè)裝載電容及1個(gè)電阻器結(jié)構(gòu),能夠節(jié)省pcb板的空間,若在設(shè)計(jì)中使用了高頻晶振,則可將裝載電容連接到xtal2引腳,作為外部振蕩器使用,并可在c模式下為休眠模式提供一個(gè)較低頻率的時(shí)鐘。

          2.3 設(shè)計(jì)一個(gè)高效運(yùn)作模式

          高效運(yùn)作模式的設(shè)計(jì)應(yīng)該以盡可能縮短完成作業(yè)所需時(shí)間為標(biāo)準(zhǔn),使得系統(tǒng)能夠盡快地恢復(fù)到休眠模式,模式的設(shè)計(jì)包括調(diào)整工作電流的峰值以及時(shí)鐘頻率,以減小高效工作期間的總電荷量,通常在高效工作模式下使用內(nèi)部振蕩器,更有益于系統(tǒng)總功耗的降低。

          下面以adc采樣為例,比較、分析兩種設(shè)計(jì)中系統(tǒng)功耗的消耗率情況。

          片上溫度傳感器以10hz速率采樣,系統(tǒng)的外部晶振連接到xtal與xtal2之間,定時(shí)器2每100ms溢出產(chǎn)生一個(gè)中斷,將系統(tǒng)從空閑模式喚醒。當(dāng)系統(tǒng)被激活后,系統(tǒng)捕捉adc采樣數(shù)據(jù),然后重新返回空閑模式,直到下一個(gè)中斷發(fā)生。

          由于該系統(tǒng)是電池供電,因此系統(tǒng)應(yīng)盡量減少每次a/d采樣所消耗的電荷,由于電荷量是一段時(shí)間內(nèi)電流的總量,因此可以通過縮短采樣時(shí)間或減小采樣時(shí)的峰值電流來節(jié)約能量。也就是說,在捕捉adc采樣數(shù)據(jù)時(shí),系統(tǒng)可以選擇轉(zhuǎn)換到3mhz的內(nèi)部振蕩器,在短時(shí)間內(nèi)使用大的電流,或是用外部32khz的晶振作為系統(tǒng)振蕩器,使單片機(jī)在長時(shí)間內(nèi)使用較小的電流值。

          根據(jù)以上分析,進(jìn)行了兩種設(shè)計(jì),一種設(shè)計(jì)是在采樣時(shí)一直采用外部32.768khz晶振作為系統(tǒng)時(shí)針基準(zhǔn),另一種設(shè)計(jì)是在采樣時(shí)將振蕩器轉(zhuǎn)換到內(nèi)部振蕩器,以縮短a/d轉(zhuǎn)換的時(shí)間,兩個(gè)系統(tǒng)在不采樣時(shí)都處于同樣的空閑模式。

          第1個(gè)系統(tǒng)從空閑模式被喚醒后,系統(tǒng)直接啟動(dòng)了adc設(shè)備開始采樣,系統(tǒng)沒有轉(zhuǎn)換到內(nèi)部振蕩器,而是仍采用原來的32khz晶振作為系統(tǒng)的時(shí)鐘基準(zhǔn),a/d轉(zhuǎn)換結(jié)束后,系統(tǒng)讀取采樣值,關(guān)閉adc并重新進(jìn)入空閑模式,為了捕捉采樣數(shù)據(jù),系統(tǒng)在峰值工作電流0.65ma上持續(xù)了1.5ms,第2個(gè)系統(tǒng)從空閑模式被喚醒時(shí),系統(tǒng)啟動(dòng)內(nèi)部振蕩器與adc,轉(zhuǎn)換系統(tǒng)時(shí)鐘基準(zhǔn)為內(nèi)部振蕩器8分頻模式,并開始adc轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換完成后,讀adc數(shù)據(jù),而后停止adc及內(nèi)部振蕩器并令cpu回到空閑模式,為了捕捉adc采樣數(shù)據(jù),系統(tǒng)在峰值工作電流2.2ma上持續(xù)了400μs,利用公式:

          計(jì)算可得,第1種設(shè)計(jì)系統(tǒng)的平均電流為15μa;而第2種設(shè)計(jì)系統(tǒng)的平均工作電流為14μa,在3v鋰電池供電的情況下,第1種設(shè)計(jì)電池的壽命為40000h;而第2種設(shè)計(jì)電池的壽命為42000h。

          從這個(gè)離子可以看出,在系統(tǒng)高效工作時(shí)提高系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率能夠減小系統(tǒng)的平均工作電流,從而降低系統(tǒng)的總功耗。



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