PIC單片機(jī)降低電池供電系統(tǒng)功耗問題解析方案

引言

20世紀(jì)90年代以來，隨著集成電路特征線寬的持續(xù)縮小以及芯片密度和工作頻率的相應(yīng)增加，降低功耗已經(jīng)成為亞微米和深亞微米超大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)中的一個(gè)主要考慮因素。功耗的增加會(huì)帶來一系列問題，例如電路參數(shù)漂移、可靠性下降、芯片封裝成本增加等。因此，系統(tǒng)的功耗在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，尤其是在采用電池供電的系統(tǒng)中顯得十分重要。

Microchip公司PIC系列的單片機(jī)為設(shè)計(jì)高性能、低功耗的單片機(jī)系統(tǒng)提供了很好的解決方案。下面從低功耗設(shè)計(jì)方法及具體例子來介紹PIC單片機(jī)低功耗應(yīng)用。

1 低功耗設(shè)計(jì)方法

為使系統(tǒng)工作在低功耗狀態(tài)，必須正確設(shè)置單片機(jī)的配置及工作方式。下面結(jié)合最常用的PIC12、PIC16等單片機(jī)介紹低功耗系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。

1.1 基本設(shè)計(jì)方法

有許多技術(shù)可以降低系統(tǒng)的功耗，最常用的是Sleep模式。程序執(zhí)行一條SLEEP指令，便進(jìn)入了休眠(Sleep)模式。要Sleep模式下，晶振停止振蕩，而此時(shí)單片機(jī)在3V電源條件下，只有1μA的電流。系統(tǒng)工作時(shí)，單片機(jī)可以采用看門狗或外部事件周期性地喚醒單片機(jī)，利用電子開關(guān)為系統(tǒng)提供電源，以減少系統(tǒng)待機(jī)功耗，延長電池使用時(shí)間。

單片機(jī)的工作頻率和功耗的關(guān)系也很大，頻率越高，功耗越大。在采用32kHz晶振、3V工作電壓時(shí)，PIC12、PIC16等系列單片機(jī)的典型工作電流只有15μA;而采用4MHz晶振、5V工作電壓時(shí)，單片機(jī)的典型工作電流達(dá)到幾mA。在許多低功耗的場合，采用低速晶振實(shí)現(xiàn)低功耗非常有效。如果單片機(jī)采用RC振蕩，還可以通過I/O口的操作改變振蕩電阻，從而改變單片機(jī)工作頻率，達(dá)到節(jié)能的目的。如圖1所示，1個(gè)I/O引腳可以在等待狀態(tài)下將并聯(lián)電阻R1去掉，降低單片機(jī)工作頻率。當(dāng)單片機(jī)需要工作時(shí)，可將I/O引腳設(shè)置為輸出并輸出高電平，從而提高振蕩頻率。

1.2 振蕩電路設(shè)計(jì)

在單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，振蕩電路的設(shè)計(jì)是十分重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。PIC系列單片機(jī)的典型振蕩電路如圖2所示。

一般情況下，設(shè)計(jì)人員按照廠家給出的參數(shù)表進(jìn)行選擇。如果系統(tǒng)能夠正常工作，也就不再進(jìn)行改進(jìn)了。其實(shí)，這是不合適的。因?yàn)镸icrochip的單片機(jī)根據(jù)型號(hào)和版本的不同，工作電壓在直流2.5～5.5V的范圍內(nèi)，汽車級(jí)溫度可以在-40～-125℃范圍內(nèi)，而參數(shù)表中只給出了有限的幾種情況，實(shí)際環(huán)境參數(shù)會(huì)對(duì)振蕩電路的性能產(chǎn)生很大的影響。如高溫、低電壓可減小振蕩環(huán)路增益，而從降低振蕩頻率或者難以啟動(dòng);低溫、高電壓可以使環(huán)路增益變大，從而使晶振過驅(qū)動(dòng)，產(chǎn)生損壞的潛在危險(xiǎn)或者振蕩電路工作的高次諧波頻率上升，加大系統(tǒng)功耗。因此，如何正確設(shè)計(jì)系統(tǒng)的振蕩電路十分必要。對(duì)于PIC系列單片機(jī)，一般的設(shè)計(jì)步驟如下：

①選擇晶振。根據(jù)系統(tǒng)需要的振蕩頻率進(jìn)行晶振的選擇。此外，晶振的工作溫度和頻率穩(wěn)定度也是十分重要的指標(biāo)。

②選擇振蕩器類型。PIC系列單片機(jī)有RC、LP、XT、HS等振蕩模式。除RC模式外，振蕩模式的選擇實(shí)際上就是環(huán)路增益的選擇。低增益對(duì)應(yīng)低振蕩頻率，高增益對(duì)應(yīng)高振蕩頻率。一般根據(jù)實(shí)際需要的工作頻率可參考數(shù)據(jù)手冊(cè)來選擇。

③選擇C1、C2。理想的情況是，保證系統(tǒng)在高溫和最低工作電壓下能夠正常工作，使得電容在數(shù)據(jù)手冊(cè)推薦的范圍內(nèi)最小。同時(shí)選擇C2比C1大一些以加大相移，使其有利于振蕩電路的上電啟動(dòng)。

④選擇Rs。在以上參數(shù)都已經(jīng)選定后需要決定Rs的大小。簡單的辦法是讓系統(tǒng)工作在最低溫度和最大電壓情況下，此時(shí)得到的應(yīng)該是時(shí)鐘電路最大輸出幅度。用示波器觀察引腳OSC2的輸出波形(注意，示波器的探頭將給電路引入一個(gè)電容，一般為幾pF)，如果發(fā)現(xiàn)正弦波的峰(接收Vdd處)和谷(接收Vss處)被削平或壓扁，說明驅(qū)動(dòng)過載，需要在OSC2和C2間加入1個(gè)電阻Rs，一般1kΩ左右或小于1kΩ。Rs不宜過大，過大將使得輸入和輸出產(chǎn)生隔離，從而產(chǎn)生較大的噪聲。當(dāng)發(fā)現(xiàn)需要一個(gè)較大的Rs才能消除過驅(qū)動(dòng)時(shí)，可以增加負(fù)載電容C2來補(bǔ)償。C2一般選擇在15～33pF之間。

系統(tǒng)振蕩電路的設(shè)計(jì)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、功耗等影響很大。一般情況下，系統(tǒng)從Sleep狀態(tài)下喚醒時(shí)，振蕩電路最難啟動(dòng)(尤其系統(tǒng)工作在高溫、低壓、低頻的情況下)。此時(shí)，電阻Rs有利于振蕩電路的啟動(dòng)，因?yàn)榱畠r(jià)的碳膜電阻容易產(chǎn)生白噪聲，從而幫助電路起振。此外，選擇C2稍大于C1以增大相移，也有利于電路起振。

2 具體應(yīng)用例子

2.1 系統(tǒng)組成及框圖

系統(tǒng)主要由PIC單片機(jī)、雙音頻解碼拔號(hào)電路、語音集成電路、接口電路、Vcc電源控制電路、射頻發(fā)射電路和EEPROM組成，可完成對(duì)家用電器的控制和對(duì)報(bào)警求援語音信息的自動(dòng)傳送，如圖3所示。

2.2 控制器工作方式

*當(dāng)與控制器相串聞的電話機(jī)(以下稱為本地機(jī))處于摘機(jī)時(shí)，電話線輸入電壓發(fā)生變化，引起CD40106的2腳輸出電平變化，輸入到CPU的RB0端口產(chǎn)生中斷信號(hào)，喚醒CPU，控制器進(jìn)入工作狀態(tài)。通過本地機(jī)的拔號(hào)盤對(duì)控制器的各種功能進(jìn)行控制。如控制電視、音響、照明燈等電器電源的開關(guān)。

*當(dāng)控制器接收到振鈴信號(hào)時(shí)，CD40106的4腳輸出電平變化，輸入CPU的RB6端口產(chǎn)生中斷信號(hào)，喚醒CPU進(jìn)入工作狀態(tài)，并對(duì)振鈴信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù);達(dá)到設(shè)定鈴聲數(shù)后，使控制器進(jìn)入電話接收狀態(tài)，開始接收遠(yuǎn)程傳輸DTMF信號(hào)，經(jīng)MT8880解調(diào)得到的信號(hào)通過IRQ向單片機(jī)發(fā)出中斷信號(hào)，將數(shù)據(jù)存入寄存器，經(jīng)CPU運(yùn)行，對(duì)控制器的各種功能進(jìn)行控制。

*當(dāng)控制器作為報(bào)警器，并處于警備狀態(tài)時(shí)，報(bào)警探頭時(shí)刻檢測防范區(qū)域的情況;當(dāng)探頭向控制器發(fā)出警情信息，輸入CPU的RB5中斷產(chǎn)生信號(hào)，控制器進(jìn)入工作狀態(tài)，從EEPROM芯片讀出預(yù)先設(shè)置的報(bào)警電話號(hào)碼，經(jīng)MT8880轉(zhuǎn)換為DTMF信號(hào)，自動(dòng)撥號(hào)，以語音形式將信息傳送給用戶或直接報(bào)警。

2.3 應(yīng)用電路

(1)電話接口電路

電話機(jī)與控制器采用控制器在前，電話機(jī)在后的串聯(lián)方式，可實(shí)現(xiàn)電話機(jī)對(duì)控制器各種功能的控制。接口電路由過壓保護(hù)電路、極性轉(zhuǎn)換電路和中斷請(qǐng)求電路組成，如圖4所示。

①過壓保護(hù)電路。在電話線回路上加入了一個(gè)壓敏電阻R，它的作用是當(dāng)它兩端的電壓大于其工作電壓時(shí)呈短路狀態(tài)，從而保護(hù)后級(jí)電路免受高壓危害。當(dāng)加到它的兩端的電壓小于其工作電壓，壓敏電阻呈開路狀態(tài)，對(duì)后級(jí)電路的工作沒有任何影響。在本設(shè)計(jì)中，壓敏電阻的工作電壓為220V。

②極性轉(zhuǎn)換電路。由于在電話線上傳輸?shù)氖墙涣餍盘?hào)，為了使信號(hào)的極性固定，在電路中加入電橋，進(jìn)行全波整流。

③中斷請(qǐng)求電路。為延長電池工作時(shí)間，CPU在待機(jī)時(shí)處于休眠的省電狀態(tài)，在實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程電話機(jī)和本地機(jī)對(duì)控制器功能控制時(shí)，由中斷請(qǐng)求電路將CPU喚醒。