基于51系列單片機(jī)的低功耗設(shè)計(jì)

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)，C8051F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問(wèn)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(cè)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(duì)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)?；旌蟂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C805IF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(duì)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損耗。

1.1 振蕩器功耗分析
外部振蕩器具有很高的可配置性，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)者提供了多種選擇。時(shí)基信號(hào)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(shì)。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(guò)改變振蕩器來(lái)降低功耗。對(duì)外部振蕩器來(lái)說(shuō)，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(hào)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(hào)，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(lái)的功耗在同一頻率下也更高。外部晶振依賴(lài)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(guò)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1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?？梢酝ㄟ^(guò)改變?cè)贠SCXCN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(guò)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(guò)一個(gè)外部電阻器。RC模式振蕩電路的平均功耗由通過(guò)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(jiǎn)化為三角波來(lái)估計(jì)平均值。

通常，設(shè)計(jì)者可以通過(guò)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(duì)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(guò)配置外部振蕩器控制寄存器OSCXCN的XFCN位來(lái)設(shè)置。在驅(qū)動(dòng)電流較大時(shí)用戶(hù)町以使用內(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)備的能量淌耗主要是由CPU電流的大小來(lái)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(duì)數(shù)字設(shè)備的功耗只有很小的影響。

(1)OPU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(xiě)l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(lái)的值不變。被喚醒后，CPU開(kāi)始從設(shè)置空閑方式選擇位指令的下一條指令開(kāi)始執(zhí)行。當(dāng)寫(xiě)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)OPU工作電壓、頻率及溫度對(duì)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大。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。理論上供電電壓最小可達(dá)到2．7 V，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(duì)系統(tǒng)的功耗無(wú)影響。
工作頻率：CPU工作頻率對(duì)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)口可能需要其系統(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．并采用消耗最低功率的振蕩器配置。

l.3 數(shù)字外圍設(shè)備與I／0接口的功耗分析
數(shù)字外圍設(shè)備(計(jì)數(shù)器、UART、PCA、SPl)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)，3 V電壓時(shí)，沒(méi)有一個(gè)數(shù)字外圍設(shè)備端口的工作電流超過(guò)700μA；而在啟動(dòng)計(jì)數(shù)器作為UARTO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(lái)決定。利用交叉開(kāi)關(guān)配置通用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(kāi)關(guān)將UARTO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路頻率決定。

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(méi)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)。通常工作電壓是重點(diǎn)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(lái)提供。對(duì)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)降低以功耗。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)則是以降低功耗為日地的睡眠模式。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、減小工作電流
工作電壓對(duì)系統(tǒng)的總功耗起著舉足輕重的作用。對(duì)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)整器會(huì)有土10％的誤差率，因此在設(shè)計(jì)工作電壓時(shí)，最低的工作電壓應(yīng)該為3V，此時(shí)電壓調(diào)整器的輸出電壓在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(wú)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(wú)須擔(dān)心電池耗盡時(shí)會(huì)對(duì)系統(tǒng)工作有不良的影響，因?yàn)樵贑8051F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(guò)減小平均電流來(lái)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(duì)一個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，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體眠期，如圖l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)問(wèn)的總電荷量與時(shí)問(wèn)相除所得的平均值。因此，如果想減小平均電流值，唯有通過(guò)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。

2．2 設(shè)計(jì)一個(gè)低功耗的休眠模式
可以通過(guò)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(guò)將電源管理模式設(shè)定為空閑或停機(jī)狀態(tài)來(lái)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，并配置體眠模式的時(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(méi)有晶振精確。其優(yōu)勢(shì)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。若在沒(méi)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，以減小高效工作期問(wèn)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XTAL1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(guò)縮短采樣時(shí)間或減小采樣時(shí)的峰值電流來(lái)節(jié)約能量。也就是說(shuō)，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晶振作為系統(tǒng)振蕩器，使單片機(jī)在長(zhǎng)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)鐘基準(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)從空閉模式被喚醒后，系統(tǒng)直接啟動(dòng)了ADC設(shè)備開(kāi)始采樣。系統(tǒng)沒(méi)有轉(zhuǎn)換到內(nèi)部振蕩器，而是仍采用原來(lái)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O．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(kāi)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2．2 mA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4000h；而第2種設(shè)計(jì)電池的壽命為42000h。

從這個(gè)例子可以看出，在系統(tǒng)高效工作時(shí)提高系統(tǒng)的叫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。