基于C8051F系列單片機(jī)的低功耗技術(shù)分析與設(shè)計(jì)

　　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。

　?。?）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。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。

　?。?）OPU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)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決定。利用交叉開關(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)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)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。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?yàn)樵?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/C8051F系列">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體眠期，如圖l所示。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)定為空閑或停機(jī)狀態(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。

　　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。

　　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O.65mA上持續(xù)了1.5ms。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：

　　為確保系統(tǒng)處理結(jié)果的精確度，A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器必須具有足夠的轉(zhuǎn)換精度；如果要實(shí)現(xiàn)快速變化信號的實(shí)時(shí)控制與檢測，A/D與D/A轉(zhuǎn)換器還要求具有較高的轉(zhuǎn)換速度。轉(zhuǎn)換精度與轉(zhuǎn)換速度是衡量A/D與D/A轉(zhuǎn)換器的重要技術(shù)指標(biāo)。隨著集成技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)已研制和生產(chǎn)出許多單片的和混合集成型的A/D和D/A轉(zhuǎn)換器，它們具有愈來愈先進(jìn)的技術(shù)指標(biāo)。

　　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。