基于51系列單片機的低功耗設(shè)計

引 言
在控制終端系統(tǒng)設(shè)計中，當(dāng)系統(tǒng)要求整體功耗偏低時，C8051F系列單片機是一個最佳的選擇。它們擁有靈活的時鐘硬件，使系統(tǒng)能夠方便地在高效運作模式與低功耗模式問進行轉(zhuǎn)換，智能的電源管理模式能夠在正常工作及待機狀態(tài)自由切換，從而降低整個系統(tǒng)的能量損耗；當(dāng)工作頻率低于10kHz時，時鐘丟失檢測器 (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)一個系統(tǒng)對功耗要求嚴格時，可以在硬件電路建立前首先粗略計算一下整個系統(tǒng)所需的功耗。由于C8051F系列單片機為數(shù)?；旌蟂OC系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)整個設(shè)計的大部分功能，因此整個設(shè)計系統(tǒng)的功耗將主要集中在C805IF系列單片機的能量消耗上。

整個單片機系統(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)計者提供了多種選擇。時基信號可以從外部CMOS電平時鐘源、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時鐘
當(dāng)工作于外部振蕩器CMOS時鐘模式時，外部振蕩器驅(qū)動被關(guān)閉．電路功耗電流微小可以近似忽略。XTAL2輸出的時基信號可以用作CPU、計時器、PCA或其他外圍設(shè)備的時鐘源。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間基準，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)動電路(XFCN)。

(3)外部電容C模式
外部電容模式通過將一個電容連接到XTAL2為系統(tǒng)提供低功耗時鐘。這是精度最差的一種時基方式，但同時也是最靈活的一種方式。只用1個電容元件就可以提供8種不同的工作頻率．最高頻率幾乎可達最低頻率的3000倍?？梢酝ㄟ^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平均值。

通常，設(shè)計者可以通過合理地選擇時鐘源達到降低功耗的目的。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)動外部振蕩器的電流是變化的。對于一個外部振蕩源(如晶振)，驅(qū)動電流(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)動電流較大時用戶町以使用內(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)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)與停止狀態(tài)。通常，空閑狀態(tài)的平均電流值受控于內(nèi)部振蕩器。正常模式時的電流值減去空閑模式時的電流值即為 CPU正常運行的工作電流值。當(dāng)寫l到IDLE位時，CPU結(jié)束指令周期進入低功耗模式，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，CPU進入停機模式。設(shè)置停機模式后，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)。在停止狀態(tài)，MCU消耗最少的電流。

(2)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，尤其在高頻運行時表現(xiàn)得更為明顯。理論上供電電壓最小可達到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)時鐘SYSCLK頻率成正比：
功耗=CV2f
式中：C是CMOS的負載電容；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)計口可能需要其系統(tǒng)時鐘頻率在全部工作時間內(nèi)保持不變。在這種情況下，設(shè)計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(計數(shù)器、UART、PCA、SPl)的損耗占系統(tǒng)總功耗的比例很小。舉個例子，當(dāng)C8051F單片機工作在3．06MHz(內(nèi)部振蕩器8分頻)，3 V電壓時，沒有一個數(shù)字外圍設(shè)備端口的工作電流超過700μA；而在啟動計數(shù)器作為UARTO數(shù)據(jù)傳輸時鐘后，系統(tǒng)的工作電流會增加18μA。這里，計數(shù)器與UART的功率損耗主要由其時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)生器就會自動被使能，ADC在轉(zhuǎn)換期間的工作電流比ADC沒有轉(zhuǎn)換時的工作電流大30％～50％。SAR轉(zhuǎn)換時鐘頻率與采樣頻率也影響了功耗的大小。由于增加 SAR轉(zhuǎn)換時鐘頻率或降低采樣率會縮短每次A／D轉(zhuǎn)換的時間，使系統(tǒng)在轉(zhuǎn)換間隙有更多的時間處于空閑狀態(tài)，因此會大大降低系統(tǒng)功耗。

2 降低功耗的幾點考慮
要降低系統(tǒng)的平均功耗，需要從兩個方面考慮：首先是適當(dāng)調(diào)整在所有時間一直影響系統(tǒng)工作的參數(shù)。通常工作電壓是重點考慮的參數(shù)。工作電壓決定了系統(tǒng)是否能夠處于正常運作狀態(tài)，它可以由電壓調(diào)整器或一個電池來提供。對于一個節(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)計兩個工作模式：一個為高效的運作模式；另一個則是以降低功耗為日地的睡眠模式。兩個模式的設(shè)計標準不同，但應(yīng)盡量讓系統(tǒng)在大部分時間內(nèi)處于睡眠模式，以降低系統(tǒng)的總功耗。下面詳細討論這兩個方面的設(shè)計。

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)整器會有土10％的誤差率，因此在設(shè)計工作電壓時，最低的工作電壓應(yīng)該為3V，此時電壓調(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)心電池耗盡時會對系統(tǒng)工作有不良的影響，因為在C8051F系列單片機中，片上電源監(jiān)控器能夠確保在電池耗盡后系統(tǒng)自動復(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)在單位時間內(nèi)消耗的電荷量。對一個系統(tǒng)來說，其總的運行時間應(yīng)該被分為兩個部分——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)在這兩部分時問的總電荷量與時問相除所得的平均值。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間或減小高效工作期的峰值電流。設(shè)計者應(yīng)該盡量從這兩方面著手設(shè)計系統(tǒng)，以達到降低總功耗的目的。

2．2 設(shè)計一個低功耗的休眠模式
可以通過設(shè)計低功耗休眠模式，令系統(tǒng)在非工作期一直處于低消耗狀態(tài)，從而達到減小整個系統(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)定為空閑或停機狀態(tài)來實現(xiàn)。通常會設(shè)定空閑模式，因為該模式更容易被恢復(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鐘為外部振蕩器。因為外部振蕩器能夠禁止內(nèi)部振蕩器的振蕩，并能以非常低的時鐘基準進行振蕩。這里有兩個可選的振蕩器：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(如定時器)的頻率低度低于10kHz。同時由于其組成只包含1個電容，相比于晶振的2個裝載電容及1個電阻器結(jié)構(gòu)，能夠節(jié)省PCB板的空間。若在沒計中使用了高頻晶振，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較低頻率的時鐘。

2．3 設(shè)計一個高效運作模式
高效運作模式的設(shè)計應(yīng)該以盡可能縮短完成作業(yè)所需時間為標準，使得系統(tǒng)能夠盡快地恢復(fù)到休眠模式。模式的設(shè)計包括調(diào)整工作電流的峰值以及時鐘頻率，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。定時器2每100ms溢出產(chǎn)生一個中斷，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間內(nèi)電流的總量，因此可以通過縮短采樣時間或減小采樣時的峰值電流來節(jié)約能量。也就是說，在捕捉ADC采樣數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)可以選擇轉(zhuǎn)換到3MHz的內(nèi)部振蕩器，在短時間內(nèi)使用大的電流；或是用外部32kHz晶振作為系統(tǒng)振蕩器，使單片機在長時間內(nèi)使用較小的電流值。

根據(jù)以上分析，進行了兩種設(shè)計。一種設(shè)計是在采樣時一直采用外部32．768kHz晶振作為系統(tǒng)時鐘基準；另一種設(shè)計是在采樣時將振蕩器轉(zhuǎn)換到內(nèi)部振蕩器，以縮短A／D轉(zhuǎn)換的時間。兩個系統(tǒng)在不采樣時都處于同樣的空閑模式。

第1個系統(tǒng)從空閉模式被喚醒后，系統(tǒng)直接啟動了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)的時鐘基準。 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個系統(tǒng)從空閑模式被喚醒時，系統(tǒng)啟動內(nèi)部振蕩器與ADC，轉(zhuǎn)換系統(tǒng)時鐘基準為內(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2．2 mA上持續(xù)了400μs。利用公式：

計算可得，第1種設(shè)計系統(tǒng)的平均電流為15μA；而第2種設(shè)計系統(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)計電池的壽命為4000h；而第2種設(shè)計電池的壽命為42000h。

從這個例子可以看出，在系統(tǒng)高效工作時提高系統(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。