用于便攜式設(shè)備的低功耗MCU系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法及應(yīng)用

　　1、便攜式設(shè)備對處理器提出的挑戰(zhàn)
　　
　　隨著電子便攜式設(shè)備在全球的風(fēng)行，人們對電子便攜式設(shè)備的要求也越來越高，希望產(chǎn)品有更多的功能，如手機(jī)攝像機(jī)自動對焦與手機(jī)閃信與計(jì)步器；希望產(chǎn)品功耗更低，如無線設(shè)備、手持POS機(jī)和家庭醫(yī)療產(chǎn)品；希望產(chǎn)品體積更小，如運(yùn)動手表；希望產(chǎn)品的保密性好；處理能力強(qiáng)，如便攜式儀器和高精度運(yùn)動控制；希望價(jià)格更低和開發(fā)周期短。
　　
　　然而困惑的是，很多的便攜式設(shè)備往往會同時(shí)要有上面的多個要求，然而現(xiàn)實(shí)中很難做到：同時(shí)滿足高速處理、低功耗和價(jià)格？ARM高速，但是功耗而價(jià)格高；同時(shí)滿足高速處理和小封裝？希望封裝面積小到3×3mm，又要不犧牲速度；同時(shí)滿足小封裝和SOC？需要ADC、SPI和12個I/O，而尺寸，最好小于5×5mm；開發(fā)周期，ARM性能完全合適，但ARM往往需要操作系統(tǒng)支持，開發(fā)周期長，而市場機(jī)遇稍縱即逝。
　　
　　為此，本文將從為電子便攜式設(shè)備開發(fā)解決上述這些難題出發(fā)，對如何設(shè)計(jì)一個低功耗的單片機(jī)系統(tǒng)與方法和MCU在低功耗方面的優(yōu)勢進(jìn)行分析，并小尺寸系列單片機(jī)的應(yīng)用為例作出介紹。

　　2、如何設(shè)計(jì)一個低功耗的單片機(jī)系統(tǒng)
　　
　　問題提出：單片機(jī)系統(tǒng)的功耗是否只是由單片機(jī)的功耗決定？回答是，以單片機(jī)為核心構(gòu)成的系統(tǒng)，其系統(tǒng)的總能耗是由單片機(jī)能耗及其外圍電路能耗共同構(gòu)成。為了降低整個系統(tǒng)的功耗，除了要降低單片機(jī)自身的運(yùn)行功耗外，還要降低外圍電路的功耗。

　　2.1如何設(shè)計(jì)低功耗單片機(jī)系統(tǒng)？
　　
　　要設(shè)計(jì)一個低功耗的單片機(jī)系統(tǒng)，需要從硬件和軟件兩方面入手。

　　2.11硬件設(shè)計(jì)
　　
　　*選用盡量簡單的CPU內(nèi)核。在選擇CPU內(nèi)核時(shí)切忌一味追求性能。選擇的原則應(yīng) 該是“夠用就好”。8位機(jī)夠用，就沒有必要選用16位機(jī)。一般來說，單片機(jī)的運(yùn)行速度越快，功耗也越大。一個復(fù)雜的CPU集成度高、功能強(qiáng)，但片內(nèi)晶體管多，總漏電流大，即使進(jìn)入STOP狀態(tài)，漏電流也變得不可忽視；而簡單的CPU內(nèi)核不僅功耗低，成本也低。
　　
　　*選用低電壓供電的系統(tǒng)。低電壓供電可以大大降低系統(tǒng)的工作電流。目前單片機(jī)從與TTL兼容的5V供電降低到3.3V、3V、2V乃至1.8V供電，降低單片機(jī)的供電電壓可以有效降低其功耗。供電電壓降低也是未來單片機(jī)發(fā)展的一個重要趨勢。
　　
　　*選擇帶有低功耗模式的系統(tǒng)。低功耗模式指的是系統(tǒng)的Idel(閑置)、Stop(停止)和Suspen(暫停)模式。處于這類模式下的單片機(jī)功耗將大大小于運(yùn)行模式下的功耗。
　　
　　*選擇合適的時(shí)鐘方案。時(shí)鐘的選擇對于系統(tǒng)功耗相當(dāng)敏感，有兩方面的問題要
注意：
　　
　　其一、系統(tǒng)總線頻率應(yīng)當(dāng)盡量低。單片機(jī)內(nèi)部的總電流消耗分為：運(yùn)行電流和漏電流。單片機(jī)集成度越高，環(huán)境溫度越高，漏電流也越大。單片機(jī)的運(yùn)行電流幾乎和其時(shí)鐘頻率成正比。降低時(shí)鐘頻率，就可以有效降低單片機(jī)的功耗。
　　其二、關(guān)于時(shí)鐘方案。是否使用鎖相環(huán)，使用內(nèi)部振蕩器還是外部振蕩器。現(xiàn)代單片機(jī)普遍使用鎖相環(huán)技術(shù)，使單片機(jī)的時(shí)鐘頻率可以由程序控制。單片機(jī)使用外部較低的振蕩器，通過軟件控制，系統(tǒng)時(shí)鐘可以在一個很寬的范圍內(nèi)調(diào)整，得到比較高的總線時(shí)鐘。使用鎖相環(huán)會帶來額外的功耗。單就時(shí)鐘方案來講，使用外部晶振且不使用鎖相環(huán)是功率消耗最小的一種。有的單片機(jī)帶有內(nèi)部時(shí)鐘，也可使用外部時(shí)鐘。這可以根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的需要使用雙時(shí)鐘：一個高速時(shí)鐘和一個低速時(shí)鐘。處理事件時(shí)使用高速時(shí)鐘，空閑時(shí)使用低速時(shí)鐘。這鐘雙時(shí)鐘系統(tǒng)可以有效地降低功耗。

　　2.12應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)
　　　
　　應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)對于一個低功耗系統(tǒng)的重要性常常被人們忽略。一個重要的原因是，軟件上的缺陷并不像硬件那樣容易發(fā)現(xiàn)，同時(shí)也沒有一個嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)來判斷一個軟件的低功耗特性。盡管如此，設(shè)計(jì)者如果能盡量將應(yīng)用的低功耗特性反映在軟件中，就可以避免那些“看不見”的功耗損失。
　　
　　*用“中斷”代替“查詢”。在沒有要求低功耗的場合，程序使用中斷方式還是查詢方式并不重要。但在要求低功耗場合，這兩種方式相差甚遠(yuǎn)。使用中斷方式，CPU可以什么都不做，甚至可以進(jìn)入等待模式或停止模式；而查詢方式下，CPU必須不停地訪問I／0寄存器，這會帶來很多額外的功耗。

　　*用“宏”代替“子程序”。子程序調(diào)用的入棧出棧操作，要對RAM進(jìn)行兩次操作，會帶來更大的功耗。宏在編譯時(shí)展開，CPU按順序執(zhí)行指令。使用宏，會增加程序的代碼量，但對不在乎程序代碼量大的應(yīng)用，使用宏無疑會降低系統(tǒng)的功耗。

　　*盡量減少CPU的運(yùn)算量。減少CPU的運(yùn)算工作量，可以有效地降低CPU的功耗。減少CPU運(yùn)算的工作可以從很多方面入手：其一，用查表的方法替代實(shí)時(shí)的計(jì)算。其二，不可避免的實(shí)時(shí)計(jì)算，算到精度夠了就結(jié)束，避免“過度”的計(jì)算。其三，盡量使用短的數(shù)據(jù)類型，例如，盡量使用字符型的8位數(shù)據(jù)替代16位的整型數(shù)據(jù)，盡量使用分?jǐn)?shù)運(yùn)算而避免浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算等。其四，讓I／O模塊間歇運(yùn)行，即不用的I／O模塊或間歇使用的UO模塊要及時(shí)關(guān)掉，以節(jié)省電能；不用的I/O引腳要設(shè)置成輸出或設(shè)置成輸入，用上拉電阻拉高。

　　3、單片機(jī)(MCU)在低功耗方面的優(yōu)勢。
　　
　　當(dāng)今面臨的問題是，使用者或市場均對單片機(jī)(MCU)低功耗有嚴(yán)酷的要求，那么將如何來設(shè)計(jì)MCU來滿足市場？應(yīng)該說，當(dāng)今眾多廠商的MCU均有在低功耗面的優(yōu)勢，值此僅以Silabs MCU為例作分析說明MCU在低功耗方面的優(yōu)勢。

　　*供電電壓低。MCU供電電壓為2.0～5.25V。供電電壓低可以有效降低整個單片機(jī)系統(tǒng)的功耗。

　　*有多種低功耗模式。MCU的低功耗模式有Idle模式和Stop模式。為了更進(jìn)一步地降低MCU的功耗，提高市場競爭力，從2006年下半年己推出的MCU都將帶有Suspend模式。這種模式下的功耗為納安級。

　　*有多種時(shí)鐘方案供選擇。MCU內(nèi)置振蕩器有高速震蕩模式和低速震蕩模式可供選擇。每種模式下的頻率又有多種選擇。而且還可以外接振蕩器。更重要的是，在MCU運(yùn)行中，這些時(shí)鐘模式可以實(shí)時(shí)切換。這很方便客戶進(jìn)行低功耗控制。例如：在處理數(shù)據(jù)時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行在高速狀態(tài)；空閑時(shí)運(yùn)行在低速狀態(tài)。

　　*高速實(shí)時(shí)的中斷響應(yīng)。MCU響應(yīng)中斷的時(shí)間非?？?，一般只需要5個系統(tǒng)時(shí)鐘周期。中斷響應(yīng)速度快，CPU花費(fèi)在等待方面的時(shí)間少，這可以節(jié)省不少的等待功耗。

　　*靈活的I/O設(shè)置。MCU的I／0口資源豐富，配置靈活。有三種配置方式：漏極開路、推拉輸出和弱上拉方式。用戶可以根據(jù)實(shí)際需要通過相關(guān)寄存器的設(shè)置來禁止或使能這些方式。其中將端口配置成漏極開路方式是最省電的方式。另外，MCU片上沒有用到的其他外設(shè)可以通過軟件來關(guān)閉。總之，根據(jù)項(xiàng)目的要求，靈活運(yùn)用MCU的各種低功耗特性，通過軟件的控制，就可以很好地實(shí)現(xiàn)低功耗的要求。
　　
　　使用每MIPS功耗來衡量MCU的低功耗性能是相對比較準(zhǔn)確。比如執(zhí)行一個需要10K條指令的任務(wù)，甲MCU的工作電流為3mA，速度為10MIPS，則甲MCU需要工作lmS完成該任務(wù)，消耗3mA*1ms*Vcc，然后甲MCU就可以進(jìn)入低功耗模式了。而乙MCU的工作電流為1mA，速度為2MIPS，則乙MCU需要工作5mS完成，這樣乙MCU完成該任務(wù)的消耗為1mA*5mS*Vcc。電流大但是速度快的MCU可能更省電！4、MCU在低功耗方面的設(shè)計(jì)方法怎樣？
　　
　　一般來說，MCU的運(yùn)行的速度越高，供電電壓越高，功耗也就越高。要降低單片機(jī)系統(tǒng)的功耗，就要降低單片機(jī)系統(tǒng)的供電電壓，降低MCU運(yùn)行的頻率。
　　
　　舉例分析說明：客戶要做一個無線計(jì)時(shí)類產(chǎn)品，使用電池做供電電源，要求平均功耗不超過200uA。該產(chǎn)品是間歇工作的：當(dāng)收到數(shù)據(jù)時(shí)激活，快速處理數(shù)據(jù)；當(dāng)空閑時(shí)進(jìn)入休眠狀態(tài)，來降低功耗，己有不少制造商可達(dá)150μA以滿蘭客戶要求。例如，C8051F333型MCU。

　　4.1看一下C8051F333的電氣參數(shù)就知道了
　　
　　*正常模式，CPU從Flash取指令。
　　
　　IDD(當(dāng)Vdd=3.6v F=25MHz時(shí))為10.7mA-11.7mA；IDD (當(dāng)Vdd=3.0v F=25MHz時(shí))為7.mA-8.3mA；IDD (當(dāng)Vdd=3.6v F=1MHz時(shí))為0.38mA；IDD (當(dāng)Vdd=3.0v F=80Hz時(shí))為31μA。
　　
　　*Idel模式，CPU停止工作。
　　
I　　DD(當(dāng)Vdd=3.6v F=25MHz時(shí))為4.mA-5.2mA；IDD (當(dāng)Vdd=3.0v F=25MHz時(shí))為3.8mA-4.1mA；IDD (當(dāng)Vdd=3.6v F=1MHz時(shí))為0.2mA；IDD (當(dāng)Vdd=3.0v F=80Hz時(shí))為16μA。
　　
　　光看上面兩個模式的數(shù)據(jù)，肯定不行。因?yàn)橐獫M足系統(tǒng)的運(yùn)行速度，又要滿足低功耗≥1MHZ的頻率，則功耗都要超過客戶的要求。而正確答案是：在不降低MCU運(yùn)行速度(MCU處理數(shù)據(jù)時(shí)的運(yùn)行頻率是24.5MHZ)的情況下，客戶使用C8051F333成功實(shí)現(xiàn)了低功耗的要求：比150μA還低， 真可謂魚和熊掌兼得。

　　4.2它是怎樣實(shí)現(xiàn)的？
　　
　　見圖1所示。使用了內(nèi)外兩種晶振。工作時(shí)使用內(nèi)部高速晶振24.5MH2，空閑時(shí)切換到外部低速晶振32.768KH2，并且進(jìn)入Idle模式。并且把沒有用到的外設(shè)全部關(guān)閉，就這么簡單。由此看出，功耗是一個系統(tǒng)的問題，單片機(jī)系統(tǒng)的功耗是由MCU和其外圍電路的功耗共同決定的，低功耗是無數(shù)個細(xì)節(jié)省出來的。

　　5、小尺寸單片機(jī)在便攜式設(shè)備中的應(yīng)用
　　
　　面對如今便攜式設(shè)備提出的挑戰(zhàn)單片機(jī)，如何應(yīng)對挑戰(zhàn)？而用小尺寸單片機(jī)是在一種理想的舉措應(yīng)對，值此以C8051F小尺寸單片機(jī)為例，分析其在便攜式設(shè)備中的應(yīng)用。為此先介紹C8151F小尺寸單片機(jī)應(yīng)用特征。

　　5.1C8051F小尺寸單片機(jī)應(yīng)用特征
　　
　　概括為：小封裝，低功耗， 寬電壓工作范圍(2.7V-3.6V)， 高速、高集成度與高保密性。

　　5.2應(yīng)用
　　
　　以TFT屏背光管理、閃信應(yīng)用為例說明。

　　5.21C8051F30X在彩色TFT屏背光中的應(yīng)用
　　
　　隨著便攜式電子設(shè)備的普及，人們對其彩色顯示屏的要求也越來越高，LED正在被逐步應(yīng)用于LCD的背光。傳統(tǒng)的LED背光是采用白色LED作為背光源，有以下的缺點(diǎn)：一般背光需要多個白色LED，但白色LED有個體差異，一致性不好，容易導(dǎo)致彩色顯示屏色彩不均勻，失真等現(xiàn)象；白色LED容易老化，使彩色顯示屏的亮度降低。產(chǎn)品如果有這些問題，容易給消費(fèi)者留下不好的印象，消弱產(chǎn)品的競爭力。
　　
　　那應(yīng)該如何去解決這些問題？而采用C8051F30x的彩色TFT屏背光方案就很好地解決了這些問題，其功能框圖(見圖2所示)如下：

　　*技術(shù)特征
　　
　　背光采用紅、綠、藍(lán)三色LED，發(fā)出的光組成白光。因?yàn)槊糠N顏色的LED采用串聯(lián)連接方式，所以使用了AMS高性能的LED Driver AS3691；通過Avago的CoIor Sensor芯片HDJD-S722-QR999，檢測R、G和B三色的亮度；C8051F30x根據(jù)HOJD-S722-QR999送過來的信號，產(chǎn)生相應(yīng)的PWM來控制R、G和B三色的亮度，使白光的效果始終在最佳狀；同時(shí)C8051F30x通過一個 接口與主CPU通訊，接收主CPU對亮度調(diào)整的控制命令。

　　*對MCU的要求
　　
　　屏的尺寸現(xiàn)在都很緊湊，同時(shí)厚度很薄，對MCU的尺寸要求很高，C8051F30x尺寸只有3×3mm，厚度只有0.9mm；要求具備PWM輸出，多路輸入的ADC和通訊接口；C8051F30x支持3個PWM輸出，多路復(fù)用的AD輸入，支持UART和 通訊接口，3×3mm的封裝上可以提供8個用戶I/O口。

　　*方案特點(diǎn)
　　
　　很好地解決了傳統(tǒng)的白光LED個體差異問題，使彩色顯示屏的色彩始終處在均勻狀態(tài)；很好地解決了白光LED老化帶來的亮度降低問題；C8051F30X、AS3691和HDJD-S722-QR999封裝小，容易和TFT顯示屏做成一個模塊；C8051F30X有Idee和Stop兩種低功耗模式，特別是Stop模式，其功耗小于0.1uA。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入Stop模式時(shí)，可以使外圍電路關(guān)閉，進(jìn)入省電狀態(tài)，當(dāng)需要顯示時(shí)，由主控制器喚醒。

　　5.22 C8051F313在手機(jī)閃信和計(jì)步器中的應(yīng)用
　　
　　隨著手機(jī)的普及，人們對手機(jī)的功能要求也越來越高。那些具有彰顯個性的手機(jī)越來越深受人們的喜愛，特別是年輕一族的喜愛;手機(jī)功能的增多，意味著手機(jī)體積的增大和功耗的增加，這與人們對手機(jī)小巧和待機(jī)時(shí)間長的要求又成了矛盾；要解決這些矛盾，手機(jī)設(shè)計(jì)者不得不追求元器件的小型化、低功耗和高性能；MCUC8051F313在手機(jī)閃信和計(jì)步器中的應(yīng)用就是一個典型例子。圖3為C8051F313在手機(jī)閃信和計(jì)步器功能應(yīng)用示意框圖。

　　*關(guān)于計(jì)步器
　　
　　計(jì)步器原理：人在行走或者跑步的加速度與時(shí)間軸大致成為一個正弦波；利用加速度，可以計(jì)算走了多少步，還可根據(jù)步幅進(jìn)而估算所走的距離。
　　
　　計(jì)步器功能的實(shí)現(xiàn)：采用MCUC8051F313和MEMS IC加速度傳感器MAX6500；C8051F313采樣MAX6500兩路加速度傳感器的輸入，分析加速度，計(jì)算出走了多少步；根據(jù)步行者的步幅，還可以估算出所走的距離。

　　*關(guān)于手機(jī)閃信
　　
　　手機(jī)閃信原理：利用手機(jī)上的閃燈，在光線較暗的環(huán)境下，通過快速左右搖動手機(jī)，利用人類視網(wǎng)膜延時(shí)現(xiàn)象，造成視覺殘像，從而形成連續(xù)的光影信號，令受信者視覺產(chǎn)生連續(xù)信息。
　　
　　手機(jī)閃信功能的實(shí)現(xiàn)：采用MCUC8051F313和MEMSIC加速度傳感器MAX6500；C8051F313接收要顯示的信息，并驅(qū)動相應(yīng)的LED；MAX6500檢測加速度在X軸和Y軸的分量變化(力的大小和方向)，并送給C8051F313；C8051F313分析MAX6500檢測到的加速度信號，對要顯示的字符方向?qū)崿F(xiàn)自動翻轉(zhuǎn)。

　　*手機(jī)閃信和計(jì)步器對MCU的要求
　　
　　體積要求苛刻：手機(jī)對MCU提出的要求極其苛刻，要在盡可能小的尺寸上提供最多的1/0口；C8051F313在5×5mm的封裝上提供了25個I/O和模擬輸入16個I/O口用來驅(qū)動16個LED；2個模擬輸入用來采樣加速度傳感器輸出；1個標(biāo)準(zhǔn)2線的控制器用來與Baseband CPU進(jìn)行通訊。

　　嚴(yán)格的低功耗設(shè)計(jì)：在STOP模式下功耗小于1μA；良好的I/O口設(shè)計(jì)確保待機(jī)時(shí)I/O對外阻抗很高，在兆歐級以上，有效切斷I/O口待機(jī)功耗。
　　
　　完善的大批量生產(chǎn)要求：一旦生產(chǎn)，編程數(shù)量將非常巨大，具有完善的量產(chǎn)編程方案，快速的手持編程器，無需PC參與，無需操作員熟悉編程方法，具有boot程序，在手機(jī)開機(jī)時(shí)自動加載應(yīng)用程序，通過C2編程接口進(jìn)行編程。又具有良好的保密功能。