【導(dǎo)讀】單片機(jī)設(shè)計(jì)中很多外圍硬件集成到CPU芯片中，但是卻無形中增大了硬件冗余，加大了功耗。本文主要針對單片機(jī)低功耗低電壓設(shè)計(jì)技術(shù)以及相應(yīng)的注意事項(xiàng)。
1 單片機(jī)的低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)
1.1 高集成度的完全單片化設(shè)計(jì)
將很多外圍硬件集成到了CPU芯片中，增大硬件冗余。內(nèi)部以低功耗、低電壓的原則設(shè)計(jì)，這給單片機(jī)的低功耗設(shè)計(jì)提供了很強(qiáng)的支持。
1.2 內(nèi)部電路可選擇性工作
通過特殊功能寄存器選擇使用不同的功能電路，即依靠軟件選擇其中不同的硬件;對于不使用的功能使其停止工作，以減少無效功耗。
1.3 寬電源電壓范圍
先進(jìn)的單片機(jī)芯片工藝特別決定了單片機(jī)在很寬的電源電壓范圍內(nèi)部能正常工作。例如，NEC公司的 78K0和78K0S系列的單片機(jī)，可以在 1.8V～5.5V電源電壓范圍內(nèi)正常工作。單片機(jī)供電電壓范圍的放寬，可以進(jìn)一步拓寬單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域，尤其是便攜式或掌上型儀器或裝置，可以放心地使用電池作為電源，而不必關(guān)心電過程電壓曲線是否平衡、是否會影響單片機(jī)正常工作，更不必因電池供電而專門增加穩(wěn)壓電路，從而可減少大約1/3的功率消耗。
1.4 具有高速和低速兩套時鐘
系統(tǒng)運(yùn)行頻率越高，電源功耗就會相應(yīng)增大。為更好地降低功耗，內(nèi)部集成了兩套獨(dú)立的時鐘系統(tǒng)，高速的主時鐘和32.768kHz的副時鐘。也可在滿足功能需要的情況下按一定比例降低CPU主時鐘頻率，以降低電源功耗。在不需要高速運(yùn)行的情況下，可選用副時鐘低速運(yùn)行，進(jìn)一步降低功耗。通過軟件對特殊功能寄存器賦值可改變CPU的時鐘頻率，或進(jìn)行主時鐘和副時鐘切換。
1.5 在線改變CPU的工作頻率
可根據(jù)CPU處理任務(wù)的不同，在外部振蕩器不變的情況下，通過程序改變處理器時鐘控制寄存器PCC的值，在線改變CPU的頻率。CPU在幾種不同頻率下工作的電源功耗比較如圖1所示。
1.6 后備功能
后備功能是為了進(jìn)一步降低系統(tǒng)功耗。CPU用主時鐘時有HALT(待機(jī))模式和STOP(休眠)模式，用副系統(tǒng)時鐘時有副時鐘運(yùn)行模式和HALT模式。如表1所示。
1.7 內(nèi)部鐘表定時器
NCE 單片機(jī)內(nèi)部提供了時鐘定時器，每隔0.5s產(chǎn)生一次中斷。在系統(tǒng)處于休眠狀態(tài)時，仍可定時被喚醒。對于單片機(jī)只須間歇工作、但又需要實(shí)時計(jì)時功能的應(yīng)用場合，提供了非常有效的節(jié)能方法。CPU在不工作時可進(jìn)入STOP模式或HALT模式，進(jìn)入低功耗的后備功能狀態(tài)。當(dāng)時鐘中斷到來時，CPU回到正常工作狀態(tài)，進(jìn)入時鐘中斷處理程序做時鐘更新處理，然后再進(jìn)入后備功能狀態(tài)。
2 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中的低功耗設(shè)計(jì)主要注意的問題
(1)系統(tǒng)中單片機(jī)以外的其它電路器件盡可能選用靜態(tài)功耗低的器件，如選用CMOS電路芯片。
(2)外部設(shè)備的選擇也要盡可能支持低功耗設(shè)計(jì)。
(3)設(shè)計(jì)外部中斷喚醒電路，使單片機(jī)在等待時可進(jìn)入休眠模式或待機(jī)模式，需要時由外部中斷信號喚醒。
(4)設(shè)計(jì)外部器件的電源控制電路，使外部器件或設(shè)備在不工作時關(guān)斷供電，減少無效功耗。
(5)設(shè)計(jì)充分利用系統(tǒng)低功耗特點(diǎn)的軟件。
3 在線改變CPU的時鐘頻率以降低功力量的C語言程序舉例
CPU在不需要高速運(yùn)行時，可設(shè)置在較低的時鐘頻率下工作，在運(yùn)行過程中可根據(jù)需要在線改變CPU的時鐘頻率。下面是一個通過按鍵產(chǎn)生外部中斷信號改變NCE單片機(jī)μPD780058的CPU時鐘頻率的程序，它使CPU在主、副時鐘切換運(yùn)行。通過I/O口P6的位0引腳連接1個LED小燈，每按下一次按鍵就使CPU的時鐘頻率改變。在主時鐘和副時鐘頻率下工作時，用同樣的軟件延時程序控制小燈點(diǎn)亮的時間，以此觀察CPU的運(yùn)行速度。
低功耗單片機(jī)的應(yīng)用使電子產(chǎn)品、控制系統(tǒng)更符合當(dāng)今時鐘的要求，達(dá)到便攜、低功耗和高可靠性。加之用高級語言(如C語言)對單片機(jī)進(jìn)行開發(fā)的工具日臻完善。更為快速高效的開發(fā)應(yīng)用提供了良好的條件和環(huán)境。低功耗的節(jié)能單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)將會帶來很好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。
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