高速51 - 單片機(jī)低功耗設(shè)計(jì)雜談

　　用RC振蕩方式，并將IOSI口接一個(gè)電阻到IO口上。通過(guò)切換IO口的電平來(lái)切換頻率，方法如下：

　　功耗，在電池供電的儀器儀表中是一個(gè)重要的考慮因素。PIC16C××系列單片機(jī)本身的功耗較低(在5V，4MHz振蕩頻率時(shí)工作電流小于2mA)。為進(jìn)一步降低功耗，在保證滿足工作要求的前提下，可采用降低工作頻率的方法，工作頻率的下降可大大降低功耗(如PIC16C××在3V，32kHz下工作，其電流可減小到15μA)，但較低的工作頻率可能導(dǎo)致部分子程序(如數(shù)學(xué)計(jì)算)需占用較多的時(shí)間。在這種情況下，當(dāng)單片機(jī)的振蕩方式采用RC電路形式時(shí)，可以采用中途提高工作頻率的辦法來(lái)解決。體做法是在閑置的一個(gè)I/O腳(如RB1)和OSC1管腳之間跨接一電阻(R1)，如圖1所示。低速狀態(tài)置RB1=0。需進(jìn)行快速運(yùn)算時(shí)先置RB1=1，由于充電時(shí)，電容電壓上升得快，工作頻率增高，運(yùn)算時(shí)間減少，運(yùn)算結(jié)束又置RB1=0，進(jìn)入低速、低功耗狀態(tài)。工作頻率的變化量依R1的阻值而定(注意R1不能選得太小，以防振蕩電路不起振，一般選取大于5kΩ)。

　　改用C8051Fxxx，20MHz 僅僅10mA，若降到1MHz，可以做到1~2mA;

　　或是干脆采用MSP430，一般<1mA，稍稍采取措施，馬上可以接近零功耗!

　　大家不要以為更換CPU是很難的事情，我們僅僅用2周就更換成功CPU先天不足，51低功耗沒(méi)前途的msp430，m16等有很多低功耗單片機(jī)，功能強(qiáng)，又是精簡(jiǎn)指令，全天uA級(jí)工作成本也是關(guān)鍵，不一定非要低功耗器件。我覺(jué)得要很好的利用單片機(jī)的中斷和休眠功能，單片機(jī)盡可能的處于休眠等待狀態(tài)，同時(shí)注意空閑IO口的狀態(tài)，輸出的最好置低，輸入的要視外圍電路而定，不用的腳要處理好，不是簡(jiǎn)單不接就可以的

　　另外，外圍電路可以做分區(qū)域的電源開(kāi)關(guān)，不用時(shí)，關(guān)閉電源，并將與其相連的單片機(jī)的IO口置低，減少信號(hào)線饋電。不知說(shuō)的對(duì)不對(duì)。

　　剛開(kāi)始做電池產(chǎn)品時(shí)，只有8031 ，考慮用PSEN什么的控制外部RAM，休眠方式，但是還是在十毫安級(jí)。 現(xiàn)在好了，有許多型號(hào)單片機(jī)本身就是低功耗，為了減少體積，還要追求更低。

　　1.系統(tǒng)設(shè)計(jì)，好的系統(tǒng)設(shè)計(jì)是降低功耗的關(guān)鍵。 減少外圍器件，降低晶體頻率?？梢圆捎脦cd，ad，實(shí)時(shí)時(shí)鐘功能的單片機(jī)，即降低成本，又減少了故障率，可謂一舉兩得.HOLTEL，PHILIPS，PIC 都有此類單片機(jī)。 低的主頻也可以降低功耗，如ZILOG的單片機(jī)可以程序控制對(duì)主頻的分頻，在不忙時(shí)把頻率降低，需要時(shí)在提高。 HOLTEK的可以采用雙頻率工作，高主頻可以關(guān)閉，32768可以提供內(nèi)部精確計(jì)時(shí)，還可以激活休眠的單片機(jī)工作。

　　2.降低系統(tǒng)電壓，可以降低功耗。

　　3.合理處理不用的IO口，最好設(shè)為輸入態(tài)。對(duì)外圍電路也要考慮，如光耦，盡量使其導(dǎo)通態(tài)<斷開(kāi)態(tài)。驅(qū)動(dòng)三極管的狀態(tài)。還有就是上拉，下拉電阻值，太小也會(huì)造成漏電。

　　Mega8的一個(gè)特點(diǎn)是帶有內(nèi)部的RC振蕩器，別小看他，他與晶振的不同之處在于他的起振時(shí)間很短，只要幾u(yù)S，而晶振一般要幾十mS，所以低功耗設(shè)計(jì)時(shí)一定要用，430的宣傳不是也講起動(dòng)時(shí)間6uS嗎，那一樣是指的RC振蕩開(kāi)始工作的時(shí)間。我得設(shè)計(jì)靜態(tài)電流50uA，實(shí)際只是LCD模塊的電流，單片機(jī)平時(shí)處在掉電的狀態(tài)。每隔1S倍液晶模塊喚醒一次，作一次顯示的刷新工作，耗時(shí)約4mS，正常工作時(shí)如果有脈沖來(lái)的話，就作一些運(yùn)算，脈沖頻率50Hz，每次運(yùn)算不過(guò)200uS，這樣下來(lái)，正極的功耗大大降低，加上一些外圍電路，平均在100uA以下。

　　低功耗設(shè)計(jì)

　　現(xiàn)象一：我們這系統(tǒng)是220V供電，就不用在乎功耗問(wèn)題了

　　點(diǎn)評(píng)：低功耗設(shè)計(jì)并不僅僅是為了省電，更多的好處在于降低了電源模塊及散熱系統(tǒng)的成本、由于電流的減小也減少了電磁輻射和熱噪聲的干擾。隨著設(shè)備溫度的降低，器件壽命則相應(yīng)延長(zhǎng)(半導(dǎo)體器件的工作溫度每提高10度，壽命則縮短一半)

　　現(xiàn)象二：這些總線信號(hào)都用電阻拉一下，感覺(jué)放心些

　　點(diǎn)評(píng)：信號(hào)需要上下拉的原因很多，但也不是個(gè)個(gè)都要拉。上下拉電阻拉一個(gè)單純的輸入信號(hào)，電流也就幾十微安以下，但拉一個(gè)被驅(qū)動(dòng)了的信號(hào)，其電流將達(dá)毫安級(jí)，現(xiàn)在的系統(tǒng)常常是地址數(shù)據(jù)各32位，可能還有244/245隔離后的總線及其它信號(hào)，都上拉的話，幾瓦的功耗就耗在這些電阻上了(不要用8毛錢一度電的觀念來(lái)對(duì)待這幾瓦的功耗)。

　　現(xiàn)象三：CPU和FPGA的這些不用的I/O口怎么處理呢?先讓它空著吧，以后再說(shuō)

　　點(diǎn)評(píng)：不用的I/O口如果懸空的話，受外界的一點(diǎn)點(diǎn)干擾就可能成為反復(fù)振蕩的輸入信號(hào)了，而MOS器件的功耗基本取決于門(mén)電路的翻轉(zhuǎn)次數(shù)。如果把它上拉的話，每個(gè)引腳也會(huì)有微安級(jí)的電流，所以最好的辦法是設(shè)成輸出(當(dāng)然外面不能接其它有驅(qū)動(dòng)的信號(hào))

　　現(xiàn)象四：這款FPGA還剩這么多門(mén)用不完，可盡情發(fā)揮吧

　　點(diǎn)評(píng)：FGPA的功耗與被使用的觸發(fā)器數(shù)量及其翻轉(zhuǎn)次數(shù)成正比，所以同一型號(hào)的FPGA在不同電路不同時(shí)刻的功耗可能相差100倍。盡量減少高速翻轉(zhuǎn)的觸發(fā)器數(shù)量是降低FPGA功耗的根本方法。

　　現(xiàn)象五：這些小芯片的功耗都很低，不用考慮

　　點(diǎn)評(píng)：對(duì)于內(nèi)部不太復(fù)雜的芯片功耗是很難確定的，它主要由引腳上的電流確定，一個(gè)ABT16244，沒(méi)有負(fù)載的話耗電大概不到1毫安，但它的指標(biāo)是每個(gè)腳可驅(qū)動(dòng)60毫安的負(fù)載(如匹配幾十歐姆的電阻)，即滿負(fù)荷的功耗最大可達(dá)60*16=960mA，當(dāng)然只是電源電流這么大，熱量都落到負(fù)載身上了。

　　現(xiàn)象六：存儲(chǔ)器有這么多控制信號(hào)，我這塊板子只需要用OE和WE信號(hào)就可以了，片選就接地吧，這樣讀操作時(shí)數(shù)據(jù)出來(lái)得快多了。

　　點(diǎn)評(píng)：大部分存儲(chǔ)器的功耗在片選有效時(shí)(不論OE和WE如何)將比片選無(wú)效時(shí)大100倍以上，所以應(yīng)盡可能使用CS來(lái)控制芯片，并且在滿足其它要求的情況下盡可能縮短片選脈沖的寬度。

　　現(xiàn)象七：這些信號(hào)怎么都有過(guò)沖啊?只要匹配得好，就可消除了

　　點(diǎn)評(píng)：除了少數(shù)特定信號(hào)外(如100BASE-T、CML)，都是有過(guò)沖的，只要不是很大，并不一定都需要匹配，即使匹配也并非要匹配得最好。象TTL的輸出阻抗不到50歐姆，有的甚至20歐姆，如果也用這么大的匹配電阻的話，那電流就非常大了，功耗是無(wú)法接受的，另外信號(hào)幅度也將小得不能用，再說(shuō)一般信號(hào)在輸出高電平和輸出低電平時(shí)的輸出阻抗并不相同，也沒(méi)辦法做到完全匹配。所以對(duì)TTL、LVDS、422等信號(hào)的匹配只要做到過(guò)沖可以接受即可。

　　現(xiàn)象八：降低功耗都是硬件人員的事，與軟件沒(méi)關(guān)系

　　點(diǎn)評(píng)：硬件只是搭個(gè)舞臺(tái)，唱戲的卻是軟件，總線上幾乎每一個(gè)芯片的訪問(wèn)、每一個(gè)信號(hào)的翻轉(zhuǎn)差不多都由軟件控制的，如果軟件能減少外存的訪問(wèn)次數(shù)(多使用寄存器變量、多使用內(nèi)部CACHE等)、及時(shí)響應(yīng)中斷(中斷往往是低電平有效并帶有上拉電阻)及其它爭(zhēng)對(duì)具體單板的特定措施都將對(duì)降低功耗作出很大的貢獻(xiàn)。