單片機(jī)低功耗設(shè)計(jì)雜談 - 全文

　　現(xiàn)在，有許多單片機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域，都是用電池供電，節(jié)能成為設(shè)計(jì)工程師普遍關(guān)心的問題。

　　進(jìn)入掉電模式

　　現(xiàn)在有很多的低功耗的片子，特別是在進(jìn)入掉電模式之后，只有1uA的電流。也可以使用電源管理的方法，在不工作的時(shí)候，把系統(tǒng)電源關(guān)斷，這樣更省電我用了很久51芯片，本來對它的功耗非常不滿，但是因?yàn)槠鋬r(jià)格越來越便宜，本身的性價(jià)比依舊很好，所以總也甩不掉。

　　1、休眠。一般的系統(tǒng)都不會到了忙不過來的地步，適當(dāng)?shù)男菝哌€是可以節(jié)省一些功耗的，在一些簡單的系統(tǒng)，多抽時(shí)間休眠成了省電的關(guān)鍵，你看別的芯片都不耗電，只有單片機(jī)了，它就是關(guān)鍵了，在有些時(shí)候，提高主頻反而會獲取更多的休眠時(shí)間，反而使系統(tǒng)功耗更小了。但是值得注意的是，經(jīng)常性的切換休眠和工作狀態(tài)會讓電源產(chǎn)生mV級的波動(dòng)，特別對于很多線性穩(wěn)壓器只有100mA以內(nèi)的輸出能力的情況更明顯，這樣的波動(dòng)或許會影響系統(tǒng)內(nèi)的AD和一些其他模擬電路，值得注意。

　　2、掉電。如果進(jìn)入了掉電模式，很多51芯片是無法通過中斷重新開始工作的，可以外加一個(gè)微功耗的單片機(jī)來提供復(fù)位，這個(gè)單片機(jī)只負(fù)責(zé)鍵盤掃描和復(fù)位51單片機(jī)，以及發(fā)送鍵盤編碼到51芯片。我以前見過一個(gè)手持設(shè)備，耗電很小，但是包括了大容量存儲、顯示、輸入、數(shù)據(jù)輸出、檢索等功能，平時(shí)89C51總是處于掉電狀態(tài)，但是有了鍵盤操作后，就復(fù)位開始運(yùn)行，處理完鍵盤送來的任務(wù)之后又自動(dòng)掉電了。

　　3、復(fù)雜運(yùn)算。復(fù)雜運(yùn)算(譬如指數(shù)運(yùn)算、浮點(diǎn)乘除)一定會占據(jù)更多系統(tǒng)時(shí)序，響應(yīng)減少休眠時(shí)間，可以通過查表方式，這樣用大容量的表格代替了現(xiàn)場計(jì)算，更多的時(shí)間不就可以睡覺了嗎?

　　4、如果軟件任務(wù)少到一定程度，那么可以考慮把晶體搞到32k去運(yùn)行，其實(shí)這樣更省電，但是這意味著51軟件基本沒什么高速的事情做，也不需要串行通信，否則，還是老老實(shí)實(shí)面對現(xiàn)實(shí)吧。

　　我覺得，51芯片用于電池供電的系統(tǒng)不是很合適，但是從開發(fā)周期看，它的開發(fā)環(huán)境很好，畢竟可以承載8位機(jī)的相對大型的應(yīng)用，有時(shí)候又不得不用它。我覺得距離51最靠近的AVR單片機(jī)更適合將來的應(yīng)用，因?yàn)槠湫阅軆r(jià)格比相對其他單片機(jī)還是不錯(cuò)的，除非51芯片可以將來做到在3MIP下，工作電流小于2mA，休眠電流小于500uA，掉電電流小于10uA。在很多的設(shè)計(jì)中，采用線性降壓的方法，電源損耗大，如提高供電電壓，并用高效率的DC-DC電源，可延長電源使用的時(shí)間89C8252掉電工作，看門狗做“系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)鐘”同時(shí)把看門狗復(fù)位“軟件模擬成看門狗中斷”“狗”叫一次跳起來看看，“RAM值班室登個(gè)記”，同時(shí)還登記下當(dāng)前PC+1的值，然后“睡死”過去!

　　平均功耗不大于5V/0。3MA，而且有很強(qiáng)的抗干擾性!

　　軟件優(yōu)化很重要!

　　如64MS一次“狗”叫!起來做40條指令，24MHZ下最多：40*0.5=20US

　　于是占空比：20/64000=1/3200 即平均電流下降3200倍!!!

　　外設(shè)會受復(fù)位改變嗎?當(dāng)然!但鎖存器干什么啊?!

　　如何知道程序能運(yùn)行多久?下一條運(yùn)行指令運(yùn)行到那?

　　如果任何時(shí)刻，你自己編的程序運(yùn)行在那個(gè)片區(qū)，你都不知道，那還叫什么搞軟硬件的要天人合一啊?!

　　系統(tǒng)任務(wù)不忙的情況下，你的看門狗定時(shí)復(fù)位方法還可以，但是。。。好多情況下似乎做不到呀。我的51系統(tǒng)只有200微安省電是個(gè)大難題，特別是51，但只有用心還是可以做到的，特別是工作任務(wù)少的時(shí)候。我的一個(gè)水文遙測系統(tǒng)，用12伏電池供電耗電只有200微安，有8Mbit data flash，一個(gè)調(diào)制解調(diào)器，一個(gè)時(shí)鐘，一個(gè)485通信口，一個(gè)232通信口，還有6個(gè)數(shù)碼管，是不是夠多的了，但它們平時(shí)都不工作，我也是用看門狗復(fù)位來喚醒51單片機(jī)的，每1.6秒一次，用的是x25045，可是25045的復(fù)位時(shí)間有200毫秒之多，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，51從掉電返回到正常工作只要有30個(gè)毫秒足了，別小看節(jié)省的這一百多毫秒，因?yàn)?1在每次醒來是只要發(fā)現(xiàn)沒有任務(wù)就可以馬上POWERDOWN了，所以加了一個(gè)CMOS的單穩(wěn)來復(fù)位。其它的就是口線的狀態(tài)一定要注意，不要讓它吸收電流也不要輸出電流，要是做不到可以試著加一此電路，如反相器.

　　穩(wěn)壓電源是個(gè)要權(quán)衡的事，雖然開關(guān)穩(wěn)壓有較高的效率，但在低功耗設(shè)計(jì)不一定對，開關(guān)電源本身消耗的電流就是一個(gè)大問題，一個(gè)微安級的系統(tǒng)也許要特別對待，我用的是max667線性穩(wěn)壓數(shù)微安靜態(tài)電流.我想開關(guān)電源做不到對于外部事務(wù)頻繁的應(yīng)用，無法使用掉電方式雖然很多51芯片支持外中斷觸發(fā)芯片脫離POWER DOWN狀態(tài)(如華邦的W78E58、W77E58)，但還是解決不了串行通信的問題，而且對于需要內(nèi)部精確定時(shí)的場合，從POWER DOWN到正常工作需要很長時(shí)間，這個(gè)恐怕還是難于讓人接受。莫非沒有一個(gè)廠家可以產(chǎn)出高速小功耗的51芯片?沒到理呀，PHILIPS不是玩了很久嗎?怎么弄出的芯片在12MHz下還是大于10mA，休眠也有幾個(gè)mA，這也吹牛沒下功夫嘛!

　　用51做低功耗，太累了低功耗多得是，象PIC、EMC輕松做到20uA以下，51有POWER DOWN，但只能復(fù)位喚醒，有少數(shù)可用INT喚醒，太麻煩。有些有雙晶體的單片機(jī)，做低功耗最簡單，平時(shí)用32768工作也只有20uA，這種單片機(jī)一般帶有LCD。EMC內(nèi)有PLL單片機(jī)做功耗系統(tǒng)很方便，象78565，567，功能強(qiáng)價(jià)格低samgsung的單片機(jī)可以做到565匠人也用過。平時(shí)進(jìn)IDLE模式，功耗只有幾個(gè)UA分級供電和外部喚醒確是一種可行的辦法 在分級供電中要注意的是如果電源是小電流的穩(wěn)壓器件最好有一個(gè)比較大的蓄電電路，要不然單片機(jī)喚醒和上電時(shí)可能會起動(dòng)不了，而且可能會進(jìn)入一個(gè)不希望的振蕩期，比如單片機(jī)要起振，電流增大，這時(shí)電源供不起，電壓就下降，引起的是單片機(jī)又停振電壓又回升!所以一個(gè)合理的電源管理電路就顯得很關(guān)鍵，這方面的專業(yè)IC將是未來一個(gè)很有前途的產(chǎn)業(yè)!這個(gè)IC應(yīng)有一個(gè)內(nèi)部低速的定時(shí)器和一個(gè)專門的蓄電管理電路，當(dāng)電路進(jìn)入低功耗后應(yīng)該將蓄電電路沖滿以備喚醒和大功耗時(shí)用，這種電路主要用于小電流供電的環(huán)境，它可以為小電流供電環(huán)境提供一個(gè)短時(shí)間的大電流工作。 另外單片機(jī)的耗電除了核本身的耗電外，大多是IO口的耗電，大家可以通過降低主頻，將IO口置在比較合適的狀態(tài)來達(dá)到一個(gè)比較省心又省力的方式。而且不全理的頻繁喚醒有時(shí)會帶來更多的電耗!

　　用TI的單片機(jī)MSP430系列非常省電。正常工作時(shí)幾百微安，掉電時(shí)約1微安87LPC76X低功耗51，32k時(shí)20uA使用雙振的單片機(jī)，在系統(tǒng)不忙的時(shí)候使用32768的晶振，同時(shí)進(jìn)入SLEEP這樣處理通常耗電都在幾個(gè)uA.在處理SLEEP喚醒后的程序需要小心處理，特別是***的單片機(jī)，有時(shí)廠家給出的資料都要小心，我碰到過。我不知道您是用的哪家的51單片機(jī)，功耗能做到這么低。據(jù)我所知ATMEL89C52 Powerdown mode下最少是40微安。您的系統(tǒng)中有這么多的器件，即使都是低功耗可關(guān)斷的器件，那你的系統(tǒng)每次工作時(shí)都要啟動(dòng)所有的器件才能運(yùn)轉(zhuǎn)起來，這個(gè)啟動(dòng)過程是多長呢?還有您的單片機(jī)不會工作在12V的，你還需要一個(gè)電壓變換器，它平時(shí)不用電的嗎?你的CMOS單穩(wěn)不用電的嗎?據(jù)我所知常用的485，232，modem，flash都不是低功耗可關(guān)斷的，如果您都使用的是特殊器件，那實(shí)用的意義何在呢?或者您使用了其他器件來控制這些耗電多的設(shè)備，那您一定是硬件高手了?？煞裰更c(diǎn)一二?

　　高速51： C8051FXXX在1M指令流下，VDD僅僅1.5mA用IO口控制RC振蕩頻率?

　　用RC振蕩方式，并將IOSI口接一個(gè)電阻到IO口上。通過切換IO口的電平來切換頻率，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低功耗沒前途的msp430，m16等有很多低功耗單片機(jī)，功能強(qiáng)，又是精簡指令，全天uA級工作成本也是關(guān)鍵，不一定非要低功耗器件。我覺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，不是簡單不接就可以的

　　另外，外圍電路可以做分區(qū)域的電源開關(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，減少信號線饋電。不知說的對不對。

　　剛開始做電池產(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。 現(xiàn)在好了，有許多型號單片機(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。可以采用帶lcd，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)。對外圍電路也要考慮，如光耦，盡量使其導(dǎo)通態(tài)<斷開態(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)如果有脈沖來的話，就作一些運(yùn)算，脈沖頻率50Hz，每次運(yùn)算不過200uS，這樣下來，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，就不用在乎功耗問題了

　　點(diǎn)評：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(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：這些總線信號都用電阻拉一下，感覺放心些

　　點(diǎn)評：信號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，電流也就幾十微安以下，但拉一個(gè)被驅(qū)動(dòng)了的信號，其電流將達(dá)毫安級，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，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對待這幾瓦的功耗)。

　　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

　　點(diǎn)評：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)振蕩的輸入信號了，而MOS器件的功耗基本取決于門電路的翻轉(zhuǎn)次數(shù)。如果把它上拉的話，每個(gè)引腳也會有微安級的電流，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)

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

　　點(diǎn)評：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：對于內(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：存儲器有這么多控制信號，我這塊板子只需要用OE和WE信號就可以了，片選就接地吧，這樣讀操作時(shí)數(shù)據(jù)出來得快多了。

　　點(diǎn)評：大部分存儲器的功耗在片選有效時(shí)(不論OE和WE如何)將比片選無效時(shí)大100倍以上，所以應(yīng)盡可能使用CS來控制芯片，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：這些信號怎么都有過沖啊?只要匹配得好，就可消除了

　　點(diǎn)評：除了少數(shù)特定信號外(如100BASE-T、CML)，都是有過沖的，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，功耗是無法接受的，另外信號幅度也將小得不能用，再說一般信號在輸出高電平和輸出低電平時(shí)的輸出阻抗并不相同，也沒辦法做到完全匹配。所以對TTL、LVDS、422等信號的匹配只要做到過沖可以接受即可。

　　現(xiàn)象八：降低功耗都是硬件人員的事，與軟件沒關(guān)系

　　點(diǎn)評：硬件只是搭個(gè)舞臺，唱戲的卻是軟件，總線上幾乎每一個(gè)芯片的訪問、每一個(gè)信號的翻轉(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)及其它爭對具體單板的特定措施都將對降低功耗作出很大的貢獻(xiàn)。