摘? 要: 介紹單片機的低功耗" title="低功耗">低功耗設計技術特點及單片機應用" title="單片機應用">單片機應用系統(tǒng)中的低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計要注意的幾個問題，并列舉了充分利用片內(nèi)資源實現(xiàn)低功耗及C語言源程序。

　　關鍵詞: 單片機? 低功耗? 設計

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　　隨著集成電路技術和工藝的飛速發(fā)展，真正單片化的單片機已經(jīng)成為主流產(chǎn)品。它的絕大部分資源都在單片機芯片內(nèi)部;過去需要用外部擴展器件才能實現(xiàn)的功能，如ROM、RAM、A/D、D/A、數(shù)字量I/O、顯示驅(qū)動等功能，現(xiàn)在在單片機內(nèi)部就可以完成。單片機的真正單片化，省去了大量的硬件開發(fā)調(diào)試工作，大大地提高了工作效率;系統(tǒng)先天的可靠性、抗干擾能力得到了顯著的改善。經(jīng)實驗測試，實現(xiàn)同樣功能的系統(tǒng)，采用單片方式比總線擴展方式具有更多的優(yōu)點。系統(tǒng)不僅功能強、性能可靠、成本降低，而且進一步微型化和便攜化。因此，使用電池作為系統(tǒng)的電源也越來越普遍。系統(tǒng)的最小電源消耗和最大的電池壽命就成為主要的技術要求。例如1999年的多國儀器儀表展覽會上，不止一家國外公司展出了使用電池的工業(yè)流量計，5～10年都不必更換電池和進行維護。所以低功耗單片機的應用有著非常廣闊的天地。低功耗單片機應用符合現(xiàn)代電子終端產(chǎn)品的要求:便攜、節(jié)能、可靠等。目前國際上先進的單片機生產(chǎn)廠商，如日本NEC、富士通、愛普森和美國TI等公司都采用了低功耗設計。筆者在一些應用中使用了日本NEC公司的78K0和78K0S系列的單片機，其休眠狀態(tài)下的功耗電流可達到0.05～0.01μA。

1 單片機的低功耗設計技術

1.1 高集成度的完全單片化設計

　　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、低電壓的原則設計，這給單片機的低功耗設計提供了很強的支持。

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

　　先進的單片機芯片工藝特點決定了單片機在很寬的電源電壓范圍內(nèi)都能正常工作。例如，NEC公司的78K0和78K0S系列的單片機，可以在1.8V～5.5V電源電壓范圍內(nèi)正常工作。單片機供電電壓范圍的放寬，可以進一步拓寬單片機的應用領域，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，而不必關心電池放電過程電壓曲線是否平穩(wěn)、是否會影響單片機正常工作，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)運行頻率越高，電源功耗就會相應增大。為更好地降低功耗，內(nèi)部集成了兩套獨立的時鐘系統(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" title="時鐘頻率">時鐘頻率，以降低電源功耗。在不需要高速運行的情況下，可選用副時鐘低速運行，進一步降低功耗。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。

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1.6 后備功能

　　后備功能是為了進一步降低系統(tǒng)功耗。CPU用主時鐘時有HALT(待機)模式和STOP(休眠)模式，用副系統(tǒng)時鐘" title="系統(tǒng)時鐘">系統(tǒng)時鐘時有副時鐘運行模式和HALT模式。如表1所示。

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1.7 內(nèi)部鐘表定時器

　　NEC單片機內(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。對于單片機只須間歇工作、但又需要實時計時功能的應用場合，提供了非常有效的節(jié)能方法。CPU在不工作時可進入STOP模式或HALT模式，進入低功耗的后備功能狀態(tài)。當時鐘中斷到來時，CPU回到正常工作狀態(tài)，進入時鐘中斷處理程序做時鐘更新處理，然后再進入后備功能狀態(tài)。

2 單片機應用系統(tǒng)中的低功耗設計要注意的問題

　　(1)系統(tǒng)中單片機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)外部設備的選擇也要盡可能支持低功耗設計。

　　(3)設計外部中斷喚醒電路，使單片機在等待時可進入休眠模式或待機模式，需要時由外部中斷信號喚醒。

　　(4)設計外部器件的電源控制電路，使外部器件或設備在不工作時關斷供電，減少無效功耗。

　　(5)設計充分利用系統(tǒng)低功耗特點的軟件。

3 在線改變CPU的時鐘頻率以降低功耗的C語言程序舉例

　　CPU在不需要高速運行時，可設置在較低的時鐘頻率下工作，在運行過程中可根據(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NEC單片機μPD780058的CPU時鐘頻率的程序，它使CPU在主、副時鐘間切換運行。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亮的時間，以此觀察CPU的運行速度。

　　程序清單:

//**************宏定義**************

#define??? PCCMODEM? 　0x00????????? //CPU時鐘控制寄存器PCC

?????????????????????????????????????//定義為選主系統(tǒng)時鐘

#define??? PCCMODES??? 0xf0 ??????? ?//CPU時鐘控制寄存器PCC

　　??????????????????????????????? ?//定義為選副系統(tǒng)時鐘

#define??? PORT60????? 1???????????? //P6口位0賦初值

#define? 　PORTM60?????0???????????? //P6口位0設為輸出

#define ?? INTM0M??????0x00?????????? //定義外部中斷INTP1的

????????????????????????????????????? //中斷觸發(fā)沿為下降沿

//*****單片機內(nèi)部功能使用的定義*****

#pragma??? sfr??????????????????????? //使用特殊功能寄存器

#pragma????HALT?????????????????????? //使用HALT功能

#pragma????interrupt INTP1 inter RB1? //使用中斷功能

#pragma????DI???????????????????????? //使用關中斷功能

#pragma????EI???????????????????????? //使用開中斷功能

//*************變量定義*************

unsigned?? int???? b；??????????????? //定義軟件延時計數(shù)變量

char???????msflag；??????????????????? //定義主、副時鐘切換標志

//**************主函數(shù)**************

void main()

{

PCC=PCCMODEM；?????????????? ????????? //CPU用主系統(tǒng)時鐘

P6.0=PORTM60；??????????????????????? ?//P6口的位0賦初值

PM6.0=PORTM60；????????????????????????//P6口的位0為輸出

INTM0= INTM0M；??????????????????????? //INTP1下降沿觸發(fā)

PMK1=0；???????????????????????????????//清除INTP1中斷屏蔽

msflag=0；?????????????????????????????//選用主副時鐘的標志

EI()；?????????????????????????????????//開中斷

while(1)

{

????????????? if (msflag==0)??????????? //時鐘切換標志為0時

???????????????????? msflag=1；???????? //標志變?yōu)?

????????????? else msflag=0； ????????? //否則標志變?yōu)?

?????? ?????? P6.0=0；????????????????? //點亮LED燈

?????? ? ???? b = 0；?????? ??????????? //軟件延時的計數(shù)值賦初值

????????????? while(b<=10000)

????????????? {

???????????????????? b++；??? ????????? //軟件延時(注意系統(tǒng)時鐘為

??????????????????????????????????????? //主時鐘與副時鐘延時

??????????????????????????????????????? //時間的長短是不同的)

????????????? }????

????????????? P6.0=1；??????????????????//熄滅LED燈

????????????? HALT()；??????????????????//進入HALT狀態(tài)

}

}

//************中斷服務函數(shù)************

void inter(void)

{

????????????? if (msflag ==0)???????????? //若時鐘切換標志為0

???????????????????? PCC=PCCMODES；???? 　//CPU使用副時鐘

????????????? else????????????????????????//否則

???????????????????? PCC=PCCMODEM；??? 　 //CPU使用主時鐘

}

　　低功耗單片機的應用使電子產(chǎn)品、控制系統(tǒng)更符合當今時代的要求，達到便攜、低功耗和高可靠性。加之用高級語言(如C語言)對單片機進行開發(fā)的工具日臻完善。更為快速高效的開發(fā)應用提供了良好的條件和環(huán)境。低功耗的節(jié)能單片機應用系統(tǒng)將會帶來很好的社會效益和經(jīng)濟效益。

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參考文獻

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2 吳玉平譯.μPD780024，780034，780024Y，780034Y子系列8位單片微控制器用戶手冊.北京:電子工業(yè)出版社，1994年4月

3 日本NEC公司.CC78K0 C Compiler V.3.10 or later?Language User＇s Manual，1999