摘? 要: 介紹單片機(jī)的低功耗" title="低功耗">低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)特點(diǎn)及單片機(jī)應(yīng)用" title="單片機(jī)應(yīng)用">單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中的低功耗設(shè)計(jì)" title="低功耗設(shè)計(jì)">低功耗設(shè)計(jì)要注意的幾個(gè)問(wèn)題，并列舉了充分利用片內(nèi)資源實(shí)現(xiàn)低功耗及C語(yǔ)言源程序。

　　關(guān)鍵詞: 單片機(jī)? 低功耗? 設(shè)計(jì)

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　　隨著集成電路技術(shù)和工藝的飛速發(fā)展，真正單片化的單片機(jī)已經(jīng)成為主流產(chǎn)品。它的絕大部分資源都在單片機(jī)芯片內(nèi)部;過(guò)去需要用外部擴(kuò)展器件才能實(shí)現(xiàn)的功能，如ROM、RAM、A/D、D/A、數(shù)字量I/O、顯示驅(qū)動(dòng)等功能，現(xiàn)在在單片機(jī)內(nèi)部就可以完成。單片機(jī)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(shí)驗(yàn)測(cè)試，實(shí)現(xiàn)同樣功能的系統(tǒng)，采用單片方式比總線擴(kuò)展方式具有更多的優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)不僅功能強(qiáng)、性能可靠、成本降低，而且進(jìn)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(lái)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(shù)要求。例如1999年的多國(guó)儀器儀表展覽會(huì)上，不止一家國(guó)外公司展出了使用電池的工業(yè)流量計(jì)，5～10年都不必更換電池和進(jìn)行維護(hù)。所以低功耗單片機(jī)的應(yīng)用有著非常廣闊的天地。低功耗單片機(jī)應(yīng)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(guó)際上先進(jìn)的單片機(jī)生產(chǎn)廠商，如日本NEC、富士通、愛普森和美國(guó)TI等公司都采用了低功耗設(shè)計(jì)。筆者在一些應(yīng)用中使用了日本NEC公司的78K0和78K0S系列的單片機(jī)，其休眠狀態(tài)下的功耗電流可達(dá)到0.05～0.01μA。

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(guò)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(duì)于不使用的功能使其停止工作，以減少無(wú)效功耗。

1.3 寬電源電壓范圍

　　先進(jìn)的單片機(jī)芯片工藝特點(diǎn)決定了單片機(jī)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(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)心電池放電過(guò)程電壓曲線是否平穩(wěn)、是否會(huì)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(shí)鐘

　　系統(tǒng)運(yùn)行頻率越高，電源功耗就會(huì)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(shí)鐘系統(tǒng)，高速的主時(shí)鐘和32.768kHz的副時(shí)鐘。也可在滿足功能需要的情況下按一定比例降低CPU主時(shí)鐘頻率" title="時(shí)鐘頻率">時(shí)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(shí)鐘低速運(yùn)行，進(jìn)一步降低功耗。通過(guò)軟件對(duì)特殊功能寄存器賦值可改變CPU的時(shí)鐘頻率，或進(jìn)行主時(shí)鐘和副時(shí)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(guò)程序改變處理器時(shí)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(jìn)一步降低系統(tǒng)功耗。CPU用主時(shí)鐘時(shí)有HALT(待機(jī))模式和STOP(休眠)模式，用副系統(tǒng)時(shí)鐘" title="系統(tǒng)時(shí)鐘">系統(tǒng)時(shí)鐘時(shí)有副時(shí)鐘運(yùn)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(shí)器

　　NEC單片機(jī)內(nèi)部提供了時(shí)鐘定時(shí)器，每隔0.5s產(chǎn)生一次中斷。在系統(tǒng)處于休眠狀態(tài)時(shí)，仍可定時(shí)被喚醒。對(duì)于單片機(jī)只須間歇工作、但又需要實(shí)時(shí)計(jì)時(shí)功能的應(yīng)用場(chǎng)合，提供了非常有效的節(jié)能方法。CPU在不工作時(shí)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(shí)鐘中斷到來(lái)時(shí)，CPU回到正常工作狀態(tài)，進(jìn)入時(shí)鐘中斷處理程序做時(shí)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)要注意的問(wèn)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(shí)可進(jìn)入休眠模式或待機(jī)模式，需要時(shí)由外部中斷信號(hào)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(shí)關(guān)斷供電，減少無(wú)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(shí)鐘頻率以降低功耗的C語(yǔ)言程序舉例

　　CPU在不需要高速運(yùn)行時(shí)，可設(shè)置在較低的時(shí)鐘頻率下工作，在運(yùn)行過(guò)程中可根據(jù)需要在線改變CPU的時(shí)鐘頻率。下面是一個(gè)通過(guò)按鍵產(chǎn)生外部中斷信號(hào)改變NEC單片機(jī)μPD780058的CPU時(shí)鐘頻率的程序，它使CPU在主、副時(shí)鐘間切換運(yùn)行。通過(guò)I/O口P6的位0引腳連接1個(gè)LED小燈，每按下一次按鍵就使CPU的時(shí)鐘頻率改變。在主時(shí)鐘和副時(shí)鐘頻率下工作時(shí)，用同樣的軟件延時(shí)程序控制小燈點(diǎn)亮的時(shí)間，以此觀察CPU的運(yùn)行速度。

　　程序清單:

//**************宏定義**************

#define??? PCCMODEM? 　0x00????????? //CPU時(shí)鐘控制寄存器PCC

?????????????????????????????????????//定義為選主系統(tǒng)時(shí)鐘

#define??? PCCMODES??? 0xf0 ??????? ?//CPU時(shí)鐘控制寄存器PCC

　　??????????????????????????????? ?//定義為選副系統(tǒng)時(shí)鐘

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

#define? 　PORTM60?????0???????????? //P6口位0設(shè)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(jī)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(guān)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(shí)計(jì)數(shù)變量

char???????msflag；??????????????????? //定義主、副時(shí)鐘切換標(biāo)志

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

void main()

{

PCC=PCCMODEM；?????????????? ????????? //CPU用主系統(tǒng)時(shí)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(shí)鐘的標(biāo)志

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

while(1)

{

????????????? if (msflag==0)??????????? //時(shí)鐘切換標(biāo)志為0時(shí)

???????????????????? msflag=1；???????? //標(biāo)志變?yōu)?

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

?????? ?????? P6.0=0；????????????????? //點(diǎn)亮LED燈

?????? ? ???? b = 0；?????? ??????????? //軟件延時(shí)的計(jì)數(shù)值賦初值

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

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

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

??????????????????????????????????????? //主時(shí)鐘與副時(shí)鐘延時(shí)

??????????????????????????????????????? //時(shí)間的長(zhǎng)短是不同的)

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

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

????????????? HALT()；??????????????????//進(jìn)入HALT狀態(tài)

}

}

//************中斷服務(wù)函數(shù)************

void inter(void)

{

????????????? if (msflag ==0)???????????? //若時(shí)鐘切換標(biāo)志為0

???????????????????? PCC=PCCMODES；???? 　//CPU使用副時(shí)鐘

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

???????????????????? PCC=PCCMODEM；??? 　 //CPU使用主時(shí)鐘

}

　　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(shí)代的要求，達(dá)到便攜、低功耗和高可靠性。加之用高級(jí)語(yǔ)言(如C語(yǔ)言)對(duì)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(huì)帶來(lái)很好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

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參考文獻(xiàn)

1 何為民. 低功耗單片微機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì).北京:北京航空航天大學(xué)出版社，1993年6月

2 吳玉平譯.μPD780024，780034，780024Y，780034Y子系列8位單片微控制器用戶手冊(cè).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