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1、,第1章 超低功耗单片机,1.1 超低功耗单片机概述 1.2 超低功耗单片机系统的设计原则 习题,1.1 超低功耗单片机概述,1.1.1 超低功耗单片机的概念 单片机是随着超大规模集成电路技术的发展而诞生的。单片机又称单片微控制器(Single Chip Microcontroller)，它是将计算机的基本部件，如中央处理器CPU(Central Processing Unit)、随机存储器RAM(Random Access Memory)、只读存储器ROM(Read Only Memory)、定时器/计数器、中断控制、I/O接口、串行接口等微型化并集成到一块芯片上的微型计算机。有些单片机除了
2、集成了以上部件外，还集成了其它功能模块，如A/D与D/A转换器、液晶驱动等。随着电子技术的发展，单片机片内集成的功能越来越强大，并朝着SOC(片上系统)方向发展。,近几年，电子产品的低功耗设计越来越受到人们的重视。低功耗成为单片机技术发展的一个显著特点，一些大的单片机厂商都推出了自己的低功耗产品。如Intel公司的80C31系列、Atmel公司的89C51系列、Motorola公司的MC68HC05/MC68HC11系列、Philips公司的51LPC系列、Microchip公司的PIC系列等。随着现代电子技术的发展，为了使系统的功耗进一步降低，有些厂商已经开始研究生产超低功耗单片机，如TI公
3、司的MSP430系列16位单片机和EM公司的低功耗8位FLASH单片机EM6812等。,超低功耗单片机是相对于普通单片机和低功耗单片机而言的。普通单片机的工作电压一般是4.55 V，而低功耗单片机的电压工作范围拓展到36 V，工作电流也降到毫安级。低功耗单片机同时还具有等待和休眠方式，在休眠方式下，电流可以降到微安级，如MCS-51系列的80C51B/87C51在正常工作(5 V，12 MHz)时，工作电流为16 mA，同样条件等待方式下，工作电流为3.7 mA，而在休眠(2 V)时，工作电流仅有50 A。PIC16C5X系列单片机是美国Microchip公司生产的8位CMOS单片机，它的工作
4、电压为3.56 V，运行时工作电流小于2 mA，待机时功耗电流小于10 A。超低功耗单片机是在低功耗单片机的基础上，面向超低功耗应用而设计的。,超低功耗单片机耗电非常小，不论工作电压还是工作电流，相比低功耗单片机都有了进一步的下降，并能在低电压下工作，采用多种节能工作模式，工作电流也从毫安级降到了微安级，一般在零点几微安到几百微安，而且可以在较低频率下工作。比如EM公司的EM6812系列单片机可以在25 V电压下工作，工作频率最低可以为32 kHz，工作电流为0.16120 A；而TI公司的MSP430X44X的工作电压可以降到1.8 V，在LPM3方式下，振荡器处于32 kHz，工作电流只有
5、0.1280 A。,1.1.2 超低功耗单片机的特点 超低功耗单片机除具有普通单片机的特点，如工作稳定、成本低、易于产品化、实现了控制电路的超小型化以及RAM、ROM、I/O接口、串行口、A/D等资源齐全的显著优点外，还有电压低、功耗小以及可以低频率运行等一些优点，适用于机电一体化设备、智能化仪器仪表以及现代家用电器的控制核心，如电脑控制的洗衣机、录像机等。,超低功耗单片机的特点可以归纳如下： (1) 超低功耗设计。具有超低功耗是超低功耗单片机区别于普通单片机的一个显著特点，超低功耗单片机耗电非常小，一般在几百A/MIPS(MIPS每秒执行百万条指令)，工作电压和工作电流均较低。 (2) 高集
6、成度的完全单片化设计。超低功耗单片机将很多外围模块集成到了MCU芯片中，增大了硬件冗余。内部以低功耗、低电压的原则设计，这样的系统不仅功能强、性能可靠、成本低，而且便于进一步微型化和便携化。,(3) 内部电路可选择性工作。超低功耗单片机可以通过特殊功能寄存器，选择使用不同的功能电路，即依靠软件选择其中不同的外围功能模块，对于不使用的模块使其停止工作，以减少无效功耗。,(4) 具有高速和低速两套时钟。系统运行频率越高，电源功耗就会相应增大。为了更好地降低功耗，超低功耗单片机可采用几套独立的时钟源，如高速的主时钟、低频时钟(如32.768 kHz)和DCO片内时钟。其可在满足功能需要的情况下按一定
7、比例降低MCU主时钟频率，以降低电源功耗。在不需要高速运行的情况下，可选用辅助时钟低速运行，进一步降低功耗。通过软件对相应功能寄存器进行设置，可改变CPU的时钟频率，或进行主时钟和辅助时钟切换。 (5) 具有多种节能工作模式。超低功耗单片机具有多种节能模式，为其功耗管理提供了极好的性能保证。,1.1.3 超低功耗单片机的应用领域 超低功耗单片机以其卓越的性能和较高的性能价格比，使其在许多领域得到了越来越广泛的应用，如对便携式智能检测控制仪器的开发、各种数据采集系统的开发、各种智能控制仪表的开发、各种节能装置的开发等。超低功耗单片机也可应用于产品的内部，取代部分老式机械、电子零件或元器件，以使产
8、品缩小体积，增强功能，实现不同程度的智能化。超低功耗单片机的应用从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法，其主要的应用有以下几个方面。,(1) 工业控制方面。单片机的结构特点决定了它特别适用于各种控制系统，如数据采集系统、工业机器人控制系统、机电一体化产品等。 (2) 智能仪器仪表方面。超低功耗单片机已经开始越来越多地应用于各种仪器仪表中，使仪器仪表的智能化程度得到了提高，硬件结构得到了简化，从而提高了仪器仪表的精度和准确度，减小了体积，提高了性能价格比。单片机在该领域的应用，不仅使仪器仪表发生了根本的变革，也给传统仪器仪表行业的改造带来了曙光。,(3) 计算机网络及通信技术方面。超低功
9、耗单片机中集成了通信接口，因而使其在计算机网络及通信设备中得以广泛应用。其不但可以用BITBUS、CAN、以太网等构成分布式网络系统，还可以用于调制解调器、各种智能通信设备以及无线遥控系统等。 (4) 日常生活方面。超低功耗单片机不但具有普通单片机的各种优良性能，而且功耗很低，能够省电节能，可采用电池供电，非常适合家用产品的开发，如水表、电表、暖气表、家用防盗系统等。,1.2 超低功耗单片机系统的设计原则,1.2.1 微处理器MCU的选择,1. TI公司的MSP430系列单片机 TI公司的MSP430系列单片机是一个超低功耗类型的16位单片机。它采用了RISC内核结构，特别适合于应用电池的场合
10、或手持设备。同时，该系列单片机将大量的外围模块(如液晶驱动器、看门狗、A/D转换器、硬件乘法器、模拟比较器等)集成到片内，特别适合于设计片上系统。,在超低功耗方面，MSP430能够实现在1.83.6 V电压和1 MHz的时钟条件下运行，耗电电流(0.1400 A之间)因不同的工作模式而不同，如在液晶显示的条件下，其耗电只有0.8 A。MSP430在应用中的典型情况有：在4 kHz，2.2 V条件下工作消耗电流为2.5 A；在1 MHz，2.2 V条件下工作消耗电流为280 A；在只有RAM数据保持的低功耗模式下工作消耗电流只有0.1 A。在运算速度方面，MSP430系列单片机能在8 MHz晶体
11、的驱动下实现125 ns的指令周期。16位的数据宽度以及采用多功能的硬件乘法器(能实现乘加)，能实现数字信号处理的某些算法，如FFT等。,2. EM单片机 EM公司推出的超低功耗单片机有EM6812、EM6603、EM6621、EM6680、EM6617、EM6540、EM6682等一系列品种。如8位的超低功耗单片机EM6812，主要在以电池供电并长时间工作的产品中应用，内置的掉电检测和电源检测功能可确保设备工作在低电压环境。EM6812采用的是RISC内核结构，执行每条指令只需2个时钟周期。在使用5 MHz晶振时，EM6812能达到2.5 MIPS的速度，并能达到2200MIPS/W，同时内
12、部集成了看门狗、88 bit硬件乘法器、16个独立可编程双向I/O口、6个大电流输出端口(可达到20 mA)、SPI接口(软件可编程串口)、16个内部寄存器、4级堆栈等。,在超低功耗方面，EM6812能够在宽电压范围（2.05.5 V）内工作，工作电流为0.16120 A。EM6812的各参数因工作模式不同而不同，典型情况有：25、3 V、1 MHz条件下，工作电流为120 A；25、3 V、1 MHz待机模式下，当RC振荡器开启时，工作电流为6 A，当RC振荡器关闭时，工作电流为0.8 A；25、1.5 V、32 kHz休眠模式下，工作电流为0.16 A。除此之外，EM6603的工作电压是1
13、.23.6 V，在3 V、32 kHz条件下，工作电流为1.8 A，其内部集成有RC振荡器、ROM、RAM、定时器等；EM6621的工作电压为1.23.6 V，在3 V、32 kHz条件下，工作电流为2.6 A，其内部集成有RC振荡器、ROM、RAM、定时器、PWM、LCD DRIVER等；EM6680的工作电压是1.23.6 V，在3 V、32 kHz条件下，工作电流为4 A，其内部集成有RC振荡器、ROM、RAM、定时器、PWM等。,3. Motorola单片机 Motorola是世界上较大的单片机生产商之一，其单片机具有品种全、选择余地大、新产品多的特点。它在低功耗的8位单片机中有68H
14、C05和68HC08系列，16位机有68HC16等十多个品种，32位机有683XX系列。,HCS08系列单片机是Motorola最新的8位超低功耗单片机，其工作电压为1.8 V。HCS08系列单片机的性能与许多16位MCU相当，但功耗很低。以HCS08GT60单片机为例，其工作电压可以在1.83.6 V之间选择，有WAIT和STOP两种低功耗模式。STOP模式可细分为STOP3、STOP2和STOP1三种，功耗依次降低。在WAIT模式下，CPU停止运行，但其它外围模块并不断电，因此系统随时可以响应各种中断。在STOP1模式中，唤醒CPU只能通过IRQ中断或复位信号，由于无法提供时钟节拍，内核的
15、任务调度无法实现。而在STOP2和STOP3中，RTI都可以作为系统的唤醒中断源，内核可以使用RTI作为时钟节拍。STOP2模式与STOP3模式相比功耗更低，但是，在STOP2模式下I/O寄存器是关闭的，必须在进入模式之前将I/O寄存器的值保存在RAM中，而在唤醒之后再从RAM拷贝到I/O寄存器。唤醒STOP2可以使用IRQ、复位信号和RTI。在STOP3模式下，RAM和I/O寄存器内容将保持。另外，除STOP2模式允许的唤醒中断源外，还允许键盘中断唤醒CPU。HCS08GT60的三种STOP模式如表1-1所列。,表1-1 三种STOP子模式的特点,4 . Epson单片机 Epson单片机以
16、低电压、低功耗和内置LCD驱动器为特点，具有较高的性价比。其低功耗产品包括4位、8位单片机。4位单片机更是“舍全而从专”，从而具有更高的集成度、更低的功耗。比如，E0C60系列、E0C62系列以及E0C63系列均为4位单片机。E0C62系列单片机集成了ROM、RAM、LCD驱动器、SVD电源电压检测电路、ADC单元、多功能定时器、多引脚I/O等。根据不同的用途可以选择不同的外围电路，制成专用单片机。以E0C6240点阵LCD显示单片机为例，该机工作电压为2.25.5 V，工作时电流为801000 A，而等待时电流仅为22.5 A，功耗极低。,5. MICROCHIP单片机 美国微芯科技公司是全球领先的单片机和模拟半导体供应商。其8位和16位PIC单片机系列具有高性能、低成本和封装体积小等特点。8位PIC单片机采用RISC内核，其架构使用户无需改变代码或只需改变少量代码，即可轻松地在6引脚至100引脚的各种封装形式的单片机系列之间移植。产品
