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1、第11章 低功耗单片机系统的设计,许多现代电子设备，如家用电器、视频音像系统中，普遍采用遥控操作，在不使用时，大都处于待机状况下。据有关部门统计，目前，许多家用电器在备用状态下耗费的电量已超过实际使用中消耗的电量。据报道，美国家用电器每年在备用状态下浪费的能源达10亿美元。采用低功耗设计不仅能减少使用中的功耗，而且可以大大减少备用状态下的功耗。许多低功耗设计大多采用最大静态化设计，在节省能源的同时，也减少电磁污染。 低功耗设计技术有利于电子系统向便携化发展。便携式电脑、笔记本电脑便是低功耗系统设计的成果。现代电子系统便携化拓宽了它的应用领域。 低功耗系统设计不可避免要走全CMOS化道路和功耗管
2、理的道路。在数字电路中，CMOS电路有较大的噪声容限；在功耗管理中，常采用的休眠、掉电以及电源关闭等方式；在这些方式下，系统对外界噪声失敏，大大减少了系统因噪声干扰产生的出错概率。低功耗系统设计应该成为电子系统设计工程师的一项基本设计技能。 低功耗系统设计涉及方面很多，其中有硬件设计方面的内容，也有软件设计方面的内容。硬件设计主要是器件选择和电路设计，软件设计主要是根据系统的运行状况对系统中的器件进行功耗管理，包括CPU自身的功耗管理。,第11章 低功耗单片机系统的设计,11.1 低功耗单片机系统的特点 低功耗单片机系统由于应用在一些特定的场合，因而具有以下特点： 1首先要求仪器体积小，重量轻
3、，便于携带。现代微电子学的迅猛发展，各种电路的集成度越来越大，而且各种高效专用集成电路的大量问世，使仪器、仪表的电子元件的个数大大地减少，仪器的体积也就越来越小，重量越来越轻。 2通常用于不适宜用交流供电的场合，各种电池（瓶）就成为它主要的供电手段。现代各种小体积高容量电池的涌现，各种高效率直流直流电源变换器（DCDC电源变换器）集成电路的出现，以及各种低压供电的集成电路的使用，采用电池供电的仪器仪表也就越来越多。 3采用了低功耗电路设计方法，以低功耗为主要技术指标。它除了选用各种低功耗的器件和芯片外，在满足速度等指标的前提下，进行降低功耗的硬件电路设计和软件设计，以使单片机系统运行的功耗尽可
4、能小。 4采用LCD液晶显示器。系统只能采用微功耗的LCD液晶显示器。现在市场上各种面积的笔划式液晶显示器和点阵式字符或图形液晶显示器，可以满足各种智能仪器仪表的需要。,第11章 低功耗单片机系统的设计,11.2 低功耗单片机系统的器件选择 低功耗系统设计中，器件选择是基础。选择的器件不仅要求本质功耗低，而且具有良好的功耗控制功能。 早期CMOS电路由于运行速度慢，无法取代TTL电路。高速CMOS电路出现后，74HC、74AHC的基本性能已超过TTL电路，表11-1中列举了74HC、74AHC与74LS、74ALS集成电路的主要参数。从表中可以看出，高速CMOS器件的静态功耗比TTL器件的静态
5、功耗要低67个数量级，CMOS器件的静态功耗几乎可以忽略不计；高速CMOS器件的动态功耗也只有TTL器件动态功耗的十分之一。表中74AHC是74HC的增强型；74ALS是74LS的增强型。选择CMOS数字逻辑器件不仅能满足本质低功耗及功耗管理要求，而且还可提高系统的抗干扰能力，并且良好的输出驱动能力和微小的输入驱动电流，使系统的驱动设计变得十分简单。,表11-1 74HC与74LS的主要特性比较,第11章 低功耗单片机系统的设计,目前单片机已普遍采用高速CMOS工艺，应用系统设计时，不再选用非高速CMOS单片机。在设计低功耗单片机系统时，主要考虑单片机的本质功耗与功耗管理性能；单片机的外围器件
6、也要考虑其功耗与功耗管理性能，一般采用高速CMOS工艺的外围器件。 目前低功耗的单片机有INTEL公司的80C31/80C51/87C51 八位单片机，80C196十六位单片机；PHILIPS公司的80C51衍生系列八位单片机；MOTOROLA公司的MC68HC05系列八位单片机及MC68HC11系列八位单片微机；NS公司的COP4000系列四位单片机；COP8000系列八位单片机；HPC系列十六位单片机；MI-CROSHIP公司的PIC系列八位单片机；TI公司的MSP430系列十六位单片机以及MSP430FLx子系列十六位单片机。 常用的低功耗外围器件有74HC、74AHC、4000系列，以
7、及HCMOS的存储器和带C标的接口电路，HCMOS的存储器包括ROM芯片27C32、27C64、27C128、27C256、27C512等；静态RAM芯片6116、6264、62256等；EEPROM芯片有28C64等。带C标的接口芯片有81C55、82C55、82C53等。 具有自动关闭功能的器件，如RS-232接口器件MAX3212/3218/322l/3223/3224/3238，在无数据通讯时，自动关闭，其关闭状态电流可减少到1A；具有零功耗管理功能的Flash存储器AM29SL800B，在读写期间才激活芯片，待机状态的功耗极小；以上两类芯片的功耗管理由器件内部自动完成。,第11章 低
8、功耗单片机系统的设计,编程控制功耗的器件，这些低功耗运行管理是通过编程控制实现的，即在控制命令中设置低功耗方式位来管理器件的运行功耗。通过这些功耗控制位的设置降低运行速度、关闭部分电路或电源来实现低功耗运行。例如，CMOS工艺、功耗可控的串行接口双通道土14位模数转换器MAX110，在正常转换速度tCON20ms下，运行功耗为550A，该器件具有可编程的控制功耗，在16位的控制命令中，有两个掉电控制位PXD和PD。置位PXD时，关闭RC振荡器电源；置位PD时，关闭模拟电路电源。采取上述功耗管理的编程控制时，MAX110的关断电流可下降到4A。 具有功耗管理端口控制的外围器件，其低功耗运行方式是
9、通过外部端口电平控制，来关闭相应电路，使之静态工作，降低功耗。目前，许多CMOS外围器件都设置有外部关断的低功耗运行方式，例如，有一个外部掉电控制端口的模数转换器MAXl52，掉电引脚为低电平时，MAXl52停止运行，静态功耗仅为1A，再如，经常用于为系统中Flash存储器提供12 V编程电压的DC/DC器件MAX662A，可以通过外部控制端关闭DC/DC的输出，使MA662A进入静态工作，静态电流为0.5A。,第11章 低功耗单片机系统的设计,11.3 低功耗单片机系统的电路设计 低功耗器件的选用对低功耗单片机系统固然重要，电路设计对功耗的影响也不可忽视。电路设计的原则，从器件原理出发，本着
10、降低功耗的目的，从以下几个方面设计电路。,1.降低CMOS器件供电的电压和运行频率 由表11-1可知，CMOS器件的静态功耗很小，它的功耗主要来自动态功耗，而与动态功耗有关的参数主要是工作电压与逻辑转换频率，因此，降低器件的功耗途径主要是对器件工作电压和逻辑转换频率的控制。 CMOS电路允许有较宽范围的工作电压，而且其接近满度的逻辑电平输出特性（即输出电平接近工作电压）有利于大幅度降CMOS电路的工作电压。图11-1表示了不同工作电压下的功耗水平。可以看出，降低工作电压可大幅度降低CMOS电路的动态功耗。,图11-1 器件的供电压与对功耗的影响,第11章 低功耗单片机系统的设计,不随意提高器件
11、的时钟频率是降低器件功耗的另一重要途径。图11-2给出了两种工作电压下，单片机工作电流与时钟频率的关系87C51FB工作电压为5V，87L5lFB工作电压为3 V，在相同的工作电压下，时钟频率降低后，功耗会大幅度下降。,图11-2 不同工作电压下时钟频率对功耗的影响,2.尽量减少器件不必要的电平翻转 如前所述，CMOS器件的功耗主要来自动态功耗，而动态功耗就是器件逻辑电平翻转期间产生的功耗，图11-3给出了CMOS的非门电路在逻辑电平翻转期间的电流波形图。由图可见，器件在电平翻转期间有较大的电流，因此降低器件功耗的另一个方法就是减少器件不必要的电平翻转。例如在系统设计时，用了器件74HC04，
12、该器件内部有6个非门，而系统仅用了3个非门，另外3个非门处于空闲状态，如让空闲非门的输入引脚悬空，由于CMOS 的输入阻抗很高，空闲状态的非们可能在外电场的干扰下产生逻辑电平的翻转，从而增加器件的功耗。为减少这种无谓的功耗，可以将器件不用的输入引脚接低电平或高电平。,第11章 低功耗单片机系统的设计,3.具有功耗控制功能器件控制电路 从时间的微观来看。系统中的器件不是每时每刻都在工作的，在器件不工作期间，要设法减少器件的功耗。例如，3V供电，转换时间为1.8s的8位模数转换器MAXl52有一个外部掉电控制端口 。正常运行（ 为高电平）时功耗电流为1 mA， 引脚为低电平时，,MAXl52停止运
13、行，静态功耗仅为1A。再如，为系统中Flash存储器提供12 V编程电压的DC/DC器件MAX662A，将4.755.5V电压提升到12V输出。该器件具有外部关断功能。MAX622A本身消耗的工作电流为185A，当外部控制端SHDN（Shut Down）为高电平时，DC/DC输出关断，使MA662A进入静态工作，静态电流为0.5A。 对以上的两种器件，在电路设计时，要把器件的功耗控制端口连接到单片机，器件不工作期间由单片机实现对器件的功耗控制。,第11章 低功耗单片机系统的设计,4.无功耗控制功能的器件要设计电源管理电路 在单片机应用系统中，有许多外围器件没有功耗控制端口，也不能实现对其编程控
14、制，甚至器件还不是CMOS器件；对这类外围器件，可采用用电源管理的方法来降低功耗。所谓电源管理就是关断器件的供电电源。电源的关断控制是对无功耗管理功能的器件或电路实现功耗管理既方便又有效的办法。这是一个十分有效的低功耗设计方法。但是，采用这种办法时要考虑以下几个方面的内容：,（1）受控电路要具有相对的独立性，即关断受控电路时，不影响其它电路工作； （2）受控电路工作时间与空闲时间呈周期性的集中分布，即在一个周期中，工作时间集中在一起，空闲时间集中在一起； （3）要考虑电源上电的过渡时间及电路输出的稳定时间，即在受控电路开始工作时，要提前一段时间开启受控电路的电源。,图11-4电源管理示意图,第
15、11章 低功耗单片机系统的设计,电源管理是低功耗系统设计的重要一环。为了实现电源管理，系统中电路的供电要按电源管理的要求，进行电源的区划设计。图11-4给出了系统区划供电的示意，所有不需电源管理的电路，由一个电源U0供电；需要进行电源管理的电路，由可关断电源供电。若系统中有几部分电路需要进行电源管理，一般这几部分电路都是分时工作的，在条件许可的情况下，可分别设计供电的电源，如图中的U1 。Un，可关断电源受C1 。Cn分别控制，以进一步提高电源管理的效率。 5.高效率的电源系统设计 单片机应用系统中的许多器件需要有稳定的电压才能正常工作，因此，稳压电路是低功耗系统不可缺少的重要组成部分。稳压电
16、源的效率对低功耗系统的功耗影响极大。稳压电路大致分为线性稳压电路和开关稳压电路。线性稳压电路的效率一般都在70%以下，而开关稳压电路的效率可以达到90%，甚至更高。因此，低功耗系统中的稳压电源应当尽量采用开关稳压电路，尤其是负载电流较大的场合。,第11章 低功耗单片机系统的设计,5采用RS232串行通信接口。由于不少低功耗单片微机系统作为野外工作的数据采集器，测量数据都要送入通用微型计算机去进一步处理，单片机系统应具有串行口。低功耗单片微机系统都设计有RS232C串行通信接口，以便向通用微型计算机传输数据。 6通常不配备打印机。受功耗、体积和重量的限制，低功耗单片微机系统通常都不配备打印机。需要打印的数据可利用系统的存储器先将数据储存起来，再利用RS232串行通信接口将数据传送给通用微型计算机，由通用微型计算机进行打印。 7具有存贮数据的能力。低功耗单片机系统做成的智能仪表在很多情况下都是作为工作站的便携式检测仪表，它本身缺乏大规模的数据处理能力，仅作为野外工
