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1 引言 在控制終端系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，當(dāng)系統(tǒng)要求整體功耗偏低時(shí)，C8051系列單片機(jī)是一個(gè)最佳的選擇，它們擁有靈活的時(shí)鐘硬件，使系統(tǒng)能夠方便地在高效運(yùn)作模式與低功耗模式間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，智能的電源管理模式能夠在正常工作及待機(jī)狀態(tài)自由切換，從而降低整個(gè)系統(tǒng)的能量損耗，當(dāng)工作頻率低于10kHz時(shí)，時(shí)鐘丟失檢測器（MCD）能夠引發(fā)系統(tǒng)產(chǎn)生復(fù)位，確保系統(tǒng)工作的安全可靠。 2 C8051F各部分組件的功耗 當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)對(duì)功耗要求嚴(yán)格時(shí)，可以在硬件電路建立前首先粗略計(jì)算一下整個(gè)系統(tǒng)所需的功耗，由于C8051F系列單片機(jī)為數(shù)模混合SOC系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)整個(gè)設(shè)計(jì)的大部分功能，因此整個(gè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的功耗將主要集中在C8015F系列單片機(jī)的能量消耗上。 整個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)的功耗應(yīng)該由4部分組成，振蕩器功耗、數(shù)字設(shè)備功耗、模擬外設(shè)功耗及I/O端口功耗，振蕩器功耗包括內(nèi)部振蕩器的功耗以及外部振蕩器功耗，數(shù)字設(shè)備能量消耗主要由CPU的工作模式，工作電壓及系統(tǒng)時(shí)鐘頻率決定，溫度與數(shù)字外圍設(shè)備對(duì)數(shù)字設(shè)備的功耗影響很小，模擬外圍設(shè)備功耗主要包含ADC，電壓基準(zhǔn)VREF、溫度傳感器、偏壓發(fā)生器及內(nèi)部振蕩器，比較器也有少量的能量功耗。 2.1 振蕩器功耗分析 外部振蕩器具有很好的可配置性，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)者提供了多種選擇。時(shí)基信號(hào)可以從外部CMOS電平時(shí)鐘源、晶振或陶瓷諧振器、RC組合電路或外部電容獲得，每一種方法都有各自的優(yōu)勢，由于振蕩器可以靈巧地在各種方式中轉(zhuǎn)換，因此可以通過改變振蕩器來降低功耗，對(duì)外部振蕩器來說，外部CMOS時(shí)鐘，電容和RC網(wǎng)絡(luò)都能夠提供較低的振蕩頻率。 （1）外部CMOS時(shí)鐘 當(dāng)工作于外部振蕩器CMOS時(shí)鐘模式時(shí)，外部振蕩器驅(qū)動(dòng)被關(guān)閉，電路功耗電流微小可以近似忽略，XTAL2輸出的時(shí)基信號(hào)可以用作CPU、計(jì)時(shí)器、PCA或其他外圍設(shè)備的時(shí)鐘源，注意，即使在某一端口應(yīng)用了高頻信號(hào)，功耗仍只有少量的增加。 （2）外部晶振 外部晶振提供了最精確的時(shí)間基準(zhǔn)，但隨之而來的功耗在同一頻率下也更高，外部晶振依賴于晶振頻率和振蕩器驅(qū)動(dòng)電路（XFCN）。 （3）外部電容C模式 外部電容模式通過將一個(gè)電容連接到XTAL2為系統(tǒng)提供低功耗時(shí)鐘，這是精度最差的一種時(shí)基方式，但同時(shí)也是最靈活的一種方式，只用一個(gè)電容元件就可以提供8種不同的工作頻率，最高頻率幾乎可達(dá)最低頻率的3000倍，可以通過改變?cè)贠SCXCN寄存器中的XFCN位改變其振蕩的頻率，并直接影響其輸出的電流，外部電容方式下的時(shí)基精度主要由電容的誤差和流過XTAL2的內(nèi)部電流源的精度決定。 （4）外部振蕩RC模式 RC模式與電容模式十分相似，區(qū)別在于外部電容方式下電容的充電電流由接到XTAL2的內(nèi)部可編程電流源提供，并且在RC模式下充放電電路除了包含電容外還要通過一個(gè)外部電阻器。RC模式振蕩電路的平均功耗由通過電阻器的平均電流所決定，電阻器上的壓降成指數(shù)倍大小，其波形可以簡化為三角波來估計(jì)平均值。 通常，設(shè)計(jì)者可以通過合理地選擇時(shí)鐘源達(dá)到降低功耗的目的，內(nèi)部振蕩器消耗數(shù)字電源電流的典型值為200μA，用于驅(qū)動(dòng)外部振蕩器的電流是變化的，對(duì)于一個(gè)外部振蕩源（如晶振），驅(qū)動(dòng)電流（由模擬電源提供）用軟件通過配置外部振蕩器控制寄存器OSCXCN的XFCN位來設(shè)置，在驅(qū)動(dòng)電流較大時(shí)用戶可以使用內(nèi)部振蕩器以降低功耗。 2.2 數(shù)字設(shè)備的功耗分析 數(shù)字設(shè)備的能量消耗主要是由CPU電流的大小來衡量的，CPU的電源模式是決定CPU電流大小、工作電壓及系統(tǒng)時(shí)鐘頻率的關(guān)鍵因素，通常，溫度和數(shù)字外圍設(shè)備對(duì)數(shù)字設(shè)備的功耗只有很小的影響。 （1）CPU電源管理模式 CPU有3種操作模式：正常狀態(tài)，空閑狀態(tài)與停止?fàn)顟B(tài)。通常，空閑狀態(tài)的平均電流值受控于內(nèi)部振蕩器，正常模式時(shí)的電流值減去空閑模式時(shí)的電流值即為CPU正常運(yùn)行的工作電流值。當(dāng)寫1到IDLE位時(shí)，CPU結(jié)束指令周期進(jìn)入低功耗模式，直到被中斷或復(fù)位喚醒。在空閑模式下，所有的模擬與數(shù)字外圍設(shè)備、存儲(chǔ)器與內(nèi)部寄存器都保持原來的值不變，被喚醒后，CPU開始從設(shè)置空閑方式選擇位指令的下一條指令開始執(zhí)行，當(dāng)寫1到STOP位時(shí)，CPU進(jìn)入停機(jī)模式，設(shè)置停機(jī)模式后，當(dāng)前指令被執(zhí)行完畢，內(nèi)部振蕩器及所有的數(shù)字外圍設(shè)備全部停止工作，模擬外設(shè)（如比較器與外部振蕩器）保留其當(dāng)前的狀態(tài)。在停止?fàn)顟B(tài)，MCU消耗最少的電流。 （2）CPU工作電壓、頻率及溫度對(duì)功耗的影響 工作電壓：CPU的工作電流會(huì)隨著供電電壓的升高而增加，這種關(guān)系存在于任意一種工作頻率下，尤其在高頻運(yùn)行時(shí)表現(xiàn)得更為明顯，理論上提供電壓最小可達(dá)到2.7V，但由于電壓調(diào)整本身有±10%的誤差率，因此系統(tǒng)通常供電電壓不會(huì)低于3V。 溫度：溫度對(duì)系統(tǒng)的功耗無影響。 工作頻率：CPU工作頻率對(duì)系統(tǒng)功耗有主要影響，在CMOS數(shù)字邏輯器件中，功耗與系統(tǒng)時(shí)鐘SYSCLK頻率成正比： 功耗=CV2f 式中：C是CMOS的負(fù)載電容；V是電源電壓，f是SYSCLK的頻率。 因此，為了降低功耗，設(shè)計(jì)者必須知道給定系統(tǒng)所需的最高SYSCLK頻率和精度，某些設(shè)計(jì)可能需要其系統(tǒng)時(shí)鐘頻率在全部工作時(shí)間內(nèi)保持不變，在這種情況下，設(shè)計(jì)者將選擇滿足要求的最低頻率，并采用消耗最低功耗的振蕩器配置。 2.3 數(shù)字外圍設(shè)備與I/O接口的功耗分析 數(shù)字外圍設(shè)備（計(jì)數(shù)器、UART、PCA、SPI）的損耗占系統(tǒng)總功耗的比例很小，舉個(gè)例子，當(dāng)C8051F單片機(jī)工作在3.06MHz（內(nèi)部振蕩器8分頻），3V電壓時(shí)，沒有一個(gè)數(shù)字外圍設(shè)備端口的工作電流超過700μA，而在啟動(dòng)計(jì)數(shù)器作為UART0數(shù)據(jù)傳輸時(shí)鐘后，系統(tǒng)的工作電流會(huì)增加18μA，這里，計(jì)數(shù)器與UART的功率損耗主要由其時(shí)鐘頻率及工作電壓來決定，利用交叉開關(guān)配置通過I/O口為推挽模式，也能夠影響功耗的大小，在上述例子中，如果利用交叉開關(guān)將UART0的TX端分配到P0.4口，則配置端口為推挽模式將令系統(tǒng)的工作電流再增加82μA，輸出引腳的功耗由連接在該引腳的外部電流頻率決定。 2.4 模擬外圍設(shè)備的功耗 模擬外圍設(shè)備功耗是ADC、溫度傳感器、內(nèi)部偏置電壓產(chǎn)生器及內(nèi)部振蕩器的功耗和，通常，只要ADC、內(nèi)部振蕩器或溫度傳感器被激活，內(nèi)部偏置電壓產(chǎn)生器就會(huì)自動(dòng)被使能。ADC在轉(zhuǎn)換期間的工作電流比ADC沒有轉(zhuǎn)換時(shí)的工作電流大30%-50%，SAR轉(zhuǎn)換時(shí)鐘頻率與采樣頻率也影響了功耗的大小，由于增加SAR轉(zhuǎn)換時(shí)鐘頻率或降低采樣率會(huì)縮短每次A/D轉(zhuǎn)換的時(shí)間，使系統(tǒng)在轉(zhuǎn)換間隙有更多的時(shí)間處于空閑狀態(tài)，因此會(huì)大大降低系統(tǒng)功耗。 3 降低功耗的幾點(diǎn)考慮 要降低系統(tǒng)的平均功耗，需要從兩個(gè)方面考慮：首先是適當(dāng)調(diào)整在所有時(shí)間一直影響系統(tǒng)工作的參數(shù)，通常工作電壓是重要考慮的參數(shù)，工作電壓決定了系統(tǒng)是否能夠處于正常運(yùn)作狀態(tài)，它可以由電壓調(diào)整器或一個(gè)電池來提供，對(duì)于一個(gè)節(jié)能系統(tǒng)，工作電壓應(yīng)該被最小化，以節(jié)約能量。第二點(diǎn)就是構(gòu)建合理的固件結(jié)構(gòu)以降低功耗，要為系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩個(gè)工作模式：一個(gè)為高效的運(yùn)作模式；另一個(gè)則是以降低功耗為目的的睡眠模式，兩個(gè)模式的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不同，但應(yīng)盡量讓系統(tǒng)在大部分時(shí)間內(nèi)處于睡眠模式，以降低系統(tǒng)的總功耗，下面詳細(xì)討論這兩個(gè)方面的設(shè)計(jì)。 3.1 降低工作電壓、減少工作電流 工作電壓對(duì)系統(tǒng)的總功耗起著舉足輕重的作用，對(duì)于節(jié)能系統(tǒng)、應(yīng)該盡量在保證系統(tǒng)安全可靠的前提下采用最低的工作電壓。通常電壓調(diào)制器會(huì)有10%的誤差率，因此在設(shè)計(jì)工作電壓時(shí)地最低的工作電壓應(yīng)該為3V，此時(shí)電壓調(diào)制器的輸出電壓在2.7V與3.3V之間，也可以選擇用電池。在這里推薦使用鋰電池，鋰錳二氧化氮電池能夠無須任何調(diào)節(jié)地輸出穩(wěn)定的2.85V電壓，并且該電池能夠直接連接到設(shè)備的電源引腳，無須擔(dān)心電池耗盡時(shí)會(huì)對(duì)系統(tǒng)工作有不良的影響，因此C8051F系列單片機(jī)中，片上電源監(jiān)控器能夠確保在電池耗盡后系統(tǒng)自動(dòng)復(fù)位。 由于工作電壓通常是恒定的，因此經(jīng)常通過減小平均電流來降低系統(tǒng)的總功耗，平均工作電流是系統(tǒng)在單位時(shí)間內(nèi)消耗的電荷量，對(duì)一個(gè)系統(tǒng)來說，其總的運(yùn)行時(shí)間應(yīng)該被分為兩個(gè)部分——高效工作期與低功耗休眠期，如圖1所示，高效工作期的工作電流偏大，而休眠期的電流非常小，平均工作電流是系統(tǒng)在這兩部分時(shí)間的總電荷量與時(shí)間相除所得的平均值，因此如果想減小平均電流值，唯有通過兩種方法解決——縮短高效工作期的時(shí)間或減小高效工作期的峰值電流，設(shè)計(jì)者應(yīng)該盡量從這兩方面著手設(shè)計(jì)系統(tǒng)，以達(dá)到降低總功耗的目的。 可以通過設(shè)計(jì)低功耗休眠模式，令系統(tǒng)在非工作期一直處于低消耗狀態(tài)，從而達(dá)到減小整個(gè)系統(tǒng)工作電流的目的。休眠模式可以通過將電源管理模式設(shè)定為空閑或停止?fàn)顟B(tài)來實(shí)現(xiàn)，通常會(huì)設(shè)定空閑模式，因?yàn)樵撃Ｊ礁菀妆换謴?fù)，需要注意的是，在休眠模式下應(yīng)該關(guān)閉所有不需要的外圍設(shè)備，并配置休眠模式的時(shí)鐘為外部振蕩器，因?yàn)橥獠空袷幤髂軌蚪箖?nèi)部振蕩器的振蕩，并能以非常低的時(shí)鐘基準(zhǔn)進(jìn)行振蕩，這里有兩個(gè)可選的振蕩器：36.728kHz晶振與單電容模式外部振蕩器。 外部電容模式振蕩器消耗的功耗比晶振低，但沒有晶振精確。其優(yōu)勢在于能夠使鐘控外圍設(shè)備（如定時(shí)器）的頻率低度低于10kHz，同時(shí)由于其組成只包含1個(gè)電容，相比于晶振的2個(gè)裝載電容及1個(gè)電阻器結(jié)構(gòu)，能夠節(jié)省PCB板的空間，若在設(shè)計(jì)中使用了高頻晶振，則可將裝載電容連接到XTAL2引腳，作為外部振蕩器使用，并可在C模式下為休眠模式提供一個(gè)較低頻率的時(shí)鐘。 3.3 設(shè)計(jì)一個(gè)高效運(yùn)作模式 高效運(yùn)作模式的設(shè)計(jì)應(yīng)該以盡可能縮短完成作業(yè)所需時(shí)間為標(biāo)準(zhǔn)，使得系統(tǒng)能夠盡快地恢復(fù)到休眠模式，模式的設(shè)計(jì)包括調(diào)整工作電流的峰值以及時(shí)鐘頻率，以減小高效工作期間的總電荷量，通常在高效工作模式下使用內(nèi)部振蕩器，更有益于系統(tǒng)總功耗的降低。 下面以ADC采樣為例，比較、分析兩種設(shè)計(jì)中系統(tǒng)功耗的消耗率情況。 片上溫度傳感器以10Hz速率采樣，系統(tǒng)的外部晶振連接到XTAL與XTAL2之間，定時(shí)器2每100ms溢出產(chǎn)生一個(gè)中斷，將系統(tǒng)從空閑模式喚醒。當(dāng)系統(tǒng)被激活后，系統(tǒng)捕捉ADC采樣數(shù)據(jù)，然后重新返回空閑模式，直到下一個(gè)中斷發(fā)生。 由于該系統(tǒng)是電池供電，因此系統(tǒng)應(yīng)盡量減少每次A/D采樣所消耗的電荷，由于電荷量是一段時(shí)間內(nèi)電流的總量，因此可以通過縮短采樣時(shí)間或減小采樣時(shí)的峰值電流來節(jié)約能量。也就是說，在捕捉ADC采樣數(shù)據(jù)時(shí)，系統(tǒng)可以選擇轉(zhuǎn)換到3MHz的內(nèi)部振蕩器，在短時(shí)間內(nèi)使用大的電流，或是用外部32kHz的晶振作為系統(tǒng)振蕩器，使單片機(jī)在長時(shí)間內(nèi)使用較小的電流值。 根據(jù)以上分析，進(jìn)行了兩種設(shè)計(jì)，一種設(shè)計(jì)是在采樣時(shí)一直采用外部32.768kHz晶振作為系統(tǒng)時(shí)針基準(zhǔn)，另一種設(shè)計(jì)是在采樣時(shí)將振蕩器轉(zhuǎn)換到內(nèi)部振蕩器，以縮短A/D轉(zhuǎn)換的時(shí)間，兩個(gè)系統(tǒng)在不采樣時(shí)都處于同樣的空閑模式。 第1個(gè)系統(tǒng)從空閑模式被喚醒后，系統(tǒng)直接啟動(dòng)了ADC設(shè)備開始采樣，系統(tǒng)沒有轉(zhuǎn)換到內(nèi)部振蕩器，而是仍采用原來的32kHz晶振作為系統(tǒng)的時(shí)鐘基準(zhǔn)，A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后，系統(tǒng)讀取采樣值，關(guān)閉ADC并重新進(jìn)入空閑模式，為了捕捉采樣數(shù)據(jù)，系統(tǒng)在峰值工作電流0.65mA上持續(xù)了1.5ms，第2個(gè)系統(tǒng)從空閑模式被喚醒時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)內(nèi)部振蕩器與ADC，轉(zhuǎn)換系統(tǒng)時(shí)鐘基準(zhǔn)為內(nèi)部振蕩器8分頻模式，并開始ADC轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完成后，讀ADC數(shù)據(jù)，而后停止ADC及內(nèi)部振蕩器并令CPU回到空閑模式，為了捕捉ADC采樣數(shù)據(jù)，系統(tǒng)在峰值工作電流2.2mA上持續(xù)了400μs，利用公式： 從這個(gè)離子可以看出，在系統(tǒng)高效工作時(shí)提高系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率能夠減小系統(tǒng)的平均工作電流，從而降低系統(tǒng)的總功耗。 |
