單片機嵌入式系統(tǒng)低功耗設計
在嵌入式應用中，系統(tǒng)的功耗越來越受到人們的重視，這一點對于需要電池供電的便攜式系統(tǒng)尤其明顯。降低系統(tǒng)功耗，延長電池的壽命，就是降低系統(tǒng)的運行成本。
選用具有低功耗特性的單片機可以大大降低系統(tǒng)功耗。可以從供電電壓、單片機內部結構設計、系統(tǒng)時鐘設計和低功耗模式等幾方面考察一款單片機的低功耗特性。
1.選用盡量簡單的CPU內核
在選擇CPU內核時切忌一味追求性能。8位機夠用，就沒有必要選用16位機，選擇的原則應該是“夠用就好”。現(xiàn)在單片機的運行速度越來越快，但性能的提升往往帶來功耗的增加。一個復雜的CPU集成度高、功能強，但片內晶體管多，總漏電流大，即使進入STOP狀態(tài)，漏電流也變得不可忽視；而簡單的CPU內核不僅功耗低，成本也低。
2.選擇低電壓供電的系統(tǒng)
降低單片機的供電電壓可以有效地降低其功耗。當前，單片機從與TTL兼容的5V供電降低到3.3V、3V、2V乃至1.8V供電。供電電壓降下來，要歸功于半導體工藝的發(fā)展。從原來的3μm工藝到現(xiàn)在的0.25、0.18、0.13μm工藝，CMOS電路的門限電平閾值不斷降低。低電壓供電可以大大降低系統(tǒng)的工作電流，但是由于晶體管的尺寸不斷減小，管子的漏電流有增大的趨勢，這也是對降低功耗不利的一個方面。
目前，單片機系統(tǒng)的電源電壓仍以5V為主，而過去5年中，3V供電的單片機系統(tǒng)數(shù)量增加了1倍，2V供電的系統(tǒng)也在不斷增加。再過五年，低電壓供電的單片機數(shù)量可能會超過5V電壓供電的單片機。如此看來，供電電壓降低將是未來單片機發(fā)展的一個重要趨勢。
3.選擇帶有低功耗模式的系統(tǒng)
低功耗模式指的是系統(tǒng)的等待和停止模式。處于這類模式下的單片機功耗將大大小于運行模式下的功耗。過去傳統(tǒng)的單片機，在運行模式下有wait和stop兩條指令，可以使單片機進入等待或停止狀態(tài)，以達到省電的目的。
等待模式下，CPU停止工作，但系統(tǒng)時鐘并不停止，單片機的外圍I/O模塊也不停止工作；系統(tǒng)功耗一般降低有限，相當于工作模式的50%～70%。
停止模式下，系統(tǒng)時鐘也將停止，由外部事件中斷重新啟動時鐘系統(tǒng)時鐘，進而喚醒CPU繼續(xù)工作，CPU消耗電流可降到μA級。在停止模式下，CPU本身實際上已經不消耗什么電流，要想進一步減小系統(tǒng)功耗，就要盡量將單片機的各個I/O模塊關掉。隨著I/O模塊的逐個關閉，系統(tǒng)的功耗越來越小，進入停止模式的深度也越來越深。進入深度停止模式無異于關機，這時的單片機耗電可以小于20nA。其中特別要提示的是，片內RAM停止供電后，RAM中存儲的數(shù)據(jù)會丟失，也就是說，喚醒CPU后要重新對系統(tǒng)作初始化。因此在讓系統(tǒng)進入深度停止狀態(tài)前，要將重要系統(tǒng)參數(shù)保存在非易失性存儲器中，如EEPROM中。深度停止模式關掉了所有的I/O，可能的喚醒方式也很有限，一般只能是復位或IRQ中斷等。
保留的I/O模塊越多，系統(tǒng)允許的喚醒中斷源也就越多。單片機的功耗將根據(jù)保留喚醒方式的不同，降至1μA至幾十μA之間。例如，用戶可以保留外部鍵盤中斷，保留異步串行口（SCI）接收數(shù)據(jù)中斷等來喚醒CPU。保留的喚醒方式越多，系統(tǒng)耗電也就會多一些。其他可能的喚醒方式還有實時鐘喚醒、看門狗喚醒等。停機狀態(tài)較淺的情況下，外部晶振電路還是工作的。
以R系列單片機為例：在室溫（25℃）下，不包括I/O口的負載，以2V供電，將可編程鎖相環(huán)時鐘設為16MHz（總線時鐘8MHz），典型電流值為2.6mA，當溫度升高到85℃時，供電電流也升高到3.6mA；而采用3V供電，這一組數(shù)據(jù)升高至3.8mA和4.8mA。用2V供電，直接使用外部晶振2MHz（總線時鐘1MHz）時，典型運行電流降至450μA。在等待狀態(tài)下，因時鐘并沒有停止，耗電情況和時鐘頻率有很大關系，節(jié)省的功耗有限；而進入輕度停止（stop3），以外部中斷喚醒，電流消耗在0.5μA左右。在中度停止態(tài)（stop2），功耗可進一步降低。使用內部1kHz的時鐘，保持1個運行的時鐘，周期性喚醒CPU，所增加的電流約為0.3μA。在深度停止態(tài)（stop1），RAM的數(shù)據(jù)也不再保留，只能通過外部復位重啟系統(tǒng)，此時的電流消耗可降到20nA。以上數(shù)據(jù)都是在室溫下測量所得。當環(huán)境溫度升高到85℃時，電流消耗可能增加3～5倍。
4.選擇合適的時鐘方案
時鐘的選擇對于系統(tǒng)功耗相當敏感，設計者需要注意兩個方面的問題：
第一是系統(tǒng)總線頻率應當盡量低。單片機內部的總電流消耗可分為兩部分——運行電流和漏電流。理想的CMOS開關電路，在保持輸出狀態(tài)不變時，是不消耗功率的。例如，典型的CMOS反相器電路，當輸入端為零時，輸出端為1，P晶體管導通，N晶體管截止，沒有電流流過。而實際上，由于N晶體管存在一定漏電流，且隨集成度提高，管基越薄，漏電流會加大。溫度升高，CMOS翻轉閾電壓會降低，而漏電流則隨環(huán)境溫度的增高變大。在單片機運行時，開關電路不斷由“1”變“0”、由“0”變“1”，消耗的功率是由單片機運行引起的，我們稱之為“運行電流”。在兩只晶體管互相變換導通、截止狀態(tài)時，由于兩只管子的開關延遲時間不可能完全一致，在某一瞬間會有兩只管子同時導通的情況，此時電源到地之間會有一個瞬間較大的電流，這是單片機運行電流的主要來源？梢钥闯，運行電流幾乎是和單片機的時鐘頻率成正比的，因此盡量降低系統(tǒng)時鐘的運行頻率可以有效地降低系統(tǒng)功耗。
編輯：admin 最后修改時間：2018-05-08
