單片機非連續工作微功耗設計方案

對于大部分單片機系統，由于單片機的運行速度很快，液晶拼接屏幕單片機在工作的過(guò)程中有大量的空閑等待時(shí)間。在某些情況下，系統的等待時(shí)間甚至可以達到總工作時(shí)間的95%以上。在等待過(guò)程中，單片機不作任何工作，只是在踏步等待，或者在循環(huán)判斷有無(wú)新的外部請求。在這個(gè)過(guò)程中，可以讓單片機內部的大部分電路工作在休眠狀態(tài)，可以大大地降低單片機的功耗。同時(shí)，也可以讓有關(guān)的外部電路工作在休眠狀態(tài)，這樣就使整個(gè)產(chǎn)品的供電大大降低。產(chǎn)品的這種非連續工作的特點(diǎn)是微功耗設計的基本思路，此外，還要根據產(chǎn)品的特點(diǎn)醉意更多的設計細節。

選擇合適的CPU芯片是微功耗設計的關(guān)鍵

目前的單片機種類(lèi)很多，而且大都針對某一個(gè)特定的應用，可根據具體應用情況選擇合適的單片機。在需要進(jìn)行微功耗設計的應用中，可以根據下面的規則來(lái)選擇：

1. 選擇盡可能減少外部電路的單片機。隨著(zhù)集成電路工藝技術(shù)的飛速發(fā)展，真正單片化的單片機系統已逐步成為主流產(chǎn)品。

2. 注意比較工作電流和靜態(tài)電流。由于工藝的不同，液晶拼接屏幕單片機內部工作電流、靜態(tài)電流不盡相同，有的甚至相差很大。在選擇單片機時(shí)，不但要考慮其工作電流，還要仔細考慮其在休眠狀態(tài)下的靜態(tài)電流。

3. 通過(guò)比較可以看出，選用專(zhuān)用的低功耗單片機，可更加靈活地控制其功耗，在滿(mǎn)足設計要求的前提下使其盡可能工作于最省電的模式。

4. 選擇合適的ROM、RAM。一般來(lái)講，存儲器越大功耗也越大。在滿(mǎn)足設計要求的情況下，盡可能使用單片機內部的ROM、RAM。

5. 選擇合適的工作時(shí)鐘頻率。在較低的時(shí)鐘頻率下，單片機的功耗也較低。以MSP430F1121為例，當工作在1MHz的主頻之下，典型電流消耗為300uA;而工作在4096Hz的主頻之下，其電流只有3uA。

6. 選擇合適的IO管腳數，和合適的IO驅動(dòng)能力和顯示驅動(dòng)能力。單片機驅動(dòng)的IO管腳數越多，其功耗也就越大。

7. 選擇合適的單片機，實(shí)現真正意義上單片化，可以省去了大量的硬件開(kāi)發(fā)調試工作，提高了工作效率，系統的可靠性、抗干擾能力得到了顯著(zhù)的改善，同時(shí)使系統成本降低，更加適合微型化和便攜化，對降低系統功耗有著(zhù)決定性的作用。

低功耗設計策略

a. 使內部電路可選擇性地工作

一般，設計中不會(huì )用到全部的單片機內部電路，而那些沒(méi)有用到的液晶拼接屏幕電路將產(chǎn)生額外的功耗。在需要進(jìn)行微功耗設計的應用中，可以通過(guò)對內部特殊功能寄存器編程，選擇使用不同的功能模塊，對于不使用的功能模塊使其停止工作，減少系統無(wú)效功耗。

b. 產(chǎn)品的低電壓設計可以降低產(chǎn)品功耗

一般，單片機的工作電壓越高，內部晶體管在放大區的工作時(shí)間也越長(cháng)，單片機的功耗也就越大。由于采用先進(jìn)的芯片生產(chǎn)工藝，使單片機的電壓范圍一般很寬，如可以在1.8V～5V電源電壓范圍內正常工作。為了降低系統功耗，可盡量采用低電壓設計。

單片機供電電壓范圍的放寬，可以進(jìn)一步拓寬單片機的應用領(lǐng)域，尤其是便攜式或掌上型設備中，可以放心地使用電池作為電源，而不必關(guān)心放電過(guò)程電壓曲線(xiàn)是否平衡、在低電壓下是否會(huì )影響單片機正常工作，更不必因電池供電而專(zhuān)門(mén)增加穩壓電路，從而可減少大量的功率消耗。

c. 在空閑狀態(tài)時(shí)，采用低速時(shí)鐘信號

單片機的功耗與其工作頻率成正比，系統運行頻率越高，電源功耗就會(huì )相應增大。圖1所示為Philips公司的80C31單片機Vcc上的電流與主時(shí)鐘頻率的關(guān)系曲線(xiàn)，可以看出隨著(zhù)單片機主時(shí)鐘頻率的增加，其Vcc上的電流也呈線(xiàn)形增加，則其功耗也隨著(zhù)主時(shí)鐘頻率的增加而增加。

為更好地降低功耗，在許多單片機的內部集成了兩套獨立的時(shí)鐘系統，即高速的主時(shí)鐘和低速的副時(shí)鐘，在不需要高速運行的情況下，可選用低速的副時(shí)鐘，維持內部基本的定時(shí)要求。某些液晶拼接屏幕單片機的主時(shí)鐘也可通過(guò)功能寄存器來(lái)重新設定，在滿(mǎn)足功能需要的情況下，按一定比例降低主時(shí)鐘頻率，以降低電源功耗?？稍诔绦蜻\行的過(guò)程中，通過(guò)軟件對特殊功能寄存器賦值在線(xiàn)改變時(shí)鐘頻率，或進(jìn)行主時(shí)鐘和副時(shí)鐘切換。

d. 盡可能工作在休眠模式

為降低功耗，通常單片機都提供多種工作模式，當處于空閑時(shí)進(jìn)入休眠模式，當有一個(gè)事件提出中斷請求時(shí)，可以快速地返回到正常的運行模式，這樣既可以保證系統節電，又不影響正常的工作。

不同的單片機會(huì )有不同的工作模式，如51系列的單片機有空閑模式和掉電模式。在不同的工作模式中，單片機內核中某些功能模塊將設置為休眠狀態(tài)。如MSP430系列單片機有6種不同的工作模式，除了一種是正常的運行模式(active mode)以外，其余五種均是低功耗模式，在這些模式下可以分別將CPU、內部時(shí)鐘、內部總線(xiàn)、直至內部晶振全部關(guān)閉，使單片機的耗電降為最小。只有發(fā)生中斷請求或復位時(shí)，系統被喚醒進(jìn)入正常運行模式。

外部電路的微功耗設計

單片機周邊電路的微功耗設計十分復雜，對產(chǎn)品的整體耗電而言也非常重要。復雜，龐大的周邊電路將會(huì )帶來(lái)很大的電源消耗，因此，應盡量少選用外部電路，盡可能利用單片機內部的資源。

作為一個(gè)用電池供電的設備而言，其靜態(tài)功耗最好為幾微安～幾十微安，由于這部分電流是在待機狀態(tài)下加在設備上，是常供電電流，在系統不工作的情況下將造成很大的電能浪費。因此在設計中，應該使外部電路最少，并減少外部電路在靜態(tài)需要供電的部分。同時(shí)，還需要考慮以下問(wèn)題：

1. 系統中單片機以外的其它器件盡可能選用靜態(tài)功耗低的器件，如盡量選用CMOS芯片，少用雙極性的晶體管門(mén)電路，因為雙極性電路需要一個(gè)恒定的維持電流，增加了電路的靜態(tài)功耗。

2. 按照芯片的要求，將不用的引腳接至地或者高電平，懸空的輸入腳將會(huì )增大芯片的靜態(tài)電流。

3. 在IO管腳上盡量少用上拉或下拉電阻，這些電阻將消耗一定的靜態(tài)電流。

4. 數據采集的模擬部分的設計可以采用一種軌對軌(rail-to-rail)的BiCMOS運算放大器，如LMV824用于替代LM324時(shí)，電源可低至2.5V，單位帶寬到5MHz，僅250μA/通道。

5. 設計外部器件的電源控制電路，使外部器件或設備在不工作時(shí)關(guān)斷供電，減少無(wú)效功耗。低功耗器件的價(jià)格一般稍高一些，如果價(jià)格允許，通常都可以找到相應的低電壓、低功耗的替代產(chǎn)品。

6. 多用電壓驅動(dòng)電路，液晶拼接屏幕少用電流驅動(dòng)電路。例如，要顯示運行結果、當前狀態(tài)或控制信息，通常有LCD顯示器、LED顯示器兩種選擇。用LCD輸出，液晶拼接屏幕一般只有幾個(gè)微安的電流;而用LED則會(huì )有幾十毫安的電流。