基于單片機降低電池供電系統低功耗的設計方案

20世紀90年代以來(lái)，隨著(zhù)集成電路特征線(xiàn)寬的持續縮小以及芯片密度和工作頻率的相應增加，降低功耗已經(jīng)成為亞微米和深亞微米超大規模集成電路設計中的一個(gè)主要考慮因素。功耗的增加會(huì )帶來(lái)一系列問(wèn)題，例如電路參數漂移、可靠性下降、芯片封裝成本增加等。因此，系統的功耗在整個(gè)系統設計中，尤其是在采用電池供電的系統中顯得十分重要。

Microchip公司PIC系列的單片機為設計高性能、低功耗的單片機系統提供了很好的解決方案。下面從低功耗設計方法及具體例子來(lái)介紹PIC單片機低功耗應用。

1 低功耗設計方法

為使系統工作在低功耗狀態(tài)，必須正確設置單片機的配置及工作方式。下面結合最常用的PIC12、PIC16等單片機介紹低功耗系統的設計方法。

1.1 基本設計方法

有許多技術(shù)可以降低系統的功耗，最常用的是Sleep模式。程序執行一條SLEEP指令，便進(jìn)入了休眠（Sleep）模式。要Sleep模式下，晶振停止振蕩，而此時(shí)單片機在3V電源條件下，只有1μA的電流。系統工作時(shí)，單片機可以采用看門(mén)狗或外部事件周期性地喚醒單片機，利用電子開(kāi)關(guān)為系統提供電源，以減少系統待機功耗，延長(cháng)電池使用時(shí)間。

單片機的工作頻率和功耗的關(guān)系也很大，頻率越高，功耗越大。在采用32kHz晶振、3V工作電壓時(shí)，PIC12、PIC16等系列單片機的典型工作電流只有15μA;而采用4MHz晶振、5V工作電壓時(shí)，單片機的典型工作電流達到幾mA。在許多低功耗的場(chǎng)合，采用低速晶振實(shí)現低功耗非常有效。如果單片機采用RC振蕩，還可以通過(guò)I/O口的操作改變振蕩電阻，從而改變單片機工作頻率，達到節能的目的。如圖1所示，1個(gè)I/O引腳可以在等待狀態(tài)下將并聯(lián)電阻R1去掉，降低單片機工作頻率。當單片機需要工作時(shí)，可將I/O引腳設置為輸出并輸出高電平，從而提高振蕩頻率。

1.2 振蕩電路設計

在單片機系統設計中，振蕩電路的設計是十分重要的一個(gè)環(huán)節。PIC系列單片機的典型振蕩電路如圖2所示。

一般情況下，設計人員按照廠(chǎng)家給出的參數表進(jìn)行選擇。如果系統能夠正常工作，也就不再進(jìn)行改進(jìn)了。其實(shí)，這是不合適的。因為Microchip的單片機根據型號和版本的不同，工作電壓在直流2.5～5.5V的范圍內，汽車(chē)級溫度可以在-40～-125℃范圍內，而參數表中只給出了有限的幾種情況，實(shí)際環(huán)境參數會(huì )對振蕩電路的性能產(chǎn)生很大的影響。如高溫、低電壓可減小振蕩環(huán)路增益，而從降低振蕩頻率或者難以啟動(dòng);低溫、高電壓可以使環(huán)路增益變大，從而使晶振過(guò)驅動(dòng)，產(chǎn)生損壞的潛在危險或者振蕩電路工作的高次諧波頻率上升，加大系統功耗。因此，如何正確設計系統的振蕩電路十分必要。對于PIC系列單片機，一般的設計步驟如下：

①選擇晶振。根據系統需要的振蕩頻率進(jìn)行晶振的選擇。此外，晶振的工作溫度和頻率穩定度也是十分重要的指標。

②選擇振蕩器類(lèi)型。PIC系列單片機有RC、LP、XT、HS等振蕩模式。除RC模式外，振蕩模式的選擇實(shí)際上就是環(huán)路增益的選擇。低增益對應低振蕩頻率，高增益對應高振蕩頻率。一般根據實(shí)際需要的工作頻率可參考數據手冊來(lái)選擇。

③選擇C1、C2。理想的情況是，保證系統在高溫和最低工作電壓下能夠正常工作，使得電容在數據手冊推薦的范圍內最小。同時(shí)選擇C2比C1大一些以加大相移，使其有利于振蕩電路的上電啟動(dòng)。

④選擇Rs。在以上參數都已經(jīng)選定后需要決定Rs的大小。簡(jiǎn)單的辦法是讓系統工作在最低溫度和最大電壓情況下，此時(shí)得到的應該是時(shí)鐘電路最大輸出幅度。用示波器觀(guān)察引腳OSC2的輸出波形（注意，示波器的探頭將給電路引入一個(gè)電容，一般為幾pF），如果發(fā)現正弦波的峰（接收Vdd處）和谷（接收Vss處）被削平或壓扁，說(shuō)明驅動(dòng)過(guò)載，需要在OSC2和C2間加入1個(gè)電阻Rs，一般1kΩ左右或小于1kΩ。Rs不宜過(guò)大，過(guò)大將使得輸入和輸出產(chǎn)生隔離，從而產(chǎn)生較大的噪聲。當發(fā)現需要一個(gè)較大的Rs才能消除過(guò)驅動(dòng)時(shí)，可以增加負載電容C2來(lái)補償。C2一般選擇在15～33pF之間。

系統振蕩電路的設計對系統的穩定性、功耗等影響很大。一般情況下，系統從Sleep狀態(tài)下喚醒時(shí)，振蕩電路最難啟動(dòng)（尤其系統工作在高溫、低壓、低頻的情況下）。此時(shí)，電阻Rs有利于振蕩電路的啟動(dòng)，因為廉價(jià)的碳膜電阻容易產(chǎn)生白噪聲，從而幫助電路起振。此外，選擇C2稍大于C1以增大相移，也有利于電路起振。

2 具體應用例子

2.1 系統組成及框圖

系統主要由PIC單片機、雙音頻解碼拔號電路、語(yǔ)音集成電路、接口電路、Vcc電源控制電路、射頻發(fā)射電路和EEPROM組成，可完成對家用電器的控制和對報警求援語(yǔ)音信息的自動(dòng)傳送，如圖3所示。

2.2 控制器工作方式

*當與控制器相串聞的電話(huà)機（以下稱(chēng)為本地機）處于摘機時(shí)，電話(huà)線(xiàn)輸入電壓發(fā)生變化，引起CD40106的2腳輸出電平變化，輸入到CPU的RB0端口產(chǎn)生中斷信號，喚醒CPU，控制器進(jìn)入工作狀態(tài)。通過(guò)本地機的拔號盤(pán)對控制器的各種功能進(jìn)行控制。如控制電視、音響、照明燈等電器電源的開(kāi)關(guān)。

*當控制器接收到振鈴信號時(shí)，CD40106的4腳輸出電平變化，輸入CPU的RB6端口產(chǎn)生中斷信號，喚醒CPU進(jìn)入工作狀態(tài)，并對振鈴信號進(jìn)行計數;達到設定鈴聲數后，使控制器進(jìn)入電話(huà)接收狀態(tài)，開(kāi)始接收遠程傳輸DTMF信號，經(jīng)MT8880解調得到的信號通過(guò)IRQ向單片機發(fā)出中斷信號，將數據存入寄存器，經(jīng)CPU運行，對控制器的各種功能進(jìn)行控制。

*當控制器作為報警器，并處于警備狀態(tài)時(shí)，報警探頭時(shí)刻檢測防范區域的情況;當探頭向控制器發(fā)出警情信息，輸入CPU的RB5中斷產(chǎn)生信號，控制器進(jìn)入工作狀態(tài)，從EEPROM芯片讀出預先設置的報警電話(huà)號碼，經(jīng)MT8880轉換為DTMF信號，自動(dòng)撥號，以語(yǔ)音形式將信息傳送給用戶(hù)或直接報警。

2.3 應用電路

（1）電話(huà)接口電路

電話(huà)機與控制器采用控制器在前，電話(huà)機在后的串聯(lián)方式，可實(shí)現電話(huà)機對控制器各種功能的控制。接口電路由過(guò)壓保護電路、極性轉換電路和中斷請求電路組成，如圖4所示。

①過(guò)壓保護電路。在電話(huà)線(xiàn)回路上加入了一個(gè)壓敏電阻R，它的作用是當它兩端的電壓大于其工作電壓時(shí)呈短路狀態(tài)，從而保護后級電路免受高壓危害。當加到它的兩端的電壓小于其工作電壓，壓敏電阻呈開(kāi)路狀態(tài)，對后級電路的工作沒(méi)有任何影響。在本設計中，壓敏電阻的工作電壓為220V。

②極性轉換電路。由于在電話(huà)線(xiàn)上傳輸的是交流信號，為了使信號的極性固定，在電路中加入電橋，進(jìn)行全波整流。

③中斷請求電路。為延長(cháng)電池工作時(shí)間，CPU在待機時(shí)處于休眠的省電狀態(tài)，在實(shí)現遠程電話(huà)機和本地機對控制器功能控制時(shí)，由中斷請求電路將CPU喚醒。

（2）語(yǔ)音電路

語(yǔ)音電路如圖5所示。它以ISD4000語(yǔ)音芯片為核心，主要是存儲報警語(yǔ)音，輸出經(jīng)功率放大后傳送到電話(huà)線(xiàn)上。

（3）MT8880與PIC單片機的接口電路

MT8880是Mitel公司的DTMF收發(fā)器，具有功能強、功耗低、工作穩定、可靠等性高優(yōu)點(diǎn)，因此在DTMF信號調制的場(chǎng)合得到了廣泛的應用。MT8880與PIC單片機的接口電路如圖6所示。