单片机嵌入式系统低功耗设计
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在嵌入式应用中，系统的功耗越来越受到人们的重视，这一点对于需要电池供电的便携式系统尤其明显。降低系统功耗，延长电池的寿命，就是降低系统的运行成本。 选用具有低功耗特性的单片机可以大大降低系统功耗。可以从供电电压、单片机内部结构设计、系统时钟设计和低功耗模式等几方面考察一款单片机的低功耗特性。 1.选用尽量简单的CPU内核 在选择CPU内核时切忌一味追求性能。8位机够用，就没有必要选用16位机，选择的原则应该是“够用就好”。现在单片机的运行速度越来越快，但性能的提升往往带来功耗的增加。一个复杂的CPU集成度高、功能强，但片内晶体管多，总漏电流大，即使进入STOP状态，漏电流也变得不可忽视；而简单的CPU内核不仅功耗低，成本也低。 2.选择低电压供电的系统 降低单片机的供电电压可以有效地降低其功耗。当前，单片机从与TTL兼容的5V供电降低到3.3V、3V、2V乃至1.8V供电。供电电压降下来，要归功于半导体工艺的发展。从原来的3μm工艺到现在的0.25、0.18、0.13μm工艺，CMOS电路的门限电平阈值不断降低。低电压供电可以大大降低系统的工作电流，但是由于晶体管的尺寸不断减小，管子的漏电流有增大的趋势，这也是对降低功耗不利的一个方面。 目前，单片机系统的电源电压仍以5V为主，而过去5年中，3V供电的单片机系统数量增加了1倍，2V供电的系统也在不断增加。再过五年，低电压供电的单片机数量可能会超过5V电压供电的单片机。如此看来，供电电压降低将是未来单片机发展的一个重要趋势。 3.选择带有低功耗模式的系统 低功耗模式指的是系统的等待和停止模式。处于这类模式下的单片机功耗将大大小于运行模式下的功耗。过去传统的单片机，在运行模式下有wait和stop两条指令，可以使单片机进入等待或停止状态，以达到省电的目的。 等待模式下，CPU停止工作，但系统时钟并不停止，单片机的外围I/O模块也不停止工作；系统功耗一般降低有限，相当于工作模式的50%～70%。 停止模式下，系统时钟也将停止，由外部事件中断重新启动时钟系统时钟，进而唤醒CPU继续工作，CPU消耗电流可降到μA级。在停止模式下，CPU本身实际上已经不消耗什么电流，要想进一步减小系统功耗，就要尽量将单片机的各个I/O模块关掉。随着I/O模块的逐个关闭，系统的功耗越来越小，进入停止模式的深度也越来越深。进入深度停止模式无异于关机，这时的单片机耗电可以小于20nA。其中特别要提示的是，片内RAM停止供电后，RAM中存储的数据会丢失，也就是说，唤醒CPU后要重新对系统作初始化。因此在让系统进入深度停止状态前，要将重要系统参数保存在非易失性存储器中，如EEPROM中。深度停止模式关掉了所有的I/O，可能的唤醒方式也很有限，一般只能是复位或IRQ中断等。 保留的I/O模块越多，系统允许的唤醒中断源也就越多。单片机的功耗将根据保留唤醒方式的不同，降至1μA至几十μA之间。例如，用户可以保留外部键盘中断，保留异步串行口（SCI）接收数据中断等来唤醒CPU。保留的唤醒方式越多，系统耗电也就会多一些。其他可能的唤醒方式还有实时钟唤醒、看门狗唤醒等。停机状态较浅的情况下，外部晶振电路还是工作的。 以R系列单片机为例：在室温（25℃）下，不包括I/O口的负载，以2V供电，将可编程锁相环时钟设为16MHz（总线时钟8MHz），典型电流值为2.6mA，当温度升高到85℃时，供电电流也升高到3.6mA；而采用3V供电，这一组数据升高至3.8mA和4.8mA。用2V供电，直接使用外部晶振2MHz（总线时钟1MHz）时，典型运行电流降至450μA。在等待状态下，因时钟并没有停止，耗电情况和时钟频率有很大关系，节省的功耗有限；而进入轻度停止（stop3），以外部中断唤醒，电流消耗在0.5μA左右。在中度停止态（stop2），功耗可进一步降低。使用内部1kHz的时钟，保持1个运行的时钟，周期性唤醒CPU，所增加的电流约为0.3μA。在深度停止态（stop1），RAM的数据也不再保留，只能通过外部复位重启系统，此时的电流消耗可降到20nA。以上数据都是在室温下测量所得。当环境温度升高到85℃时，电流消耗可能增加3～5倍。 4.选择合适的时钟方案 时钟的选择对于系统功耗相当敏感，设计者需要注意两个方面的问题： 第一是系统总线频率应当尽量低。单片机内部的总电流消耗可分为两部分——运行电流和漏电流。理想的CMOS开关电路，在保持输出状态不变时，是不消耗功率的。例如，典型的CMOS反相器电路，当输入端为零时，输出端为1，P晶体管导通，N晶体管截止，没有电流流过。而实际上，由于N晶体管存在一定漏电流，且随集成度提高，管基越薄，漏电流会加大。温度升高，CMOS翻转阈电压会降低，而漏电流则随环境温度的增高变大。在单片机运行时，开关电路不断由“1”变“0”、由“0”变“1”，消耗的功率是由单片机运行引起的，我们称之为“运行电流”。在两只晶体管互相变换导通、截止状态时，由于两只管子的开关延迟时间不可能完全一致，在某一瞬间会有两只管子同时导通的情况，此时电源到地之间会有一个瞬间较大的电流，这是单片机运行电流的主要来源。可以看出，运行电流几乎是和单片机的时钟频率成正比的，因此尽量降低系统时钟的运行频率可以有效地降低系统功耗。 |
