单片机低功耗技术及应用7.pdf

电子技术应用!#年第#!期时 钟 源模 式描 述主 系 统$%&()*时 钟 关 闭，外 围 时 钟 工 作时 钟+,)主 时 钟 停 振，除 中 断 控 制 器 外 的 其 它 外 围电 路 停 止 工 作副 时 钟主 时 钟 停 振，()*使 用 副 时 钟，钟 表 定 时副 时 钟运 行器 工 作，其 它 外 围 电 路 停 止 工 作系 统$%&主 时 钟 停 振，()*时 钟 关 闭，钟 表 定 时 器工 作，其 它 外 围 电 路 停 止 工 作表#-.(单片机后备模式随 着 集 成 电 路 技 术 和 工 艺 的 飞 速 发 展，真 正 单 片化 的 单 片 机 已 经 成 为 主 流 产 品。它 的 绝 大 部 分 资 源 都在 单 片 机 芯 片 内 部；过 去 需 要 用 外 部 扩 展 器 件 才 能 实现 的 功 能，如/,0、/%0、%1 2、2 1%、数 字 量3 1,、显示 驱 动 等 功 能，现 在 在 单 片 机 内 部 就 可 以 完 成。单 片机 的 真 正 单 片 化，省 去 了 大 量 的 硬 件 开 发 调 试 工 作，大 大 地 提 高 了 工 作 效 率；系 统 先 天 的 可 靠 性、抗 干 扰能 力 得 到 了 显 著 的 改 善。经 实 验 测 试，实 现 同 样 功 能的 系 统，采 用 单 片 方 式 比 总 线 扩 展 方 式 具 有 更 多 的 优点。系 统 不 仅 功 能 强、性 能 可 靠、成 本 降 低，而 且 进 一步 微 型 化 和 便 携 化。因 此，使 用 电 池 作 为 系 统 的 电 源也 越 来 越 普 遍。系 统 的 最 小 电 源 消 耗 和 最 大 的 电 池 寿命 就 成 为 主 要 的 技 术 要 求。例 如#444年 的 多 国 仪 器仪 表 展 览 会 上，不 止 一 家 国 外 公 司 展 出 了 使 用 电 池 的工 业 流 量 计，56#年 都 不 必 更 换 电 池 和 进 行 维 护。所以 低 功 耗 单 片 机 的 应 用 有 着 非 常 广 阔 的 天 地。低 功 耗单 片 机 应 用 符 合 现 代 电 子 终 端 产 品 的 要 求：便 携、节能、可 靠 等。目 前 国 际 上 先 进 的 单 片 机 生 产 厂 商，如日 本-.(、富 士 通、爱 普 森 和 美 国3等 公 司 都 采 用 了低 功 耗 设 计。笔 者 在 一 些 应 用 中 使 用 了 日 本-.(公司 的789和789+系 列 的 单 片 机，其 休 眠 状 态 下 的功 耗 电 流 可 达 到:56:#!%。!单片机的低功耗设计技术!高 集 成 度 的 完 全 单 片 化 设 计将 很 多 外 围 硬 件 集 成 到 了()*芯 片 中，增 大 硬 件冗 余。内 部 以 低 功 耗、低 电 压 的 原 则 设 计，这 给 单 片机 的 低 功 耗 设 计 提 供 了 很 强 的 支 持。!#内 部 电 路 可 选 择 性 工 作通 过 特 殊 功 能 寄 存 器 选 择 使 用 不 同 的 功 能 电 路，即 依 靠 软 件 选 择 其 中 不 同 的 硬 件；对 于 不 使 用 的 功 能使 其 停 止 工 作，以 减 少 无 效 功 耗。!$宽 电 源 电 压 范 围先 进 的 单 片 机 芯 片 工 艺 特 点 决 定 了 单 片 机 在 很 宽的 电 源 电 压 范 围 内 都 能 正 常 工 作。例 如，-.(公 司 的789和789+系 列 的 单 片 机，可 以 在#:8;65:5;电源电压范围内正常工作。单片机 供 电 电 压 范 围 的 放宽，可以进一步拓宽单片机的应用领域，尤其是便携式或掌上型仪器或装置，可以放心地使用电池作为电源，而不必关心电池放电过程电压曲 线 是 否 平 稳、是 否 会影响单片机正常工作，更不必因 电 池 供 电 而 专 门 增 加稳压电路，从而可减少 大 约#1 的 功率消耗。!%具 有 高 速 和 低 速 两 套 时 钟系 统 运 行 频 率 越 高，电 源 功 耗 就 会 相 应 增 大。为更 好 地 降 低 功 耗，内 部 集 成 了 两 套 独 立 的 时 钟 系 统，高 速 的 主 时 钟 和$?的 副 时 钟。也 可 在 满 足 功能 需 要 的 情 况 下 按 一 定 比 例 降 低()*主 时 钟 频 率，以 降 低 电 源 功 耗。在 不 需 要 高 速 运 行 的 情 况 下，可 选用 副 时 钟 低 速 运 行，进 一 步 降 低 功 耗。通 过 软 件 对 特殊 功 能 寄 存 器 赋 值 可 改 变()*的 时 钟 频 率，或 进 行主 时 钟 和 副 时 钟 切 换。!&在 线 改 变()的 工 作 频 率可 根 据()*处 理 任 务 的 不 同，在 外 部 振 荡 器 不 变的 情 况 下，通 过 程 序 改 变 处 理 器 时 钟 控 制 寄 存 器)(的 值，在 线 改 变()*的 频 率。()*在 几 种 不 同 频 率 下工 作 的 电 源 功 耗 比 较 如 图#所 示。!*后 备 功 能后备功能是为了进一步降低系统功耗。()*用主时钟时有$%&（待机）模式和+,)（休眠）模式，用副系统时钟时有副时钟运行模式和$%&模式。如表#所示。!+内 部 钟 表 定 时 器-.(单 片 机 内 部 提 供 了 时 钟 定 时 器，每 隔:5单片机低功耗技术及应用山西大学计算机系清华大学访问学者（#8A）李月香清华大学自动化系（#8A）袁涛木合塔尔摘要：介绍单片机的低功耗设计技 术 特 点 及 单 片 机 应 用 系 统 中 的 低 功 耗 设 计 要 注 意 的 几 个 问题，并列举了充分利用片内资源实现低功耗及(语言源程序。关键词：单片机低功耗设计计算机应用四通工控,-.软起动器经销商（/!/）*#*#*!%*#*#*!%&#7电子技术应用!#年第#!期图#$%&在 几 种 不 同 频 率 下 工 作 的 电 源 功 耗 比 较产 生 一 次 中 断。在 系 统 处 于 休 眠 状 态 时，仍 可 定 时 被唤 醒。对 于 单 片 机 只 须 间 歇 工 作、但 又 需 要 实 时 计 时功 能 的 应 用 场 合，提 供 了 非 常 有 效 的 节 能 方 法。$%&在 不 工 作 时 可 进 入()%模 式 或*+,(模 式，进 入 低功 耗 的 后 备 功 能 状 态。当 时 钟 中 断 到 来 时，$%&回 到正 常 工 作 状 态，进 入 时 钟 中 断 处 理 程 序 做 时 钟 更 新 处理，然 后 再 进 入 后 备 功 能 状 态。!单片机应用系统中的低功耗设计要注意的问题（#）系 统 中 单 片 机 以 外 的 其 它 电 路 器 件 尽 可 能 选用 静 态 功 耗 低 的 器 件，如 选 用$-)电 路 芯 片。（!）外部设备的选择也要尽可能支持低功耗设计。（.）设 计 外 部 中 断 唤 醒 电 路，使 单 片 机 在 等 待 时可 进 入 休 眠 模 式 或 待 机 模 式，需 要 时 由 外 部 中 断 信 号唤 醒。（/）设 计 外 部 器 件 的 电 源 控 制 电 路，使 外 部 器 件或 设 备 在 不 工 作 时 关 断 供 电，减 少 无 效 功 耗。（0）设 计 充 分 利 用 系 统 低 功 耗 特 点 的 软 件。在线改变#$%的时钟 频 率 以 降 低 功 耗 的#语言程序举例$%&在 不 需 要 高 速 运 行 时，可 设 置 在 较 低 的 时 钟频 率 下 工 作，在 运 行 过 程 中 可 根 据 需 要 在 线 改 变$%&的 时 钟 频 率。下 面 是 一 个 通 过 按 键 产 生 外 部 中 断 信 号改 变12$单 片 机!%34505的$%&时 钟 频 率 的 程序，它 使$%&在 主、副 时 钟 间 切 换 运 行。通 过6 7)口%8的 位引 脚 连 接#个,23小 灯，每 按 下 一 次 按 键就 使$%&的 时 钟 频 率 改 变。在 主 时 钟 和 副 时 钟 频 率下 工 作 时，用 同 样 的 软 件 延 时 程 序 控 制 小 灯 点 亮 的 时间，以 此 观 察$%&的 运 行 速 度。程 序 清 单：7 7 99999999999999宏 定 义99999999999999:;?%$-)32-7 7$%&时钟控制寄存器%$7 7定 义 为 选 主 系 统 时 钟:;?%$-)32=7 7$%&时钟控制寄存器%$7 7定 义 为 选 副 系 统 时 钟:;?%)A(8#7 7%8口 位赋 初 值:;?%)A(-87 7%8口 位设 为 输 出:;?H?HE?HKL7 7定 义 软 件 延 时 计 数 变 量MNDCFG=ODEL7 7定义主、副时钟切换标志7 7 99999999999999主 函 数99999999999999PQ;FD?RST%$U%$-)32-L7 7$%&用 主 系 统 时 钟%8VU%)A(-8L7 7%8口 的 位赋 初 值%-8VU%)A(-8L7 7%8口 的 位为 输 出61(-U 61(-L7 7 61(%#下 降 沿 触 发%-W#UL7 7清 除61(%#中 断 屏 蔽FG=ODEUL7 7选 用 主 副 时 钟 的 标 志26RSL7 7开 中 断XNO=RFG=ODEUUS7 7时 钟 切 换 标 志 为时FG=ODEU#L7 7标 志 变 为#OGORKYU#STKZZL7 7软 件 延 时R注 意 系 统 时 钟 为7 7主 时 钟 与 副 时 钟 延 时计算机应用欢迎邮购本刊#0#年光盘版，每套#元#5电子技术应用!#年第#!期（接 上 页）$时 间 的 长 短 是 不 同 的%&()*#+$熄 灭,-.灯/0,12%+$进 入/0,1状 态&$333333333333中 断 服 务 函 数3333333333334567 689:;24567%?=AB*%$若 时 钟 切 换 标 志 为CC*CCDE.-F+$CG使 用 副 时 钟:?:$否 则CC*CCDE.-D+$CG使 用 主 时 钟&低 功 耗 单 片 机 的 应 用 使 电 子 产 品、控 制 系 统 更 符合 当 今 时 代 的 要 求，达 到 便 携、低 功 耗 和 高 可 靠 性。加 之 用 高 级 语 言（如C语 言）对 单 片 机 进 行 开 发 的 工具 日 臻 完 善。更 为 快 速 高 效 的 开 发 应 用 提 供 了 良 好 的条 件 和 环 境。低 功 耗 的 节 能 单 片 机 应 用 系 统 将 会 带 来很 好 的 社 会 效 益 和 经 济 效 益。参 考 文 献#何 为 民)低 功 耗 单 片 微 机 系 统 设 计)北 京：北 京 航 空 航天 大 学 出 版 社，#HHI年(月!吴玉平译)!.JK!LMJKILMJK!LNMJKILN子系列K位 单 片 微 控 制 器 用 户 手 册)北 京：电 子 工 业 出 版 社，#HHL年L月I日 本O-C公 司)CCJKPCC5Q6:;R)I)#5;A9:;,A8BSAB:G?:;T?DA8SA，#HHH2收 稿 日 期：!#U(U!K）光 纤 传 感 测 温 仪 是 一 种 非 接 触 式 测 温 方 法 与 光纤 传 感 技 术 相 结 合，实 现 高 精 度、高 重 复 性、快 速 响应、非 接 触 式 测 量 和 高 性 价 比 的 新 型 光 纤 传 感 类 测 温系 统。该 类 测 温 仪 利 用 光 纤 的 空 间 滤 波 效 应，使 入 射光 波 从 空 间 瞬 态 变 为 空 间 稳 态，消 除 杂 散 光 的 影 响，提 高 测 量 的 精 度 和 稳 定 性；将 光 纤 探 头 和 电 子 处 理 单元 隔 离，使 信 号 处 理 单 元 不 受 环 境 高 温 影 响，提 高 抗电 磁 干 扰 能 力；响 应 速 度 快；根 据 热 源 温 度，选 择 最佳 工 作 波 段。有 时 需 要 对 范 围 很 宽 的 温 度 信 号 进 行 测 量，但 是实 现 宽 温 度 范 围 的 测 量，采 用 一 个 探 测 器 的 光 纤 传 感测 温 仪 很 难 达 到 要 求。为 了 解 决 单 一 探 测 器 光 纤 传 感测 温 仪 范 围 窄 的 不 足，设 计 了 利 用 双 光 路 系 统，采 用两 个 不 同 波 长 范 围 探 测 器 的 光 纤 传 感 测 温 仪，实 现 测量 温 度 范 围 的 扩 展，将 测 温 范 围 的 下 限 和 上 限 延 伸。实 现 大 动 态 范 围 要 求 的 光 纤 传 感 测 温 的 关 键 技 术 之一 是 适 应 大 动 态 范 围 要 求 的 高 信 噪 比 电 子 数 据 处 理系 统 的 设 计。电 子 数 据 处 理 系 统 应 采 用 高 阻 抗 低 噪 声前 放。VWX#KW温 度 范 围 的 光 功 率 动 态 范 围 高 达#VY量 级，远 远 超 出 放 大 器 的 动 态 范 围，采 用 电 子 开关 动 态 范 围 扩 展 技 术 将 测 温 范 围 分 成 若 干 温 度 段，问题 就 能 解 决+同 时 采 用 数 据 拟 合 等 技 术 来 实 现 高 精 度的 测 量。!仪器基本原理框图及功能框图整 个 仪 器 主 要 分 为 以 下 几 个 部 分Z信 号 拾 取 单 元、模 数 转 换 单 元、键 盘 与 显 示 单 元、KV#单 片 机 系 统 单元、FU!I!通 讯 单 元 以 及 数 模 转 换 单 元。整 个 原 理 框图 如 图#所 示。仪 器 的 工 作 过 程 为：用 光 纤 将 物 体 的 辐 射 传 导 至探 测 器，探 测 器 输 出 电 信 号 完 成 光 电 转 换；利 用 信 号拾 取 单 元 将 电 信 号 调 理，然 后 将 电 信 号 经 过0$.转换 成 数 字 信 号 用KV#单 片 机 处 理；在 单 片 机 中 用 软件 完 成 被 测 物 体 温 度 的 非 线 性 校 正、温 度 补 偿 等 功能。经 过 单 片 机 处 理 后 利 用.$0转 换 将 温 度 信 号 转换 成XVR的 电 压 信 号 输 出。系统的硬件设计整个系统按照模块化的设计方法设计，使系统的整基于单片机的宽范围高精度光纤传感测温仪的研制中国科学院西安光学精密机械研究所光纤传感工程中心2J#(K%者明礼王俊强摘要：一 种 基 于 单 片 机 的 大 动 态 范 围、高 精 度 的 光 纤 温 度 传 感 器 的 设 计 研 制，用 双 光 路、可 编程增益放大系统来 实 现 大 动 态 范 围 的 温 度 测 量，并 利 用#!位0.C将 被 测 温 度 信 号 由 模 拟 量 转 换 为数 字 量，利 用 单 片 机 系 统 达 到 高 精 度 的 要 求，整 个 系 统 有 非 线 性 校 正、多 点 温 度 补 偿、多 种 测 量 方 式可 选、,C.显 示 和 键 盘 输 入 等 功 能，且 系 统 可 与 计 算 机 通 过FU!I!接 口 通 讯，将 采 样 数 据 传 输 到 上位机处理。关键词：光纤传感温度单片机计算机应用!四通工控#$%软起动器经销商（&!&）!(!()#H