单片机应用系统的低功耗设计(2).pdf

匣塑盐堕篁望鲤文章编号：1 6 7 1-1 0 4 1(2 0 0 1)0 5 0 0 1 6-0 3单片机应用系统的低功耗设计仪舞仪表用户刘爱琴梁为民谷海红(河南安阳大学计算机系安阳4 5 5 0 0 0)(鹤壁职业技术学院鹤壁4 5 6 6 s o)【摘要】本文主要写单片机应用系统的低功耗设计方法，并着重阐述了单片机的低功耗运行和存储器的低功耗运行星体措施。文章还进一步谈了低功耗应用系统设计时软件上应采取的措施【关键词J 单片机，低功耗，系统设计中图分类号：T P 3 0 2 1 文献标识码：AT h eD e s i g no ft h eL o w-p o w e r e dC o n s u m ea b o u tt h eS i n g l eM i c r o c o m p u t e rL i uA i q i nL i a n gW e i m i nG uH a i h o n g【A b s t r a c t】T h em a i no ft h et e x ti st h em e t h o da b o u tt h el o w p o w e r e dc o n s u m eo ft h es i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e ra p p l ys y s t e m，a n de m p h a s i z ee l a b o r a t et h eC o n c r e t em e a s u r ea b o u tt h el o w-p o w e r e dc o n s u m eo fs i n g l ec h i p m i c r o c o m p u t e ra n dm e m o f y G os t e pf u r t h e rt e x tt a l ka b o u tw h e nt h ed e s i g no fl o w p o w e r e dC O l l S u m ea p p l ys y s t e ms h o u l da d o p tt h em e a m【K e yw o r d s】S i n g l ec h i p m i c r o c o m p u t e r,L o w-p o w e r e dc o n s u m e D e s i g ns y；s l e m1 引言低功耗单片微机系统是指以降低系统功耗作为一个主要性能指标的单片微机系统低功耗设计在便携式智能仪表、仪表以及无人职守自动监测、监控仪表中得到广泛的应用。因此，只有在设计某些特定的系统时，有必要进行低功耗设计2 单片机低功耗应用系统特点单片机低功耗应用系统具有体积小、重量轻，便于携带、功耗低等特点。因此，在系统设计时尽量选用低功耗的器件和集成度高的器件，由于不少低功耗单片微机系统作为野外工作的数据采集器，一般都设计有R S 2 3 2 C 串行通信接口以便向通用微型计算机传输数据作为便携式检测仪表，本身缺乏大规模的数据处理能力数据要送到工作站处理。为此单片机低功耗应用系统通常都要带有存储器以便能长期断电的情况下存储野外测量数据。单片机低功耗系统受功耗、体积和重量的限制，通常都不配打印机。3 单片机低功耗应用系统设计方法+通常选用C M O S 集成电路：因C M O S 电路具有微功耗、抗干扰能力强工作温度范围宽等特点冈此，广泛用于低功耗系统+选用低电压供电：系统功耗和系统供电电压存在着一定的函数关系。一般来说，供电电压越高系统功耗也就越大因此，低功耗单片微机系统应尽量采用低电压供电这样既能减少系统功耗，又有利于电池供电。【作者简介】相爱擘，女，1 蛳1 年生讲师主讲(单片机和智能仪表课程)联系电话：2 9 0 9 0 2 0【收稿日期】2 0 0 1-0 6-1 0E-m a i l 来稿1 6E l CV 0 1 82 0 0 1N o 5欢迎光临本刊网站h t t p：1 w w w e i c c o m C R 万方数据仪器仪表用户+尽量选用高速低频工作方式：虽然C M O S 器件的静态功耗几乎为零但在逻辑电平转换时，有电流流过，动态功耗和逻辑电平转换频率成正比，和电路的逻辑电乎转换时间成正比。所以C M O S 器件应为高速低频工作方式另外C M O S 器件的输入端不能悬空，以免输入端电平不稳定，电路来回翻转，增大系统功耗。选用低功耗的外围器件：在低功耗系统设计时，除了单片机和外围集成芯片选用C M O S 器件外，还要选用象L C D 液晶显示器、压电陶瓷等低功耗器件。+选用低功耗高效率的电路：为了降低系统的整体功链除选用低功耗的器件外，还需选用低功耗及高效率的电路形式。+采用低功耗的工作方式：如单片机的待机、掉电工作方式存储器的维持工作方式等。在系统设计时，应利用这些特点，使单片机系统尽量在这些工作方式下工作。+采用分区分时供电方式。t 在软件设计上采取相应措施：在低功耗系统设计时，还可眦软件设计来降低系统功耗。即采取尽量缩短C P U的运行时间：尽a，能地采用待机和掉电运行方式；尽量用软件代替硬件等措旋。4 单片机的低功耗运行在单片微机低功耗系统设计中，通常选用低功耗的H C M O S 单片机芯片此类芯片与H M O S 相比，外型、管脚、指令等完全相同，只是制造工艺不同因而功耗低、抗 扰能力强，并具有待机运行模式。采用待机运行模式功耗更小。a)待机运行模式在8 0(2 3 1 等单片机中对特殊功能寄存器P C O N 的I D L”置位后，即进入待机运行模式。进入待机运行模式C P U 处丁睡眠冻结的状态，些现行数据保存下来而中断电路、定时计数器及串行口继续工作。结束待机运行，可用中断和硬件复位的方法。b)掉电运行模式将8 0 C 3 1 中的特殊功能寄存器P C O N 的。P D”置位后即进入掉电运行模式这时片内振荡器停止工作。单片机各种活动停止，只有片内R A M 保持原来的数值，各片脚的输出值仍为吾缓冲嚣原来的值，A L E 和P S E N 输出为烁电平，单片机的功耗降至最小。结束掉电运行方式的唯一方；岳是复位。c)待机与掉电模式下I O 端E l 的状态及9 b 3 理在待机与掉电模式下，U O 端口锁存原内容。因此，欢迎订阅欢迎撰稿欢迎发布产品广告佰患鲤亟盐崾篁塑鲤在低功耗单片微机系统中，可根据使用和降低功耗的要求在进入待机与掉电模式前，对I O 端口写入一定的数据d)H C M O S 单片机的逻辑电平及驱动能力在设计低功耗应用系统时不仅要选用低功耗单片机，外围电路也应选择功耗低的芯片，但在使用时要注意逻辑电平和驱动能力。C M O S 与T T L 逻辑电平不同，需电平转换或选用兼容的器件。当用单片机某个I O 引脚驱动三极管时，必须在三极管的基极串入一个电阻眦便三极管导通时，该引脚的电平不至于过低而关断片内的上拉F E T 电路H C O M S 单片机P l、P 2、P 3 口内部均有提升电阻，冈此在不使用时可以悬空，唯有P 0 口内部没有上拉电阻，可以在复位之后用软件将不使用的引脚置零。在等待或掉电方式时，由于不执行取指令操作，故应在引脚上接入上拉或下拉电阻5 存储器的低功耗运行在低功耗单片微机系统的设计中，为了降低存储器的功耗，首先必须选用H C M O S 工艺的存储器，其次要采用维持工作方式5 1 采用H C M O S 工艺的存储器H C M O S 工艺的存储器与不带C 标号N M O S 存储器外型，管脚、功能和使用方法完全相同，般可以互换但功耗要小的多，所以系统中采用H C M O S 存储器系统功耗会大大降低。同时。由于存储器的功耗与容量基本无关，在系统设计时，要尽量采用容量大的存储器5 2 采用维持工作方式虽然H C M O S 存储器功耗小，但对便携低功耗系统来说，还需要进一步地减少，当存储器的片选端为“0”时存储器处于工作方式，工作电流大。当存储器的片选端为“1”时，存储器处于维持工作方式此时，存储器的功耗较小以下是实现维持工作方式的具体方法。+E P R O M 的维持工作方式：因E P R O M 芯片的片选端为。0”时，可对其读操作功耗较大，当端为。1”时，芯片处于节电的维持工作方式。所以在低功耗系统中，通常将片选端与允许读端起接到8 0 C 3 1 的读指令信号输出脚上如图1 所示只有在读指令时，芯片才被选中对于进入待机方式单片微机系统8 e C 3 1 的脚输出“1”电平正好使E P R O M 进入节电维持工作方式而对于进入掉电方式单片微机系统，由于脚输出。0”电平，需使用图2 所示的连接方式。在进入掉电方式前，先将P 2 7 置。1”这样平时，P 2 7 为“0”。8(3(2 3 1 可以对E P R O M 读写，掉电时P 2 7 为1强迫E I CV 0 1 82 0 0 1N o 51 7 万方数据鲤塑盐煎簦望鲤E P R O M 进入维持工作方式。但当E P R O M 容量大于3 2 k B时这时不能用P Z 7 脚，可改用P I 口，如图3 所示R A M 及E E P R O M 的维持工作方式：C M O S 静态R A M 和E E P R O M 同样是当片选端接选仪器仪表用户中信号。0”时存储器处于耗电工作方式若片选端接非选中信号。1”时，存储器处于节电的维持工作方式若采用图4 的电路在没有对该芯片读写时，存储器就必然处丁节电的维持工作方式田1图2圉36 在软件设计E 采取相应措施不采用动态扫描显示方式而应当利用镇存器采用静志显示方式以减少C P U 的工作时间，如L C L 0 0 4 可用于静态显示的镇存、译码、驱动、显示为一体的C M O S 器件。+尽量不要使用软件延时，采用定时中断的工作方式以减少C P U 的工作时间例如在A D 转换及数据采集时应采用信号中断采集方式或定时中断采集方式而不要采用软件情环延时采集方式t 由于单片微机在待机时片内定时计数器仍处于工作状态。因此在低功耗设计时，应尽量充分地利用待机时单片帆内定时计散器的功能来计时和计数这样既节约了功圈4耗，又完成了测量工作。+低功耗单片微机系统通常使用R S-2 3 2 通信接口在通信模块的软件设计中，应尽量提高传送的波特率，发送和接收时不要循环等待，而应采用串行中断。7 结束语随着社会发展的需要，低功耗的单片微机系统会显得越来越重要，以上是关于低功耗单片微机应用系统设计方法可供参考参考文献1 李广军使用接口技术电子科技大学出版社1 9 9 72 张友德单片微型机复旦大学出版杜，2 0 0 01 8E l CV 0 1 82 0 0 1N O 5欢迎光临本千!I 网站h t t p：w w w e i c c o m c r l 万方数据单片机应用系统的低功耗设计单片机应用系统的低功耗设计作者：刘爱琴，梁为民，谷海红作者单位：刘爱琴,梁为民(河南安阳大学计算机系安阳 455000)，谷海红(鹤壁职业技术学院鹤壁456650)刊名：仪器仪表用户英文刊名：MAIN CONTENTS年，卷(期)：2001，8(5)被引用次数：2次 参考文献(2条)参考文献(2条)1.李广军 使用接口技术 19972.张友德 单片微型机 2000 相似文献(7条)相似文献(7条)1.期刊论文 高洪涛.马凯 C8051F单片机低功耗系统设计方法探讨-科技资讯2008,(12)本文介绍了一种C8051F系列单片机实现低功耗的传统设计方法,主要从以下三个方面进行了阐述:降低系统时钟频率,降低电源电压和合理选择电源管理方式.该设计方法尤其在便携式和手持式系统中有着广阔的应用前景.2.期刊论文 薛建国.XUE Jian-guo 基于HYM8563的80C51系列单片机低功耗系统设计-仪表技术2005,(4)介绍一种利用I2C实时时钟芯片HYM8563产生的多种中断方式,唤醒进入掉电状态的80C51系列单片机,由此技术构建的低功耗单片机系统.3.学位论文 艾玲 基于MSP430单片机的数字式压力表的设计与实现 2004 测量仪器仪表包括压力测量仪器的总的发展趋势是高性能、数字化、集成化、智能化、网络化.电池供电的数字式压力表的设计是为了满足市场对电池供电、长寿命、低功耗、低成本数字式、耐震压力表的需求,具有较为广阔的市场前景.该文介绍的是电池供电的数字压力表的开发工作.首先,文章对压力测量和数字式压力表的发展现状和发展趋势作了简单的综述,然后,文章对数字式压力表的总体设计、各模块的工作原理和软硬件实现、汇编语言程序软件设计进行了分述.数字式压力表的总体设计是围绕低功耗、低成本展开的.为降低功耗,无论是硬件还是软件设计上,都将低功耗设计思想贯穿始终.在硬件选择方面,选择MSP430系列超低功耗单片机、低功耗放大器、液晶显示器、采用低压差线性电压稳压器降低工作电压、选择较高内阻的压力传感器;在软件方面,采用间歇式工作模式,非采样期间只有显示器、稳压器处于活动状态;在保证性能要求的情况下缩短特殊A/D转换的时间等一系列措施,有效地将低了系统的能量消耗,从而使整个系统在单个锂电池供电的情况下,可以连续工作3年以上.为了降低整个系统的成本,在能够满足性能要求的前提下,尽量选择低成本元器件,简化系统设计;采用无电位器设计,降低成本,提高可靠性,在总体设计中选择了集成于单片机内部的Slope A/D转换器;在软件设计上,采用多点校准技术和线性插值方法,降低了对传感器的线性的要求,扩大了可选传感器的范围,从而降低了传感器的成本和整个系统的成本,提高了产品的竞争力.数字式压力表各个模块的软硬件设计和实现部分,较为详细具体地介绍了MSP430系列单片机内部模块包括基本时钟模块、Timer_A、Comparator_A以及除MSP430系列单片机外的主要外围模块包括低压差线性电压稳压器、外部存储器X25043,液晶显示器等各个模块的功能、工作原理、应用方法、相互之间的接口关系以及软件实现的方式等.软件设计采用模块化设计并贯穿低功耗设计思想,介绍了各个主要模块的程序流程并且给出了部分汇编程序代码.4.期刊论文 熊才高.Xiong Cai-gao 基于PIC单片机低功耗数据采集系统的设计-湖北工业大学学报2008,23(2)介绍了工业上温度、压力数据采集的低功耗系统设计.温度信号转换采用AD7416温度传感器,压力信号转换采用16位的A/D转换器AD7705;采集的数据可以存储在存储器内,系统采集数据的时间间隔可以设置,在数据采集间隔期间系统进入极低功耗状态.最后探讨了PIC单片机低功耗系统的设计方法.5.会议论文 熊才高 基于PIC单片机低功耗数据采集系统的设计 2008 介绍了工业上温度、压力数据采集的低功耗系统设计.温度信号转换采用AD7416温度传感器,压力信号转换采用16位的A/D转换器AD7705;采集的数据可以存储在存储器内,系统采集数据的时间间隔可以设置,在数据采集间隔期间系统进入极低功耗状态.最后探讨了PIC单片机低功耗系统的设计方法.6.期刊论文 邱玉春.邱玉明 PIC单片机系统低功耗设计方法-微型机与应用2001,20(5)PIC系列单片机低功耗系统的基本设计方法及实际系统调试时对低功耗方面的故障分析。同时针对PIC系列单片机的典型振荡电路,介绍了振荡电路的具体设计方法。7.学位论文 陈进 基于DSP与GPRS的监控系统硬件设计及其应用 2008 本论文针对当前基于视频的无人监控职守系统存在的问题给出了一种基于DSP与GPRS技术的设计思想。该设计思想充分利用当前的DSP技术、GPRS技术、超低功耗设计技术，具有工作效率较高、建设成本低、管理智能化、操作简单、维护容易、环境适应性好等优点，弥补了当前此类监控系统管理智能化有限的不足，具有广阔的应用前景。论文按照该设计思想给出了一套基于DSP与GPRS的新型监控管理系统，并完成该系统硬件部分的设计。论文还指出了该技术应用于水下基于视频监控系统的广阔应用前景。本文所做的工作包括以下几个方面：首先，分析了当前基于视频的无人监控职守系统存在的问题，在此基础上给出了基于DSP和GPRS技术的视频监控系统设计思想。并利用该思想设计了一套基于该思想的泊车管理系统，以解决当自前系统存在的问题。其次，确定本硬件系统总体方案及具体实施方案。本系统包括视频信号采集模块、信号存储和处理模块、监控及通信控制模块。文中对各个硬件模块设计的关键技术做了较详细的分析论证，包括视频A/D的存储控制、VHDL逻辑程序设计及CPLD低功耗设计，DSP大存储空间扩展技术设计，DSP作为SPI从设备的接口设计，单片机低功耗设计，单片机实时电源监控职守设计，单片机实时通信设计。这些设计从硬件上保证了系统设计要求。对上述硬件设计进行了印制板加工，调试完成全部设计的各个硬件功能单元，经长时间测试程序运行证明硬件系统设计正确，运行稳定，符合总体设计要求。最后，针对硬件电路功能完成各个模块的软件设计。本文对各个模块软件设计的关键性问题和调试遇到的问题做了深入的分析并给出具体解决办法。其中包括DSP使用C语言访问数据的问题，DSP的12C接口设计问题，DSP作为SPI从设备的通信问题，单片机低功耗设计的软件设计技术，DSP单片机GPRS实时通信软件结构设计技术。最后给出各个模块的软件调试结果，证明了该系统满足设计要求。引证文献(2条)引证文献(2条)1.韩丽敏 低功耗便携式人体生理信号监测系统学位论文硕士 20062.李映平 引信压电发电机原理及试验研究学位论文博士 2006 本文链接：http:/