怎样构成低功耗单片机系统.pdf

自动化仪表 第卷第期年月怎样构成低功耗单片机系统赵晓妥河北工业大学,天津随着 大规模 集成电路的发展和单片机应 用 的普及,许多便携式智能仪仪器仪表以及在 特殊条件下应用的传感器和智能化材料都需要单片机。在这种情况下,除了要求单片机系统体积小、重量轻以外,很重要的一点就是要求系统低 功耗。要 降低整个系统 的消耗,务须从系统 中的各个环节抓起。下面就几个主要问题介绍笔者的体会。尽可能选用低功耗的器件和芯片选用随着微电子器件的发展,几乎 在每一个 双极型器件出现之后,马上就出现了具有相同管脚、相同功 能、可以直接互换使用 的低 功耗器件,这样就有可能设计出全部 由器件 构成的低功耗 单 片机系统。其 中,可用 的器件 有中叹系列的低 速数字集成电路系 列高速数 字集成电路与汗系列电路 完全兼容以及的单片机、存储器和一些外围电路。其中,单片机主要有几名公司的衍生系列位单 片机公司的伪系列位单 片机以及伪系列位 单片机公司的刊刃系 列位 机、邢以系 列位 机、系列位 单 片机,公司的已系列位单片机和十六位单片机。的存储器及系统外围芯 片有芯 片口、麟、口、等芯片有、等芯片有等芯片 还有带标志 的相应 接口电路,如、等。裕器件的功耗一般情况下,电路 的静态功耗极小,若注意控制 电路的静态 电平和负载电阻的接法,电路的静态功耗可减小到泌级。电路的 动 态功耗 与驱 动 信 号的波 形 有关,因为,数字集成电路的基本单元是一个反相器,它由一个增强型沟 道管和 另一个增强型沟道管 串接成互 补结 构组 成。该电路的“”态或,”态只有一个管子导通,另一个管子截止。当电路状态转换时从“,态 变成“”态或从“”态变成“”态,中间必有瞬间两个管子同时 导通,此时功耗最大。如果驱动信号前沿都比较陡峭,则功耗就小如驱动信号上升沿、下降沿都比较缓慢,则功耗就大。另外,动态功耗与逻辑 门节点 电容的充电电流有关。该分量的平均值等于其面积 对时间的积分 与重复频率的乘积。所以,充电电流 的平均值将随着 时钟频率的提高而线性增大。因此,一个单片机系统的时钟频率越高,它的功耗就越大。总之,一个电路动 态功耗的大小与该电路改变逻辑状态的频率及速度有关。电路逻辑状态改变的频率越大,改变的速度越低,电路的动态功耗越大。电路使用中的注意事项电路的逻辑电平电路的逻辑 电平和叨电路的逻辑电平相比有很大 的差别。电路的供电 电压范围很宽,并且其“”逻辑电平又接近 电源电压,“”逻辑电平接近于。考虑到大多数单片机通常工作 电源是,而电路的工作电源也是,为此列出几种芯片在二十条件下 的逻辑电平见表。表几种芯片的逻辑电平对照表逻辑电平呱盯叭州产既比口川洲,由表可以看出,电路冲义幻系列 之间可以互相驱动。了电路并不能驱动所有的及粥兀该侣们团皿口曰们陇们润,心,皿,怎样构成低功耗单片机系统越晓安电路,因为了几电路的高电平 输出低于和川沉刃系列电路 所 需的有 效 高电平 输 人踢。反之,电路可以驱动尸电路。但是系列电路的输入 电平与于,电路兼 容,而输出 电平 与电路兼容。未用引脚不能浮空由于电路是电压控制器件,它 的输人阻抗很高。如果输入引脚浮空,在输人引脚上很容 易积累电荷,产生较大 的感 应电动势。由于输人 端都有保护 电路,虽然感应电动势不会损坏器件,但很容易使输人引脚电位处于至间的过渡区域。这 时反相器沟道和沟道两个场效应管均处于导通状态,使电路功耗大大增加。因而电路的输人引脚不能浮空。电路的带负载能力电路的输出 电流 与】“电路相比不太大,但电路的输 入阻抗 很 高,输 入漏电流仅有几个微安,所以电路对电路的扇出系数极大,达以上。所以,在由全电路组成 的低 功耗单片机系统中,基本不必考虑总线驱动能力,接口芯片可以直接挂在总线上,不必加总线驱动。相 反,电路对二电路的扇出系数相对较 小 见 表,具 体情况要查看相应手册。表巧电路驱动能力喇幻系列工作。另一种节能方式就是掉 电运行模式。在掉电运行模式下,片内的振荡器停止工作,随着时钟的停止,单片机的各种 活动停止,只有 片内保持原来数值,各引脚的输出值仍保持原来值,这时单片机 的功耗也降至最小,达到几个微安或几个毫微安数量级。例如工艺在掉电模式时 电源电压 降 到玲公司的等系 列可降 到。在三种 工作模 式下的功耗 如表所不。表川三种工作模式的功耗工作模式功耗电流振荡频率供电电压正常运行认比待机方式掉电方式印认停振存储器的低功耗运行在一个单片机系统 中,存储器 的功耗 占有相当大的比重,所以要降低整个系统的功耗必须降低存储器的功耗。要解决这个问题必须选择低功耗的存储器芯片。另外,尽可能采用维持工作方式。过去 的存储器大多是器件,功耗较大。现 在市场上已大量 出现了工艺的存储器。表给出了常用的与存储器的功耗情况。表存储器的功耗翰出电流认】扇出解印充分利用单片机和外围芯片的低功耗运行方式对用于监测的仪表或便 携式仪表,其工作有的是定时的,有的是间断 的,有的是 随时 的,总之,不是连续、不间断地工作。在这种情况下,就要充分利用芯 片的节能功能。单片机的低功耗运行现在不少单 片机都设 计有节 能 低 功耗运行模式 待机运行模式和掉电运行模 式。一 旦系统进入待机运行模式,虽然片内的振荡器仍在继续振荡,但通往内部的时钟已被门电路切断,处于休眠状态。在进人待机模式之前的一瞬间,和的状态被完整地保存下来,如堆栈 指针、程序计数器、程序状态字等。待机状态虽然在休眠,但 内部 时钟仍供给中断电路、计数器 定时器、串行口,所以这些器件仍在型型号卫丝绝 兰 竺曳 匹匹工作电流维持电流流型号认田之汤如如已卫邸讲入讲以讲艾鸿由表可以看 出,存储器比存储器功耗小得多,维持电流比工作 电流更小。除了上述 的一要选芯片,二要 尽可能采用维持工作方 式外,还有一点,即由于功耗几乎与存储器容量的大小无关,所以在需要较大的存储器容量时,尽可能选一片大容量芯片而不选小容量芯片的多片组合。外围电路的处理采用液晶显示器下转第页自动化仪表第卷第期年月变量和配置参数进行浏览,这 就简化了对设备 的测试和配置工作。助润提供了一个管理窗口,用来对设备中的软件功能块进行测试、启动 关闭,或对设备本身进行测试、设置在线和离线状态。肠是第一种符合兮标准的网络管理工具。岭标准允许扣确、浅设备制造商开发支持自己产品的应用程序。这些应用程序可 自动集成到扣已沈中。这样 系统工 程 师和技 术 人 员 就能够方便地确认、启动、维护并测试那些辅助设备。肠沈中包括有 肠、合,通过它可以方便地配置 肠证玩址模块。为了便于监视和控制应用程序汪刀司还可以通过扮等方式支持第三方的软件。例如象的玩介和二的目与勿这 样的人机 界面 开 发 软件。肠还可以导人、导 出倒口田格式的文件,并生成在建文件。肠内集成的报告生成器也可以用来生成一份详细的网络配置报告。用户通过使用姐乃桃 调用词而模块中预装的应用 程序,并将肠、模块的这些软件功能块与第三方的川田改资源连接起来组成一个功能强大,可靠性高的分布式监控系统。词而可 以作为一个独立的控制系统运行,也可以与其它犯曰山或助双勺谁 设备集成起来,还可以与远程系统和远程监控站组成一个广域控制网。刀证系统包含了加月汤田技术的全部核心内容。系统集成商和最终用户使用 助证玩爪功能模块和系统集成工具软件可以方便、快捷地完成监控网络工程,这必然为 助。技术的推广应用起到巨大的推动作用。上接第页在低功耗 的单片机系统中需要数字显示 时,只能采用低压、微功耗的液 晶显示器。如果仅显示数字或字符可以选用笔划式液晶显示器。对于要显示 图形或 曲线的要选用点阵式液晶显示器。采用导老廿串行通信接口由于不少低功耗单片机系统作为野外工作的数据采集器时,测量到的数据都要送人通用高档微型计算机或工作站 去进一步处理,单片机一般应具 有标准的申行口,这时要尽可能采用申行通信。通常不配备打印机受功耗、体积和重量的限制,低功耗单片机系统通常都不配备打印机。需要打印的数据可 以先存储在它的半导体存储器中,然后再通过冬串行口传送给通用高档微型计算机打印出来。除了上述这些方法之外,要构成一个高性能、低功耗单片机系统还要选择好的电源系统。通常选高容量的电池或蓄电池。常常是 白天拿 出去工作,晚上带回来充电。另外,在电路设计中,尽量减少 电源的分流,比如电路中需要分压器时,尽可能选 用高阻值的电阻进行分压。总之,要处处减少 电源的消耗才能设计出一个功耗尽可能低的单片机系统。参考文献何立民孚系列单片机应用系统设计北京 北京航空航天大学出版杜,只李勋伪一单片微型计算机天津天律科技翻译 出版公司,翎收稿日期侧珍一一佣。作者赵晓安,女,年生,刃年毕亚于河能工学院,教授主要从事计葬机方面的教学和科研工作。,协,、,产心热烈庆祝自动化仪表编辑部 被上海 市工商行政管 理局、上海市 广告协会认定为一年 度上海市广告业“重信誉、创优质服务”先进单位,自自杖兀公粥以比刀刀贬用旧侧诬万匡人们叫,如,匕。,公加