基于C8051F系列單片機的低功耗設計

發(fā)布時(shí)間:2010-11-9 17:37    發(fā)布者:conniede
關(guān)鍵詞: C8051F , CMOS , 單片機 , 功耗
1 引言

在控制終端系統設計中,當系統要求整體功耗偏低時(shí),C8051系列單片機是一個(gè)最佳的選擇,它們擁有靈活的時(shí)鐘硬件,使系統能夠方便地在高效運作模式與低功耗模式間進(jìn)行轉換,智能的電源管理模式能夠在正常工作及待機狀態(tài)自由切換,從而降低整個(gè)系統的能量損耗,當工作頻率低于10kHz時(shí),時(shí)鐘丟失檢測器(MCD)能夠引發(fā)系統產(chǎn)生復位,確保系統工作的安全可靠。

2 C8051F各部分組件的功耗

當一個(gè)系統對功耗要求嚴格時(shí),可以在硬件電路建立前首先粗略計算一下整個(gè)系統所需的功耗,由于C8051F系列單片機為數;旌蟂OC系統,能夠實(shí)現整個(gè)設計的大部分功能,因此整個(gè)設計系統的功耗將主要集中在C8015F系列單片機的能量消耗上。

整個(gè)單片機系統的功耗應該由4部分組成,振蕩器功耗、數字設備功耗、模擬外設功耗及I/O端口功耗,振蕩器功耗包括內部振蕩器的功耗以及外部振蕩器功耗,數字設備能量消耗主要由CPU的工作模式,工作電壓及系統時(shí)鐘頻率決定,溫度與數字外圍設備對數字設備的功耗影響很小,模擬外圍設備功耗主要包含ADC,電壓基準VREF、溫度傳感器、偏壓發(fā)生器及內部振蕩器,比較器也有少量的能量功耗。

2.1 振蕩器功耗分析

外部振蕩器具有很好的可配置性,為系統設計者提供了多種選擇。時(shí)基信號可以從外部CMOS電平時(shí)鐘源、晶振或陶瓷諧振器、RC組合電路或外部電容獲得,每一種方法都有各自的優(yōu)勢,由于振蕩器可以靈巧地在各種方式中轉換,因此可以通過(guò)改變振蕩器來(lái)降低功耗,對外部振蕩器來(lái)說(shuō),外部CMOS時(shí)鐘,電容和RC網(wǎng)絡(luò )都能夠提供較低的振蕩頻率。

(1)外部CMOS時(shí)鐘

當工作于外部振蕩器CMOS時(shí)鐘模式時(shí),外部振蕩器驅動(dòng)被關(guān)閉,電路功耗電流微小可以近似忽略,XTAL2輸出的時(shí)基信號可以用作CPU、計時(shí)器、PCA或其他外圍設備的時(shí)鐘源,注意,即使在某一端口應用了高頻信號,功耗仍只有少量的增加。

(2)外部晶振

外部晶振提供了最精確的時(shí)間基準,但隨之而來(lái)的功耗在同一頻率下也更高,外部晶振依賴(lài)于晶振頻率和振蕩器驅動(dòng)電路(XFCN)。

(3)外部電容C模式

外部電容模式通過(guò)將一個(gè)電容連接到XTAL2為系統提供低功耗時(shí)鐘,這是精度最差的一種時(shí)基方式,但同時(shí)也是最靈活的一種方式,只用一個(gè)電容元件就可以提供8種不同的工作頻率,最高頻率幾乎可達最低頻率的3000倍,可以通過(guò)改變在OSCXCN寄存器中的XFCN位改變其振蕩的頻率,并直接影響其輸出的電流,外部電容方式下的時(shí)基精度主要由電容的誤差和流過(guò)XTAL2的內部電流源的精度決定。

(4)外部振蕩RC模式

RC模式與電容模式十分相似,區別在于外部電容方式下電容的充電電流由接到XTAL2的內部可編程電流源提供,并且在RC模式下充放電電路除了包含電容外還要通過(guò)一個(gè)外部電阻器。RC模式振蕩電路的平均功耗由通過(guò)電阻器的平均電流所決定,電阻器上的壓降成指數倍大小,其波形可以簡(jiǎn)化為三角波來(lái)估計平均值。

通常,設計者可以通過(guò)合理地選擇時(shí)鐘源達到降低功耗的目的,內部振蕩器消耗數字電源電流的典型值為200μA,用于驅動(dòng)外部振蕩器的電流是變化的,對于一個(gè)外部振蕩源(如晶振),驅動(dòng)電流(由模擬電源提供)用軟件通過(guò)配置外部振蕩器控制寄存器OSCXCN的XFCN位來(lái)設置,在驅動(dòng)電流較大時(shí)用戶(hù)可以使用內部振蕩器以降低功耗。

2.2 數字設備的功耗分析

數字設備的能量消耗主要是由CPU電流的大小來(lái)衡量的,CPU的電源模式是決定CPU電流大小、工作電壓及系統時(shí)鐘頻率的關(guān)鍵因素,通常,溫度和數字外圍設備對數字設備的功耗只有很小的影響。

(1)CPU電源管理模式

CPU有3種操作模式:正常狀態(tài),空閑狀態(tài)與停止狀態(tài)。通常,空閑狀態(tài)的平均電流值受控于內部振蕩器,正常模式時(shí)的電流值減去空閑模式時(shí)的電流值即為CPU正常運行的工作電流值。當寫(xiě)1到IDLE位時(shí),CPU結束指令周期進(jìn)入低功耗模式,直到被中斷或復位喚醒。在空閑模式下,所有的模擬與數字外圍設備、存儲器與內部寄存器都保持原來(lái)的值不變,被喚醒后,CPU開(kāi)始從設置空閑方式選擇位指令的下一條指令開(kāi)始執行,當寫(xiě)1到STOP位時(shí),CPU進(jìn)入停機模式,設置停機模式后,當前指令被執行完畢,內部振蕩器及所有的數字外圍設備全部停止工作,模擬外設(如比較器與外部振蕩器)保留其當前的狀態(tài)。在停止狀態(tài),MCU消耗最少的電流。

(2)CPU工作電壓、頻率及溫度對功耗的影響

工作電壓:CPU的工作電流會(huì )隨著(zhù)供電電壓的升高而增加,這種關(guān)系存在于任意一種工作頻率下,尤其在高頻運行時(shí)表現得更為明顯,理論上提供電壓最小可達到2.7V,但由于電壓調整本身有±10%的誤差率,因此系統通常供電電壓不會(huì )低于3V。

溫度:溫度對系統的功耗無(wú)影響。

工作頻率:CPU工作頻率對系統功耗有主要影響,在CMOS數字邏輯器件中,功耗與系統時(shí)鐘SYSCLK頻率成正比:

功耗=CV2f

式中:C是CMOS的負載電容;V是電源電壓,f是SYSCLK的頻率。

因此,為了降低功耗,設計者必須知道給定系統所需的最高SYSCLK頻率和精度,某些設計可能需要其系統時(shí)鐘頻率在全部工作時(shí)間內保持不變,在這種情況下,設計者將選擇滿(mǎn)足要求的最低頻率,并采用消耗最低功耗的振蕩器配置。

2.3 數字外圍設備與I/O接口的功耗分析

數字外圍設備(計數器、UART、PCA、SPI)的損耗占系統總功耗的比例很小,舉個(gè)例子,當C8051F單片機工作在3.06MHz(內部振蕩器8分頻),3V電壓時(shí),沒(méi)有一個(gè)數字外圍設備端口的工作電流超過(guò)700μA,而在啟動(dòng)計數器作為UART0數據傳輸時(shí)鐘后,系統的工作電流會(huì )增加18μA,這里,計數器與UART的功率損耗主要由其時(shí)鐘頻率及工作電壓來(lái)決定,利用交叉開(kāi)關(guān)配置通過(guò)I/O口為推挽模式,也能夠影響功耗的大小,在上述例子中,如果利用交叉開(kāi)關(guān)將UART0的TX端分配到P0.4口,則配置端口為推挽模式將令系統的工作電流再增加82μA,輸出引腳的功耗由連接在該引腳的外部電流頻率決定。

2.4 模擬外圍設備的功耗

模擬外圍設備功耗是ADC、溫度傳感器、內部偏置電壓產(chǎn)生器及內部振蕩器的功耗和,通常,只要ADC、內部振蕩器或溫度傳感器被激活,內部偏置電壓產(chǎn)生器就會(huì )自動(dòng)被使能。ADC在轉換期間的工作電流比ADC沒(méi)有轉換時(shí)的工作電流大30%-50%,SAR轉換時(shí)鐘頻率與采樣頻率也影響了功耗的大小,由于增加SAR轉換時(shí)鐘頻率或降低采樣率會(huì )縮短每次A/D轉換的時(shí)間,使系統在轉換間隙有更多的時(shí)間處于空閑狀態(tài),因此會(huì )大大降低系統功耗。

3 降低功耗的幾點(diǎn)考慮

要降低系統的平均功耗,需要從兩個(gè)方面考慮:首先是適當調整在所有時(shí)間一直影響系統工作的參數,通常工作電壓是重要考慮的參數,工作電壓決定了系統是否能夠處于正常運作狀態(tài),它可以由電壓調整器或一個(gè)電池來(lái)提供,對于一個(gè)節能系統,工作電壓應該被最小化,以節約能量。第二點(diǎn)就是構建合理的固件結構以降低功耗,要為系統設計兩個(gè)工作模式:一個(gè)為高效的運作模式;另一個(gè)則是以降低功耗為目的的睡眠模式,兩個(gè)模式的設計標準不同,但應盡量讓系統在大部分時(shí)間內處于睡眠模式,以降低系統的總功耗,下面詳細討論這兩個(gè)方面的設計。

3.1 降低工作電壓、減少工作電流

工作電壓對系統的總功耗起著(zhù)舉足輕重的作用,對于節能系統、應該盡量在保證系統安全可靠的前提下采用最低的工作電壓。通常電壓調制器會(huì )有10%的誤差率,因此在設計工作電壓時(shí)地最低的工作電壓應該為3V,此時(shí)電壓調制器的輸出電壓在2.7V與3.3V之間,也可以選擇用電池。在這里推薦使用鋰電池,鋰錳二氧化氮電池能夠無(wú)須任何調節地輸出穩定的2.85V電壓,并且該電池能夠直接連接到設備的電源引腳,無(wú)須擔心電池耗盡時(shí)會(huì )對系統工作有不良的影響,因此C8051F系列單片機中,片上電源監控器能夠確保在電池耗盡后系統自動(dòng)復位。

由于工作電壓通常是恒定的,因此經(jīng)常通過(guò)減小平均電流來(lái)降低系統的總功耗,平均工作電流是系統在單位時(shí)間內消耗的電荷量,對一個(gè)系統來(lái)說(shuō),其總的運行時(shí)間應該被分為兩個(gè)部分——高效工作期與低功耗休眠期,如圖1所示,高效工作期的工作電流偏大,而休眠期的電流非常小,平均工作電流是系統在這兩部分時(shí)間的總電荷量與時(shí)間相除所得的平均值,因此如果想減小平均電流值,唯有通過(guò)兩種方法解決——縮短高效工作期的時(shí)間或減小高效工作期的峰值電流,設計者應該盡量從這兩方面著(zhù)手設計系統,以達到降低總功耗的目的。



3.2 設計一個(gè)低功耗的休眠模式

可以通過(guò)設計低功耗休眠模式,令系統在非工作期一直處于低消耗狀態(tài),從而達到減小整個(gè)系統工作電流的目的。休眠模式可以通過(guò)將電源管理模式設定為空閑或停止狀態(tài)來(lái)實(shí)現,通常會(huì )設定空閑模式,因為該模式更容易被恢復,需要注意的是,在休眠模式下應該關(guān)閉所有不需要的外圍設備,并配置休眠模式的時(shí)鐘為外部振蕩器,因為外部振蕩器能夠禁止內部振蕩器的振蕩,并能以非常低的時(shí)鐘基準進(jìn)行振蕩,這里有兩個(gè)可選的振蕩器:36.728kHz晶振與單電容模式外部振蕩器。

外部電容模式振蕩器消耗的功耗比晶振低,但沒(méi)有晶振精確。其優(yōu)勢在于能夠使鐘控外圍設備(如定時(shí)器)的頻率低度低于10kHz,同時(shí)由于其組成只包含1個(gè)電容,相比于晶振的2個(gè)裝載電容及1個(gè)電阻器結構,能夠節省PCB板的空間,若在設計中使用了高頻晶振,則可將裝載電容連接到XTAL2引腳,作為外部振蕩器使用,并可在C模式下為休眠模式提供一個(gè)較低頻率的時(shí)鐘。

3.3 設計一個(gè)高效運作模式

高效運作模式的設計應該以盡可能縮短完成作業(yè)所需時(shí)間為標準,使得系統能夠盡快地恢復到休眠模式,模式的設計包括調整工作電流的峰值以及時(shí)鐘頻率,以減小高效工作期間的總電荷量,通常在高效工作模式下使用內部振蕩器,更有益于系統總功耗的降低。

下面以ADC采樣為例,比較、分析兩種設計中系統功耗的消耗率情況。

片上溫度傳感器以10Hz速率采樣,系統的外部晶振連接到XTAL與XTAL2之間,定時(shí)器2每100ms溢出產(chǎn)生一個(gè)中斷,將系統從空閑模式喚醒。當系統被激活后,系統捕捉ADC采樣數據,然后重新返回空閑模式,直到下一個(gè)中斷發(fā)生。

由于該系統是電池供電,因此系統應盡量減少每次A/D采樣所消耗的電荷,由于電荷量是一段時(shí)間內電流的總量,因此可以通過(guò)縮短采樣時(shí)間或減小采樣時(shí)的峰值電流來(lái)節約能量。也就是說(shuō),在捕捉ADC采樣數據時(shí),系統可以選擇轉換到3MHz的內部振蕩器,在短時(shí)間內使用大的電流,或是用外部32kHz的晶振作為系統振蕩器,使單片機在長(cháng)時(shí)間內使用較小的電流值。

根據以上分析,進(jìn)行了兩種設計,一種設計是在采樣時(shí)一直采用外部32.768kHz晶振作為系統時(shí)針基準,另一種設計是在采樣時(shí)將振蕩器轉換到內部振蕩器,以縮短A/D轉換的時(shí)間,兩個(gè)系統在不采樣時(shí)都處于同樣的空閑模式。

第1個(gè)系統從空閑模式被喚醒后,系統直接啟動(dòng)了ADC設備開(kāi)始采樣,系統沒(méi)有轉換到內部振蕩器,而是仍采用原來(lái)的32kHz晶振作為系統的時(shí)鐘基準,A/D轉換結束后,系統讀取采樣值,關(guān)閉ADC并重新進(jìn)入空閑模式,為了捕捉采樣數據,系統在峰值工作電流0.65mA上持續了1.5ms,第2個(gè)系統從空閑模式被喚醒時(shí),系統啟動(dòng)內部振蕩器與ADC,轉換系統時(shí)鐘基準為內部振蕩器8分頻模式,并開(kāi)始ADC轉換,轉換完成后,讀ADC數據,而后停止ADC及內部振蕩器并令CPU回到空閑模式,為了捕捉ADC采樣數據,系統在峰值工作電流2.2mA上持續了400μs,利用公式:




計算可得,第1種設計系統的平均電流為15μA;而第2種設計系統的平均工作電流為14μA,在3V鋰電池供電的情況下,第1種設計電池的壽命為40000h;而第2種設計電池的壽命為42000h。

從這個(gè)離子可以看出,在系統高效工作時(shí)提高系統的時(shí)鐘頻率能夠減小系統的平均工作電流,從而降低系統的總功耗。
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