基于Atmega48單片機(jī)的低功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：介紹了Atmega48單片機(jī)的特性，提出了其低功耗設(shè)計(jì)的一般方法，并以定時(shí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為例，具體說明Atmega48的低功耗設(shè)計(jì)方案。

隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，尤其是微機(jī)在各個(gè)領(lǐng)域的普遍應(yīng)用，功耗、成本、體積以及可靠性等指標(biāo)均成為設(shè)計(jì)者所關(guān)注的重要問題。尤其是在由電池供電的設(shè)備中，如何降低設(shè)備功耗成為設(shè)計(jì)的首要任務(wù)。本文中以ATMEL公司的Atmega48單片機(jī)為例，介紹了單片機(jī)低功耗設(shè)計(jì)的一般方法。

Atmega48單片機(jī)

低功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)首要是選擇合適的單片機(jī)。Atmega48單片機(jī)是一款8位微控制器，具有高性能、低功耗的顯著特點(diǎn)。由于采用RISC精簡指令集結(jié)構(gòu)，其指令集大多為單周期指令，具有高速運(yùn)行的特點(diǎn)。3V供電時(shí)，未使能內(nèi)部看門狗的情況下，Atmega48的典型掉電電流小于1uA。具體工作電流見圖1。而且該單片機(jī)在1.8V~5.5V的電壓范圍內(nèi)均能正常工作，片內(nèi)自帶4K字節(jié)的flash、256字節(jié)的E2PROM,以及512字節(jié)SRAM；并內(nèi)置6~8路10位AD轉(zhuǎn)換器、看門狗、3個(gè)16位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器、具有獨(dú)立振蕩器的實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)器RTC 和6路PWM輸出。另外還具有五種休眠模式，引腳變化及中斷可喚醒MCU。

        圖1 工作電流與系統(tǒng)頻率的關(guān)系  圖2工作電流與供電電壓的關(guān)系(128k)

低功耗設(shè)計(jì)方法

以單片機(jī)為核心構(gòu)成的系統(tǒng)，其系統(tǒng)的總能耗是由單片機(jī)能耗及其外圍電路能耗共同構(gòu)成。為了降低整個(gè)系統(tǒng)的功耗，除了要降低單片機(jī)自身的運(yùn)行功耗外，還要降低外圍電路的功耗。對外圍電路而言，首先選擇低電壓低功耗器件，如用LMV324代替?zhèn)鹘y(tǒng)的LM324，SP3223EEY代替MAX232等。其次，CMOS器件輸入引腳不能懸空。如果輸入引腳懸空，在輸入引腳上很容易積累電荷，產(chǎn)生較大的感應(yīng)電動(dòng)勢，使引腳電位處于0至1間的過渡區(qū)域。另外，單片機(jī)外圍電路應(yīng)盡量避免采用阻性元件。

Atmega48單片機(jī)的功耗主要與系統(tǒng)頻率，工作模式，電源電壓及外圍模塊有關(guān)。由圖1和圖2可知，Atmega48單片機(jī)的工作電流與其工作頻率、工作電壓成正比。

降低系統(tǒng)時(shí)鐘頻率
功耗與工作頻率有關(guān)。工作頻率增加時(shí)，功耗也線性的增加。系統(tǒng)工作頻率的降低，電路的延時(shí)增加導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降，因此在利用頻率降低系統(tǒng)功耗的時(shí)候，要在能耗和速度之間進(jìn)行權(quán)衡。

Atmega48的時(shí)鐘源可以選擇片內(nèi)的RC振蕩器，也可以是來自外部時(shí)鐘。片內(nèi)RC振蕩器提供了可校準(zhǔn)的8M時(shí)鐘和128k低功率振蕩器。外部時(shí)鐘可以選用低功率晶體，滿振幅晶體和低頻晶振。通過編程Flash 熔絲位，可以選擇所需的時(shí)鐘源。      
     
ATmega48可以通過設(shè)置時(shí)鐘預(yù)分頻寄存器CLKPR來得到分頻的系統(tǒng)時(shí)鐘。當(dāng)需要的系統(tǒng)處理能力比較低時(shí)可以利用這個(gè)特性來降低功耗。預(yù)分頻對所有時(shí)鐘源都適用，并且影響CPU 及所有同步外設(shè)的時(shí)鐘頻率。

單片機(jī)的時(shí)鐘系統(tǒng)主要包括：CPU時(shí)鐘，F(xiàn)lash時(shí)鐘，I/O時(shí)鐘，異步定時(shí)器時(shí)鐘和ADC時(shí)鐘。在大多數(shù)情況下，這些時(shí)鐘并不需要同時(shí)工作。時(shí)鐘功耗抑制寄存器PRR 提供終止單獨(dú)外設(shè)時(shí)鐘的方法以降低功耗。通過設(shè)置功耗抑制寄存器PRR，將不使用的外圍模塊關(guān)掉，以降低芯片功耗。例如，如果不使用ADC模塊，可以向功耗抑制寄存器PRR中的PRADC位寫“1”，關(guān)閉芯片的ADC模塊。同時(shí)，為了降低功耗，可以通過使用不同的休眠模式來禁止無需工作的模塊。

單片機(jī)的休眠模式
休眠模式可以使應(yīng)用程序關(guān)閉MCU 中沒有使用的模塊，從而降低功耗。AVR 具有不同的休眠模式，允許用戶根據(jù)自己的應(yīng)用要求實(shí)施剪裁。Atmega48單片機(jī)具有五種休眠模式：空閑模式、ADC 噪聲抑制模式、掉電模式、省電模式和等待模式。使用內(nèi)部128 kHz RC 振蕩器，其工作電流見表2。在此以空閑模式為例說明如何根據(jù)需要選擇最低功耗的運(yùn)行模式。因?yàn)檫@種休眠模式只停止clkCPU 和clkFLASH，而其他時(shí)鐘繼續(xù)工作。所以當(dāng)用SLEEP指令使MCU進(jìn)入空閑模式時(shí)，CPU停止運(yùn)行，而 USART、模擬比較器、ADC、兩線串行接口、定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器、看門狗和中斷系統(tǒng)則繼續(xù)工作。如果我們只需要其中一種或幾種模塊運(yùn)行，還可以啟用功耗抑制寄存器關(guān)閉其他模塊來降低功耗。具體程序如下：
ldi r16,$e7          
sts prr,r16      ;關(guān)閉未用外設(shè)
ldi r16,$01
out smcr,r16     ;進(jìn)入掉電模式
wait:
sleep
nop
rjmp wait 
值得注意的是在休眠模式，要使端口引腳配置為最小的功耗模式，必須避免引腳懸空和防止模擬輸入電平接近VCC/2時(shí)以消耗太多的電流。當(dāng)引腳未被使用，將引腳配置為輸入，并使能內(nèi)部上拉，給引腳一個(gè)確定的電平。

電源電壓的選擇
CMOS 邏輯電路中的電流與電源電壓成正比，功耗與電源電壓的平方成正比，因此降低器件的供電電壓可以減小功耗。芯片所要求的電源電壓為1.8-5.5V。由于供電電壓與芯片能工作的最大頻率有關(guān)聯(lián)，因此應(yīng)在頻率滿足處理速度的要求下，盡可能采用低的電源電壓。

表1 各種工作模式的典型供電電流值

典型設(shè)計(jì)

圖3是以ATmega48為核心的定時(shí)控制系統(tǒng)框圖。該系統(tǒng)是油井工具投放機(jī)的控制部分。設(shè)備勻速從地面向下投放，延時(shí)時(shí)間控制設(shè)備投放的深度。延時(shí)時(shí)間一到，電機(jī)馬上啟動(dòng)，使設(shè)備投放機(jī)停止運(yùn)行。延時(shí)時(shí)間由多圈線位器設(shè)定。設(shè)定值經(jīng)內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換后，在液晶上顯示。液晶采用北京青云公司的LCM061A模塊。該液晶能在2.7V-5.2V內(nèi)工作，且工作電流小。為了加強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力，PB1、PB2并聯(lián)使用，并通過TIP122直接驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)?？紤]到系統(tǒng)時(shí)鐘越低，功耗越低，并結(jié)合本系統(tǒng)的實(shí)際功能要求，時(shí)鐘源采用內(nèi)部128k低頻時(shí)鐘。在2節(jié)500mA可充電電池供電的情況下，系統(tǒng)能可靠的運(yùn)行14天。

                                   圖3定時(shí)控制系統(tǒng)框圖

                                  圖4  主程序流程圖

主程序流程圖如圖4所示。在主程序中，在程序初始化時(shí)，關(guān)閉未用到的外設(shè)模塊，避免消耗過多的電流。IO口初始化時(shí)，PD口為輸入口，使能內(nèi)部上拉。所有懸空的IO口都使能內(nèi)部上拉，使之有確定的電平。當(dāng)檢測到有按鍵按下時(shí)，單片機(jī)禁用對應(yīng)IO口的內(nèi)部上拉，避免內(nèi)部上拉電阻消耗不必要的電流。(ATmega48的引腳上拉電阻為30K~60K之間。)

在單片機(jī)完成初始化后，單片機(jī)進(jìn)入空閑模式，CPU停止運(yùn)行，定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。此時(shí)，實(shí)測消耗電流為0.14mA。當(dāng)定時(shí)時(shí)間一到，CPU即被喚醒，執(zhí)行響應(yīng)的程序后繼續(xù)進(jìn)入空閑模式。

結(jié)語

本文介紹了ATmega48單片機(jī)低功耗特性，并通過具體實(shí)例，說明了在硬件電路設(shè)計(jì)和編制程序時(shí)，應(yīng)注意的問題和低功耗設(shè)計(jì)方法，具有一定的參考價(jià)值?！?/P>