超低功耗嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)技巧

3．1．8 MCU時(shí)鐘
單片機(jī)的工作頻率和功耗的關(guān)系很大，頻率越高功耗越大。處理器動(dòng)態(tài)改變CPU時(shí)鐘的具體做法是：在CPU等事件發(fā)生時(shí)，引腳輸出低電平，增大電阻將會(huì)降低內(nèi)部的時(shí)鐘的頻率；當(dāng)需要處理事務(wù)時(shí)，輸出高電平減小電阻，提高時(shí)鐘頻率。實(shí)現(xiàn)這一技術(shù)的方法如圖6所示。當(dāng)CPU處于等待狀態(tài)下可以將I／O引腳輸出低電平，此時(shí)內(nèi)部時(shí)鐘頻率降低；當(dāng)CPU需要處理事務(wù)的時(shí)候，通過(guò)將I／O引腳設(shè)定為輸出高電平，電阻Rl的加入將提高時(shí)鐘頻率。

3．1．9 未用引腳
處理好處理器和CMOS芯片未用的輸入引腳。若未用的處理器引腳不加以處理，很容易造成電荷積累。根據(jù)電量與電容C和電壓U的關(guān)系Q=C·U可知，當(dāng)電荷的累積Q與電容C可比的情況下，就會(huì)產(chǎn)生影響引腳電平狀態(tài)的U，這個(gè)電平會(huì)隨著電荷的累積而導(dǎo)致數(shù)字邏輯狀態(tài)在“O”和“1”之間變化，當(dāng)輸入引腳電平處于O、1之間的過(guò)渡區(qū)時(shí)，會(huì)使電路中反相器的P管和N管都處于導(dǎo)通狀態(tài)，導(dǎo)致功耗大大增加。
CMOS電路未用的引腳，一般采取加上拉電阻(1～10 kΩ)的方法處理，為節(jié)能起見(jiàn)，阻值要取大一些。
3．1．10 局部電路的節(jié)電技巧
①采用RC振蕩器比晶體振蕩器或鎖相環(huán)更省電。
②接口電平要盡量匹配，以減少電平匹配電路帶來(lái)的額外功耗。
③在保證驅(qū)動(dòng)能力的前提下，電路中應(yīng)盡可能采用阻值較大的上拉／下拉電阻，以減小在電阻上的能量消耗。
④如果允許，適當(dāng)降低外部驅(qū)動(dòng)引腳的電壓。
⑤選擇合適的驅(qū)動(dòng)接口參數(shù)，以減小緩沖器的使用量。
⑥少用驅(qū)動(dòng)電阻或雙極晶體管，這些器件需維持恒定的電流，從而增加了電能消耗。
3．2 軟件方面
3．2．1 避免查詢(xún)方式和延時(shí)
A／D轉(zhuǎn)換器在采集少量的數(shù)據(jù)時(shí)，MCU讀取A／D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的方式有2種：查詢(xún)方式和中斷方式。查詢(xún)方式和中斷方式的低功耗特性相差甚遠(yuǎn)：使用中斷方式，MCU可以什么都不做，甚至可以進(jìn)入待機(jī)或者停止模式；而查詢(xún)方式下，MCU必須不停地讀取I／O端口寄存器，消耗很多額外的功耗。
如果系統(tǒng)的定時(shí)器資源充裕，在需要定時(shí)的場(chǎng)合，最好采用硬件定時(shí)器，當(dāng)定時(shí)器到了定時(shí)時(shí)間后，向MCU發(fā)出中斷請(qǐng)求信號(hào)，這樣可以減少M(fèi)CU的工作時(shí)間，進(jìn)而可以節(jié)省功耗。
3．2．2 運(yùn)行管理
①動(dòng)態(tài)電源管理(Dynamic Power Management，DPM)。有選擇地把閑置的系統(tǒng)部分置于低功耗狀態(tài)，從而有效地利用電能。充分利用處理器和外圍電路的低功耗工作模式，當(dāng)系統(tǒng)和外圍電路不工作的時(shí)候，軟件設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該使處理器和外圍電路及時(shí)地進(jìn)入待機(jī)或者休眠模式?？蛇x擇關(guān)斷CPU時(shí)鐘或系統(tǒng)時(shí)鐘，對(duì)時(shí)鐘的控制要做到忙時(shí)多用、閑時(shí)少用、不用關(guān)斷。
②間歇性使用電路的控制。對(duì)于間歇性使用的外圍電路，在軟件控制中通過(guò)片選使能端控制其工作時(shí)間。在某些功能沒(méi)有使用到時(shí)，適時(shí)地將嵌入式處理內(nèi)部電路的全部或部分關(guān)斷，或者進(jìn)入睡眠或待機(jī)狀態(tài)，同時(shí)關(guān)閉不用的外圍接口電路，如串口、ADC／DAC、I2C、SPI、PWM等電路。
③未用I／0引腳的軟件處理。對(duì)于未用的處理器I／O引腳，軟件中也要進(jìn)行初始化，若不進(jìn)行初始化，將有可能會(huì)增加單片機(jī)的漏電流，最好將其設(shè)置為輸入或者輸出，且接一個(gè)固定的電平。
3．2．3 用宏代替子程序
宏是在編譯器預(yù)處理階段進(jìn)行替代，而子程序調(diào)用中MCU需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)。進(jìn)入子程序之前要將當(dāng)前的MCU寄存器壓入RAM中分配的棧，在離開(kāi)的時(shí)候，要把棧中的內(nèi)容彈出來(lái)恢復(fù)MCU的寄存器，這樣至少會(huì)帶來(lái)2次對(duì)RAM的操作。盡管用宏增加了代碼的長(zhǎng)度，但是加快了代碼執(zhí)行的速度，對(duì)于目前很多MCU來(lái)說(shuō)，代碼的Flash空間根本不是大問(wèn)題，這種做法將會(huì)在一定程度上降低系統(tǒng)功耗。
3．2．4 采用高效率算法
①用查表的方法代替實(shí)時(shí)的計(jì)算。特別是在沒(méi)有硬件浮點(diǎn)處理單元的MCU進(jìn)行浮點(diǎn)處理的時(shí)候，直接用MCU進(jìn)行浮點(diǎn)處理將會(huì)消耗大量的時(shí)間。如果將一些運(yùn)算的結(jié)果事先計(jì)算好，存儲(chǔ)在程序存儲(chǔ)器的代碼段中，在需要某個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)用查表的辦法把數(shù)據(jù)取出來(lái)，可以減少M(fèi)CU的運(yùn)算量，有效地降低MCU的功耗。這種處理方法在離散余弦變換和A／D數(shù)據(jù)采集中能夠帶來(lái)可觀(guān)的效率提升。
②用移位運(yùn)算代替乘除法運(yùn)算。用MCU計(jì)算乘除法也是非常耗時(shí)的事情，如果盡可能避免直接的乘除運(yùn)算，而采用左移和右移的辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)，將會(huì)減少運(yùn)算時(shí)間，進(jìn)而節(jié)省功耗。如要進(jìn)行y=x·15的運(yùn)算，可以轉(zhuǎn)化為x4-x。對(duì)于特殊的除法，要采取右移的辦法。如3000÷256可以直接轉(zhuǎn)化為3 000>>8。當(dāng)然，除法的移位計(jì)算只能針對(duì)除數(shù)比較特殊的時(shí)候。
③采用快速算法。在搜索算法中，使用二分搜索算法和分段查找算法的效率是不同的。理論上可以估算，在1 024個(gè)測(cè)量值的查找中，二分搜索最壞情況下10次可以查找到結(jié)果，順序搜索最壞可能需要1 024次。這個(gè)在測(cè)量數(shù)值更多的情況下更為突出，一個(gè)高效率的查找算法有
助于減小程序運(yùn)行功耗。數(shù)字信號(hào)處理中的運(yùn)算，采用FFT和快速卷積等，可以節(jié)省大量運(yùn)算時(shí)間，從而減少功耗。
④在精度允許的情況下，使用簡(jiǎn)單函數(shù)代替復(fù)雜函數(shù)作近似也是減少功耗的一種方法。