基于C8051F系列單片機的低功耗設計

引言

在控制終端系統(tǒng)設計中，當系統(tǒng)要求整體功耗偏低時，c8051系列單片機是一個最佳的選擇，它們擁有靈活的時鐘硬件，使系統(tǒng)能夠方便地在高效運作模式與低功耗模式間進行轉(zhuǎn)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，從而降低整個系統(tǒng)的能量損耗，當工作頻率低于10khz時，時鐘丟失檢測器（mcd）能夠引發(fā)系統(tǒng)產(chǎn)生復位，確保系統(tǒng)工作的安全可靠。

1 c8051f各部分組件的功耗

當一個系統(tǒng)對功耗要求嚴格時，可以在硬件電路建立前首先粗略計算一下整個系統(tǒng)所需的功耗，由于c8051f系列單片機為數(shù)模混合soc系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)整個設計的大部分功能，因此整個設計系統(tǒng)的功耗將主要集中在c8015f系列單片機的能量消耗上。

整個單片機系統(tǒng)的功耗應該由4部分組成，振蕩器功耗、數(shù)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(nèi)部振蕩器的功耗以及外部振蕩器功耗，數(shù)字設備能量消耗主要由cpu的工作模式，工作電壓及系統(tǒng)時鐘頻率決定，溫度與數(shù)字外圍設備對數(shù)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(nèi)部振蕩器，比較器也有少量的能量功耗。

1.1 振蕩器功耗分析

外部振蕩器具有很好的可配置性，為系統(tǒng)設計者提供了多種選擇。時基信號可以從外部cmos電平時鐘源、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(zhuǎn)換，因此可以通過改變振蕩器來降低功耗，對外部振蕩器來說，外部cmos時鐘，電容和rc網(wǎng)絡都能夠提供較低的振蕩頻率。

（1）外部cmos時鐘

當工作于外部振蕩器cmos時鐘模式時，外部振蕩器驅(qū)動被關閉，電路功耗電流微小可以近似忽略，xtal2輸出的時基信號可以用作cpu、計時器、pca或其他外圍設備的時鐘源，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間基準，但隨之而來的功耗在同一頻率下也更高，外部晶振依賴于晶振頻率和振蕩器驅(qū)動電路（xfcn）。

（3）外部電容c模式

外部電容模式通過將一個電容連接到xtal2為系統(tǒng)提供低功耗時鐘，這是精度最差的一種時基方式，但同時也是最靈活的一種方式，只用一個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基精度主要由電容的誤差和流過xtal2的內(nèi)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(qū)別在于外部電容方式下電容的充電電流由接到xtal2的內(nèi)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一個外部電阻器。rc模式振蕩電路的平均功耗由通過電阻器的平均電流所決定，電阻器上的壓降成指數(shù)倍大小，其波形可以簡化為三角波來估計平均值。

通常，設計者可以通過合理地選擇時鐘源達到降低功耗的目的，內(nèi)部振蕩器消耗數(shù)字電源電流的典型值為200μa，用于驅(qū)動外部振蕩器的電流是變化的，對于一個外部振蕩源（如晶振），驅(qū)動電流（由模擬電源提供）用軟件通過配置外部振蕩器控制寄存器oscxcn的xfcn位來設置，在驅(qū)動電流較大時用戶可以使用內(nèi)部振蕩器以降低功耗。

1.2 數(shù)字設備的功耗分析

數(shù)字設備的能量消耗主要是由cpu電流的大小來衡量的，cpu的電源模式是決定cpu電流大小、工作電壓及系統(tǒng)時鐘頻率的關鍵因素，通常，溫度和數(shù)字外圍設備對數(shù)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(nèi)部振蕩器，正常模式時的電流值減去空閑模式時的電流值即為cpu正常運行的工作電流值。當寫1到idle位時，cpu結(jié)束指令周期進入低功耗模式，直到被中斷或復位喚醒。在空閑模式下，所有的模擬與數(shù)字外圍設備、存儲器與內(nèi)部寄存器都保持原來的值不變，被喚醒后，cpu開始從設置空閑方式選擇位指令的下一條指令開始執(zhí)行，當寫1到stop位時，cpu進入停機模式，設置停機模式后，當前指令被執(zhí)行完畢，內(nèi)部振蕩器及所有的數(shù)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的工作電流會隨著供電電壓的升高而增加，這種關系存在于任意一種工作頻率下，尤其在高頻運行時表現(xiàn)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(diào)整本身有±10%的誤差率，因此系統(tǒng)通常供電電壓不會低于3v。

溫度：溫度對系統(tǒng)的功耗無影響。

工作頻率：cpu工作頻率對系統(tǒng)功耗有主要影響，在cmos數(shù)字邏輯器件中，功耗與系統(tǒng)時鐘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(tǒng)所需的最高sysclk頻率和精度，某些設計可能需要其系統(tǒng)時鐘頻率在全部工作時間內(nèi)保持不變，在這種情況下，設計者將選擇滿足要求的最低頻率，并采用消耗最低功耗的振蕩器配置。

1.3 數(shù)字外圍設備與i/o接口的功耗分析

數(shù)字外圍設備（計數(shù)器、uart、pca、spi）的損耗占系統(tǒng)總功耗的比例很小，舉個例子，當c8051f單片機工作在3.06mhz（內(nèi)部振蕩器8分頻），3v電壓時，沒有一個數(shù)字外圍設備端口的工作電流超過700μa，而在啟動計數(shù)器作為uart0數(shù)據(jù)傳輸時鐘后，系統(tǒng)的工作電流會增加18μa，這里，計數(shù)器與uart的功率損耗主要由其時鐘頻率及工作電壓來決定，利用交叉開關配置通過i/o口為推挽模式，也能夠影響功耗的大小，在上述例子中，如果利用交叉開關將uart0的tx端分配到p0.4口，則配置端口為推挽模式將令系統(tǒng)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。

1.4 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(nèi)部偏置電壓產(chǎn)生器及內(nèi)部振蕩器的功耗和，通常，只要adc、內(nèi)部振蕩器或溫度傳感器被激活，內(nèi)部偏置電壓產(chǎn)生器就會自動被使能。adc在轉(zhuǎn)換期間的工作電流比adc沒有轉(zhuǎn)換時的工作電流大30%-50%，sar轉(zhuǎn)換時鐘頻率與采樣頻率也影響了功耗的大小，由于增加sar轉(zhuǎn)換時鐘頻率或降低采樣率會縮短每次a/d轉(zhuǎn)換的時間，使系統(tǒng)在轉(zhuǎn)換間隙有更多的時間處于空閑狀態(tài)，因此會大大降低系統(tǒng)功耗。

2 降低功耗的幾點考慮

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

2.1 降低工作電壓、減少工作電流

工作電壓對系統(tǒng)的總功耗起著舉足輕重的作用，對于節(jié)能系統(tǒng)、應該盡量在保證系統(tǒng)安全可靠的前提下采用最低的工作電壓。通常電壓調(diào)制器會有10%的誤差率，因此在設計工作電壓時地最低的工作電壓應該為3v，此時電壓調(diào)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須任何調(diào)節(jié)地輸出穩(wěn)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，無須擔心電池耗盡時會對系統(tǒng)工作有不良的影響，因此c8051f系列單片機中，片上電源監(jiān)控器能夠確保在電池耗盡后系統(tǒng)自動復位。

由于工作電壓通常是恒定的，因此經(jīng)常通過減小平均電流來降低系統(tǒng)的總功耗，平均工作電流是系統(tǒng)在單位時間內(nèi)消耗的電荷量，對一個系統(tǒng)來說，其總的運行時間應該被分為兩個部分——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(tǒng)在這兩部分時間的總電荷量與時間相除所得的平均值，因此如果想減小平均電流值，唯有通過兩種方法解決——縮短高效工作期的時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手設計系統(tǒng)，以達到降低總功耗的目的。

2.2 設計一個低功耗的休眠模式

可以通過設計低功耗休眠模式，令系統(tǒng)在非工作期一直處于低消耗狀態(tài)，從而達到減小整個系統(tǒng)工作電流的目的。休眠模式可以通過將電源管理模式設定為空閑或停止狀態(tài)來實現(xiàn)，通常會設定空閑模式，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閉所有不需要的外圍設備，并配置休眠模式的時鐘為外部振蕩器，因為外部振蕩器能夠禁止內(nèi)部振蕩器的振蕩，并能以非常低的時鐘基準進行振蕩，這里有兩個可選的振蕩器：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，但沒有晶振精確。其優(yōu)勢在于能夠使鐘控外圍設備（如定時器）的頻率低度低于10khz，同時由于其組成只包含1個電容，相比于晶振的2個裝載電容及1個電阻器結(jié)構(gòu)，能夠節(jié)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較低頻率的時鐘。

2.3 設計一個高效運作模式

高效運作模式的設計應該以盡可能縮短完成作業(yè)所需時間為標準，使得系統(tǒng)能夠盡快地恢復到休眠模式，模式的設計包括調(diào)整工作電流的峰值以及時鐘頻率，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(nèi)部振蕩器，更有益于系統(tǒng)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(tǒng)功耗的消耗率情況。

片上溫度傳感器以10hz速率采樣，系統(tǒng)的外部晶振連接到xtal與xtal2之間，定時器2每100ms溢出產(chǎn)生一個中斷，將系統(tǒng)從空閑模式喚醒。當系統(tǒng)被激活后，系統(tǒng)捕捉adc采樣數(shù)據(jù)，然后重新返回空閑模式，直到下一個中斷發(fā)生。

由于該系統(tǒng)是電池供電，因此系統(tǒng)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間內(nèi)電流的總量，因此可以通過縮短采樣時間或減小采樣時的峰值電流來節(jié)約能量。也就是說，在捕捉adc采樣數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)可以選擇轉(zhuǎn)換到3mhz的內(nèi)部振蕩器，在短時間內(nèi)使用大的電流，或是用外部32khz的晶振作為系統(tǒng)振蕩器，使單片機在長時間內(nèi)使用較小的電流值。

根據(jù)以上分析，進行了兩種設計，一種設計是在采樣時一直采用外部32.768khz晶振作為系統(tǒng)時針基準，另一種設計是在采樣時將振蕩器轉(zhuǎn)換到內(nèi)部振蕩器，以縮短a/d轉(zhuǎn)換的時間，兩個系統(tǒng)在不采樣時都處于同樣的空閑模式。

第1個系統(tǒng)從空閑模式被喚醒后，系統(tǒng)直接啟動了adc設備開始采樣，系統(tǒng)沒有轉(zhuǎn)換到內(nèi)部振蕩器，而是仍采用原來的32khz晶振作為系統(tǒng)的時鐘基準，a/d轉(zhuǎn)換結(jié)束后，系統(tǒng)讀取采樣值，關閉adc并重新進入空閑模式，為了捕捉采樣數(shù)據(jù)，系統(tǒng)在峰值工作電流0.65ma上持續(xù)了1.5ms，第2個系統(tǒng)從空閑模式被喚醒時，系統(tǒng)啟動內(nèi)部振蕩器與adc，轉(zhuǎn)換系統(tǒng)時鐘基準為內(nèi)部振蕩器8分頻模式，并開始adc轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完成后，讀adc數(shù)據(jù)，而后停止adc及內(nèi)部振蕩器并令cpu回到空閑模式，為了捕捉adc采樣數(shù)據(jù)，系統(tǒng)在峰值工作電流2.2ma上持續(xù)了400μs，利用公式：

計算可得，第1種設計系統(tǒng)的平均電流為15μa；而第2種設計系統(tǒng)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。

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