基于C8051F系列單片機的低功耗技術(shù)分析與設(shè)計

　　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(shè)計的大部分功能，因此整個設(shè)計系統(tǒng)的功耗將主要集中在C805IF系列單片機的能量消耗上。

　　整個單片機系統(tǒng)的功耗應(yīng)該由4部分組成：振蕩器功耗、數(shù)字設(shè)備功耗、模擬外設(shè)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(shè)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(shè)備對數(shù)字設(shè)備的功耗影響很小。模擬外圍設(shè)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損耗。

　　1.1 振蕩器功耗分析

　　振蕩器（英文：oscillator）是用來產(chǎn)生重復(fù)電子訊號（通常是正弦波或方波）的電子元件。其構(gòu)成的電路叫振蕩電路。能將直流電轉(zhuǎn)換為具有一定頻率交流電信號輸出的電子電路或裝置。種類很多，按振蕩激勵方式可分為自激振蕩器、他激振蕩器；按電路結(jié)構(gòu)可分為阻容振蕩器、電感電容振蕩器、晶體振蕩器、音叉振蕩器等；按輸出波形可分為正弦波、方波、鋸齒波等振蕩器。廣泛用于電子工業(yè)、醫(yī)療、科學(xué)研究等方面。

　　外部振蕩器具有很高的可配置性，為系統(tǒng)設(shè)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(luò)都能夠提供較低的振蕩頻率。

　?。?）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(guān)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(shè)備的時鐘源。注意，即使在某一端口應(yīng)用了高頻信號，功耗仍只有少量的增加。

　?。?）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）。

　　晶振全稱為晶體振蕩器，其作用在于產(chǎn)生原始的時鐘頻率，這個頻率經(jīng)過頻率發(fā)生器的放大或縮小后就成了電腦中各種不同的總線頻率。以聲卡為例，要實現(xiàn)對模擬信號44.1kHz或48kHz的采樣，頻率發(fā)生器就必須提供一個44.1kHz或48kHz的時鐘頻率。如果需要對這兩種音頻同時支持的話，聲卡就需要有兩顆晶振。但是娛樂級聲卡為了降低成本，通常都采用SRC將輸出的采樣頻率固定在48kHz，但是SRC會對音質(zhì)帶來損害，而且現(xiàn)在的娛樂級聲卡都沒有很好地解決這個問題。 晶振一般叫做晶體諧振器，是一種機電器件，是用電損耗很小的石英晶體經(jīng)精密切割磨削并鍍上電極焊上引線做成。這種晶體有一個很重要的特性，如果給它通電，它就會產(chǎn)生機械振蕩，反之，如果給它機械力，它又會產(chǎn)生電，這種特性叫機電效應(yīng)。他們有一個很重要的特點，其振蕩頻率與他們的形狀，材料，切割方向等密切相關(guān)。由于石英晶體化學(xué)性能非常穩(wěn)定，熱膨脹系數(shù)非常小，其振蕩頻率也非常穩(wěn)定，由于控制幾何尺寸可以做到很精密，因此，其諧振頻率也很準確。根據(jù)石英晶體的機電效應(yīng)，我們可以把它等效為一個電磁振蕩回路，即諧振回路。他們的機電效應(yīng)是機-電-機-電的不斷轉(zhuǎn)換，由電感和電容組成的諧振回路是電場-磁場的不斷轉(zhuǎn)換。在電路中的應(yīng)用實際上是把它當作一個高Q值的電磁諧振回路。由于石英晶體的損耗非常小，即Q值非常高，做振蕩器用時，可以產(chǎn)生非常穩(wěn)定的振蕩，作濾波器用，可以獲得非常穩(wěn)定和陡削的帶通或帶阻曲線。

　?。?）外部電容C模式

電容（或電容量， Capacitance）指的是在給定電位差下的電荷儲藏量；記為C，國際單位是法拉（F）。一般來說，電荷在電場中會受力而移動，當導(dǎo)體之間有了介質(zhì)，則阻礙了電荷移動而使得電荷累積在導(dǎo)體上；造成電荷的累積儲存，最常見的例子就是兩片平行金屬板。也是電容器的俗稱。

　　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1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?？梢酝ㄟ^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。

　　電容是指容納電場的能力。任何靜電場都是由許多個電容組成，有靜電場就有電容，電容是用靜電場描述的。一般認為：孤立導(dǎo)體與無窮遠處構(gòu)成電容，導(dǎo)體接地等效于接到無窮遠處，并與大地連接成整體。

　?。?）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(shè)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(shè)置。在驅(qū)動電流較大時用戶町以使用內(nèi)部振蕩器以降低功耗。