集成電路中真正單片化的單片機(jī)解析方案

隨著集成電路技術(shù)和工藝的飛速發(fā)展，真正單片化的單片機(jī)已經(jīng)成為主流產(chǎn)品。它的絕在部分資源都在單片機(jī)芯片內(nèi)部;過去需要用外部擴(kuò)展器件才能實(shí)現(xiàn)的功能，如 ROM、RAM、A/D、D/A、數(shù)字量I/O、顯示驅(qū)動(dòng)等功能，現(xiàn)在在單片機(jī)內(nèi)部就可以完成。單片機(jī)真正單片化，省去了大量的硬件開發(fā)調(diào)試工作，大大地提高了工作效率;系統(tǒng)先天的可靠性、抗干擾能力得到了顯著的改善。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試，實(shí)現(xiàn)同樣功能的系統(tǒng)，采用單片方式比總線擴(kuò)展方式具有更多的優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)不僅功能強(qiáng)、性能可靠、成本降低，而且進(jìn)一步微型化和便攜化。因此，使用電池作為系統(tǒng)的電源也越來越普遍。系統(tǒng)的最小電源消除和最大的電池壽命就成為主要的技術(shù)要求。例如1999年的多國儀器儀表展覽會(huì)上，不止一家國外公司展出了使用電池的工業(yè)流量計(jì)，5～10年都不必更換電池和進(jìn)行維護(hù)。所以低功耗單睡要同的應(yīng)用有著非常廣闊的天地。低功耗單片機(jī)應(yīng)用符合現(xiàn)代電子終端產(chǎn)品的要求：便攜、節(jié)能、可靠等。目前國際上先進(jìn)的單片機(jī)生產(chǎn)廠商，如日本NEC、富士通、愛普森和美國TI等公司都采用了低功耗設(shè)計(jì)。筆者在一些應(yīng)用中使用了日本NEC公司的78k0和78K0S系列的單片機(jī)，其休眠狀態(tài)下的功耗電流可達(dá)到 0.05～0.01μA。

1 單片機(jī)的低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)

1.1 高集成度的完全單片化設(shè)計(jì)

將很多外圍硬件集成到了CPU芯片中，增大硬件冗余。內(nèi)部以低功耗、低電壓的原則設(shè)計(jì)，這給單片機(jī)的低功耗設(shè)計(jì)提供了很強(qiáng)的支持。

1.2 內(nèi)部電路可選擇性工作

通過特殊功能寄存器選擇使用不同的功能電路，即依靠軟件選擇其中不同的硬件;對于不使用的功能使其停止工作，以減少無效功耗。

1.3 寬電源電壓范圍

先進(jìn)的單片機(jī)芯片工藝特別決定了單片機(jī)在很寬的電源電壓范圍內(nèi)部能正常工作。例如，NEC公司的 78K0和78K0S系列的單片機(jī)，可以在 1.8V～5.5V電源電壓范圍內(nèi)正常工作。單片機(jī)供電電壓范圍的放寬，可以進(jìn)一步拓寬單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域，尤其是便攜式或掌上型儀器或裝置，可以放心地使用電池作為電源，而不必關(guān)心電過程電壓曲線是否平衡、是否會(huì)影響單片機(jī)正常工作，更不必因電池供電而專門增加穩(wěn)壓電路，從而可減少大約1/3的功率消耗。

1.4 具有高速和低速兩套時(shí)鐘

系統(tǒng)運(yùn)行頻率越高，電源功耗就會(huì)相應(yīng)增大。為更好地降低功耗，內(nèi)部集成了兩套獨(dú)立的時(shí)鐘系統(tǒng)，高速的主時(shí)鐘和32.768kHz的副時(shí)鐘。也可在滿足功能需要的情況下按一定比例降低CPU主時(shí)鐘頻率，以降低電源功耗。在不需要高速運(yùn)行的情況下，可選用副時(shí)鐘低速運(yùn)行，進(jìn)一步降低功耗。通過軟件對特殊功能寄存器賦值可改變CPU的時(shí)鐘頻率，或進(jìn)行主時(shí)鐘和副時(shí)鐘切換。

1.5 在線改變CPU的工作頻率

可根據(jù)CPU處理任務(wù)的不同，在外部振蕩器不變的情況下，通過程序改變處理器時(shí)鐘控制寄存器PCC的值，在線改變CPU的頻率。CPU在幾種不同頻率下工作的電源功耗比較如圖1所示。

1.6 后備功能

后備功能是為了進(jìn)一步降低系統(tǒng)功耗。CPU用主時(shí)鐘時(shí)有HALT(待機(jī))模式和STOP(休眠)模式，用副系統(tǒng)時(shí)鐘時(shí)有副時(shí)鐘運(yùn)行模式和HALT模式。如表1所示。

表1 NEC單片機(jī)后備模式

1.7 內(nèi)部鐘表定時(shí)器

NCE 單片機(jī)內(nèi)部提供了時(shí)鐘定時(shí)器，每隔0.5s產(chǎn)生一次中斷。在系統(tǒng)處于休眠狀態(tài)時(shí)，仍可定時(shí)被喚醒。對于單片機(jī)只須間歇工作、但又需要實(shí)時(shí)計(jì)時(shí)功能的應(yīng)用場合，提供了非常有效的節(jié)能方法。CPU在不工作時(shí)可進(jìn)入STOP模式或HALT模式，進(jìn)入低功耗的后備功能狀態(tài)。當(dāng)時(shí)鐘中斷到來時(shí)，CPU回到正常工作狀態(tài)，進(jìn)入時(shí)鐘中斷處理程序做時(shí)鐘更新處理，然后再進(jìn)入后備功能狀態(tài)。

2 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中的低功耗設(shè)計(jì)主要注意的問題

(1)系統(tǒng)中單片機(jī)以外的其它電路器件盡可能選用靜態(tài)功耗低的器件，如選用CMOS電路芯片。

(2)外部設(shè)備的選擇也要盡可能支持低功耗設(shè)計(jì)。

(3)設(shè)計(jì)外部中斷喚醒電路，使單片機(jī)在等待時(shí)可進(jìn)入休眠模式或待機(jī)模式，需要時(shí)由外部中斷信號(hào)喚醒。

(4)設(shè)計(jì)外部器件的電源控制電路，使外部器件或設(shè)備在不工作時(shí)關(guān)斷供電，減少無效功耗。

(5)設(shè)計(jì)充分利用系統(tǒng)低功耗特點(diǎn)的軟件。