系統(tǒng)詳解Silabs MCU低功耗優(yōu)勢(shì)及經(jīng)典案例

　　盡量減少CPU的運(yùn)算量

　　減少CPU的運(yùn)算工作量，可以有效地降低CPU的功耗。減少CPU運(yùn)算的工作可以從很多方面入手：

　　A）用查表的方法替代實(shí)時(shí)的計(jì)算；

　　B）不可避免的實(shí)時(shí)計(jì)算，算到精度夠了就結(jié)束，避免“過(guò)度”的計(jì)算；

　　C）盡量使用短的數(shù)據(jù)類型，例如，盡量使用字符型的8位數(shù)據(jù)替代16位的整型數(shù)據(jù)，盡量使用分?jǐn)?shù)運(yùn)算而避免浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算等。

　　讓I/O模塊間歇運(yùn)行

　　A）不用的I/O模塊要關(guān)掉，間歇使用的I/O模塊要及時(shí)關(guān)掉，以節(jié)省電能。

　　B）不用的I/O引腳要設(shè)置成輸出或設(shè)置成輸入，用上拉電阻拉高。

　　總之，在單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，深入理解單片機(jī)低功耗的特性，并在硬件和應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)過(guò)程中充分利用單片機(jī)的低功耗特性，來(lái)設(shè)計(jì)出符合低功耗要求的產(chǎn)品。

　　SilabsMCU在低功耗方面的優(yōu)勢(shì)

　 　Silabs的C8051F系列單片機(jī)是從傳統(tǒng)的8051單片機(jī)衍生出來(lái)的一種新型高速單片機(jī)。它屬于CISC指令系統(tǒng)，但由于采用“流水線”結(jié)構(gòu)方式 處理指令，70％的指令的執(zhí)行時(shí)間為1個(gè)或2個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘，指令執(zhí)行的峰值速度為MIPS級(jí)別。雖然它的運(yùn)行速度很高，但是在低功耗設(shè)計(jì)方面具有獨(dú)特的優(yōu) 勢(shì)。這主要體現(xiàn)在：

供電電壓范圍寬

　　SilabsMCU的供電電壓范圍為2～5.25V。

　　寬的供電電壓范圍不僅為單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來(lái)方便，而且低的供電電壓可以有效地降低整個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)的功耗。

　　有多種低功耗模式

　 　SilabsMCU有Idle、Stop和Suspend三種低功耗模式。各種模式下片上資源狀態(tài)、功耗及喚醒的情況如表1所示。在Stop和 Suspend模式下，MCU的功耗可以降低到nA級(jí)。在Suspend模式下，有多種喚醒源，當(dāng)被喚醒時(shí)（非復(fù)位源喚醒），CPU不會(huì)對(duì)系統(tǒng)復(fù)位。在 Stop模式下，SilabsMCU有豐富的復(fù)位源使CPU被喚醒，如圖1所示。

　　有多種時(shí)鐘方案供選擇

　 　SilabsMCU都設(shè)計(jì)有兩套時(shí)鐘方案供選擇。用戶可以根據(jù)實(shí)際需要選擇內(nèi)部振蕩器或外部振蕩器，或者同時(shí)選擇內(nèi)、外振蕩器。內(nèi)部振蕩器可以通過(guò)相關(guān) 寄存器設(shè)置來(lái)選擇不同的頻率。其頻率范圍為：80KHz～100MHz。更為重要的是在MCU運(yùn)行中，可以實(shí)時(shí)高速地進(jìn)行內(nèi)、外時(shí)鐘切換。時(shí)鐘切換速度 快，切換產(chǎn)生的功耗小。這種特性，對(duì)于間歇工作的單片機(jī)系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)，特別有幫助。

　　靈活的I/O設(shè)計(jì)

　　SilabsMCU的I/O口資源豐富，配置靈活。有三種配置方式：漏極開(kāi)路、推挽輸出和弱上拉方式。用戶可以根據(jù)實(shí)際需要通過(guò)相關(guān)寄存器的設(shè)置來(lái)禁止或使能這些方式。其中將端口配置成漏極開(kāi)路方式是最省電的方式。

　　高速實(shí)時(shí)的中斷響應(yīng)

　　SilabsMCU響應(yīng)中斷的時(shí)間非?？?，一般只需要5個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期。中斷響應(yīng)速度快，CPU花費(fèi)在等待方面的時(shí)間少，這可以節(jié)省不少的等待功耗。

　　運(yùn)算速度快，處理數(shù)據(jù)能力強(qiáng)

　 　雖然Silabs的C8051F系列單片機(jī)屬于CISC指令系統(tǒng)，但由于它采用了“流水線”結(jié)構(gòu)方式處理指令，70％的指令的執(zhí)行時(shí)間為1個(gè)或2個(gè)系統(tǒng) 時(shí)鐘，突破了傳統(tǒng)的8051單片機(jī)運(yùn)行效率低的弱點(diǎn)，特別是它執(zhí)行乘法指令只要4個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘，執(zhí)行除法指令只要8個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘。與那些RISC指令系統(tǒng)的單 片機(jī)和那些速度低的CISC單片機(jī)相比，這不僅僅帶來(lái)了數(shù)據(jù)運(yùn)算的高效率，同時(shí)也極大地降低了系統(tǒng)的功耗。因此，使用每MIPS功耗來(lái)衡量Silabs的 C8051F系列單片機(jī)的功耗，無(wú)論是處理一般事件，還是做數(shù)據(jù)運(yùn)算，它都是非常低的，具有明顯的優(yōu)勢(shì)。圖2是和其他MCU做除法運(yùn)算的速度對(duì)比。從對(duì)比 中我們可以看出SilabsMCU具有高速處理數(shù)據(jù)能力的同時(shí)也帶來(lái)了更低的功耗。

　　總之，深入理解SilabsMCU低功耗的特性，根據(jù)實(shí)際情況，靈活運(yùn)用，就可以設(shè)計(jì)出滿足要求的低功耗產(chǎn)品。

　　SilabsMCU低功耗實(shí)現(xiàn)方法

　 　這里舉一個(gè)運(yùn)動(dòng)裝置的應(yīng)用，采用3V電池供電，間歇工作，要求平均功耗不大于200mA。使用SilabsMCUC8051F333成功地實(shí)現(xiàn)了低功耗 的應(yīng)用。選擇雙時(shí)鐘系統(tǒng)，即處理數(shù)據(jù)時(shí)使用內(nèi)部高速振蕩器25MHz，空閑時(shí)使用外部晶振32.768KHz（如圖3所示），并進(jìn)入Idle模式。

　　沒(méi)有使用到的片上模擬和數(shù)字外設(shè)全部關(guān)閉，沒(méi)有用到的I/O全部設(shè)置成漏極開(kāi)路方式。

　　下面我們分析一下在不同情況下，CPU的功耗情況。

　　在溫度-40℃～85℃范圍內(nèi)，工作電壓3V，系統(tǒng)時(shí)鐘25MHz的情況下，CPU的功耗典型值是7.8mA。其電氣特性參數(shù)表如表2所示。

　　我們還可以大概估算出在不同頻率下CPU的功耗。當(dāng)F>15MHz時(shí)，可以用下面的公式來(lái)估算：

　　IDD=IDD1-（F1-F）×IDD2（1）

　　其中IDD1是在不同電壓、最高頻率下正常工作時(shí)的最小功耗，F(xiàn)1是最高工作頻率，IDD2是F>15MHz，不同電壓下的IDD頻率敏感度。例如，VDD=3.0V；F=20MHz時(shí)，根據(jù)圖2可以算出：

　　IDD=7.8mA-（25MHz-20MHz）×0.21mA/MHz=6.75mA

　　當(dāng)F≤15MHz時(shí)，CPU的功耗可以用下面的公式來(lái)估算：

　　IDD=F÷1MHz×IDD2（2）

　　例如，VDD=3.0V；F=32.768KHz時(shí)，根據(jù)圖2可以算出：

　IDD=32.768KHz÷1MHz×0.38mA/MHz=12.45184mA

　　在溫度-40℃～85℃范圍內(nèi)，工作電壓3V，系統(tǒng)時(shí)鐘32.768KHz的情況下，CPU的功耗可以通過(guò)Idle模式下的電氣特性參數(shù)來(lái)計(jì)算。Idle模式下的電氣特性參數(shù)表如表3所示。

　　根據(jù)公式（2），Idle模式下的功耗為：

　　IDD=32.768KHz÷1MHz×0.20mA/MHz=6.5536mA

　　從上面的分析我們可以看出，使用外部低頻振蕩器，并進(jìn)入Idle模式，CPU的功耗可以降的很低。如果能用上Stop模式，功耗可以降低到0.1mA以下。在模擬該運(yùn)動(dòng)裝置真實(shí)使用環(huán)境的條件下，經(jīng)過(guò)使用儀器測(cè)試，平均功耗降低到了150mA以下。該產(chǎn)品目前已經(jīng)批量上市了。

　　結(jié)語(yǔ)

　　C8051F系列單片機(jī)封裝小，高集成度，低功耗特性好。只要根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際情況，認(rèn)真細(xì)致地分析產(chǎn)品的低功耗要求，靈活應(yīng)用SilabsMCU的低功耗特性，從硬件和應(yīng)用軟件兩方面入手，就可以設(shè)計(jì)出滿足不同要求的低功耗產(chǎn)品。