基于C8051F系列單片機(jī)的低功耗技術(shù)分析與設(shè)計(jì)

　　1 C8051F各部分組件的功耗

　　當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)對(duì)功耗要求嚴(yán)格時(shí)，可以在硬件電路建立前首先粗略計(jì)算一下整個(gè)系統(tǒng)所需的功耗。由于C8051F系列單片機(jī)為數(shù)?；旌蟂OC系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)整個(gè)設(shè)計(jì)的大部分功能，因此整個(gè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的功耗將主要集中在C805IF系列單片機(jī)的能量消耗上。

　　整個(gè)單片機(jī)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(shí)鐘頻率決定。溫度與數(shù)字外圍設(shè)備對(duì)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(zhǔn)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(lái)產(chǎn)生重復(fù)電子訊號(hào)（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(hào)輸出的電子電路或裝置。種類(lèi)很多，按振蕩激勵(lì)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(jì)者提供了多種選擇。時(shí)基信號(hào)可以從外部CMOS電平時(shí)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(shì)。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(guò)改變振蕩器來(lái)降低功耗。對(duì)外部振蕩器來(lái)說(shuō)，外部CMOS時(shí)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(shí)鐘

　　當(dāng)工作于外部振蕩器CMOS時(shí)鐘模式時(shí)，外部振蕩器驅(qū)動(dòng)被關(guān)閉。電路功耗電流微小可以近似忽略。XTAL2輸出的時(shí)基信號(hào)可以用作CPU、計(jì)時(shí)器、PCA或其他外圍設(shè)備的時(shí)鐘源。注意，即使在某一端口應(yīng)用了高頻信號(hào)，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(shí)間基準(zhǔn)，但隨之而來(lái)的功耗在同一頻率下也更高。外部晶振依賴(lài)于晶振頻率和振蕩器驅(qū)動(dòng)電路（XFCN）。

　　晶振全稱(chēng)為晶體振蕩器，其作用在于產(chǎn)生原始的時(shí)鐘頻率，這個(gè)頻率經(jīng)過(guò)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(shí)現(xiàn)對(duì)模擬信號(hào)44.1kHz或48kHz的采樣，頻率發(fā)生器就必須提供一個(gè)44.1kHz或48kHz的時(shí)鐘頻率。如果需要對(duì)這兩種音頻同時(shí)支持的話，聲卡就需要有兩顆晶振。但是娛樂(lè)級(jí)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(huì)對(duì)音質(zhì)帶來(lái)?yè)p害，而且現(xiàn)在的娛樂(lè)級(jí)聲卡都沒(méi)有很好地解決這個(gè)問(wèn)題。 晶振一般叫做晶體諧振器，是一種機(jī)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(gè)很重要的特性，如果給它通電，它就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振蕩，反之，如果給它機(jī)械力，它又會(huì)產(chǎn)生電，這種特性叫機(jī)電效應(yīng)。他們有一個(gè)很重要的特點(diǎn)，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(zhǔn)確。根據(jù)石英晶體的機(jī)電效應(yīng)，我們可以把它等效為一個(gè)電磁振蕩回路，即諧振回路。他們的機(jī)電效應(yīng)是機(jī)-電-機(jī)-電的不斷轉(zhuǎn)換，由電感和電容組成的諧振回路是電場(chǎng)-磁場(chǎng)的不斷轉(zhuǎn)換。在電路中的應(yīng)用實(shí)際上是把它當(dāng)作一個(gè)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(shí)，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(chǔ)藏量；記為C，國(guó)際單位是法拉（F）。一般來(lái)說(shuō)，電荷在電場(chǎng)中會(huì)受力而移動(dòng)，當(dāng)導(dǎo)體之間有了介質(zhì)，則阻礙了電荷移動(dòng)而使得電荷累積在導(dǎo)體上；造成電荷的累積儲(chǔ)存，最常見(jiàn)的例子就是兩片平行金屬板。也是電容器的俗稱(chēng)。

　　外部電容模式通過(guò)將一個(gè)電容連接到XTAL2為系統(tǒng)提供低功耗時(shí)鐘。這是精度最差的一種時(shí)基方式，但同時(shí)也是最靈活的一種方式。只用1個(gè)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(dá)最低頻率的3000倍。可以通過(guò)改變?cè)贠SCXCN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(shí)基精度主要由電容的誤差和流過(guò)XTAL2的內(nèi)部電流源的精度決定。

　　電容是指容納電場(chǎng)的能力。任何靜電場(chǎng)都是由許多個(gè)電容組成，有靜電場(chǎng)就有電容，電容是用靜電場(chǎng)描述的。一般認(rèn)為：孤立導(dǎo)體與無(wú)窮遠(yuǎn)處構(gòu)成電容，導(dǎo)體接地等效于接到無(wú)窮遠(yuǎn)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(guò)一個(gè)外部電阻器。RC模式振蕩電路的平均功耗由通過(guò)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(jiǎn)化為三角波來(lái)估計(jì)平均值。

　　通常，設(shè)計(jì)者可以通過(guò)合理地選擇時(shí)鐘源達(dá)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(dòng)外部振蕩器的電流是變化的。對(duì)于一個(gè)外部振蕩源（如晶振），驅(qū)動(dòng)電流（由模擬電源提供）用軟件通過(guò)配置外部振蕩器控制寄存器OSCXCN的XFCN位來(lái)設(shè)置。在驅(qū)動(dòng)電流較大時(shí)用戶(hù)町以使用內(nèi)部振蕩器以降低功耗。