用于便攜式設備的低功耗MCU系統(tǒng)設計方法及應用

　　1、便攜式設備對處理器提出的挑戰(zhàn)
　　
　　隨著電子便攜式設備在全球的風行，人們對電子便攜式設備的要求也越來越高，希望產(chǎn)品有更多的功能，如手機攝像機自動對焦與手機閃信與計步器；希望產(chǎn)品功耗更低，如無線設備、手持POS機和家庭醫(yī)療產(chǎn)品；希望產(chǎn)品體積更小，如運動手表；希望產(chǎn)品的保密性好；處理能力強，如便攜式儀器和高精度運動控制；希望價格更低和開發(fā)周期短。
　　
　　然而困惑的是，很多的便攜式設備往往會同時要有上面的多個要求，然而現(xiàn)實中很難做到：同時滿足高速處理、低功耗和價格？ARM高速，但是功耗而價格高；同時滿足高速處理和小封裝？希望封裝面積小到3×3mm，又要不犧牲速度；同時滿足小封裝和SOC？需要ADC、SPI和12個I/O，而尺寸，最好小于5×5mm；開發(fā)周期，ARM性能完全合適，但ARM往往需要操作系統(tǒng)支持，開發(fā)周期長，而市場機遇稍縱即逝。
　　
　　為此，本文將從為電子便攜式設備開發(fā)解決上述這些難題出發(fā)，對如何設計一個低功耗的單片機系統(tǒng)與方法和MCU在低功耗方面的優(yōu)勢進行分析，并小尺寸系列單片機的應用為例作出介紹。

　　2、如何設計一個低功耗的單片機系統(tǒng)
　　
　　問題提出：單片機系統(tǒng)的功耗是否只是由單片機的功耗決定？回答是，以單片機為核心構成的系統(tǒng)，其系統(tǒng)的總能耗是由單片機能耗及其外圍電路能耗共同構成。為了降低整個系統(tǒng)的功耗，除了要降低單片機自身的運行功耗外，還要降低外圍電路的功耗。

　　2.1如何設計低功耗單片機系統(tǒng)？
　　
　　要設計一個低功耗的單片機系統(tǒng)，需要從硬件和軟件兩方面入手。

　　2.11硬件設計
　　
　　*選用盡量簡單的CPU內(nèi)核。在選擇CPU內(nèi)核時切忌一味追求性能。選擇的原則應 該是“夠用就好”。8位機夠用，就沒有必要選用16位機。一般來說，單片機的運行速度越快，功耗也越大。一個復雜的CPU集成度高、功能強，但片內(nèi)晶體管多，總漏電流大，即使進入STOP狀態(tài)，漏電流也變得不可忽視；而簡單的CPU內(nèi)核不僅功耗低，成本也低。
　　
　　*選用低電壓供電的系統(tǒng)。低電壓供電可以大大降低系統(tǒng)的工作電流。目前單片機從與TTL兼容的5V供電降低到3.3V、3V、2V乃至1.8V供電，降低單片機的供電電壓可以有效降低其功耗。供電電壓降低也是未來單片機發(fā)展的一個重要趨勢。
　　
　　*選擇帶有低功耗模式的系統(tǒng)。低功耗模式指的是系統(tǒng)的Idel(閑置)、Stop(停止)和Suspen(暫停)模式。處于這類模式下的單片機功耗將大大小于運行模式下的功耗。
　　
　　*選擇合適的時鐘方案。時鐘的選擇對于系統(tǒng)功耗相當敏感，有兩方面的問題要
注意：
　　
　　其一、系統(tǒng)總線頻率應當盡量低。單片機內(nèi)部的總電流消耗分為：運行電流和漏電流。單片機集成度越高，環(huán)境溫度越高，漏電流也越大。單片機的運行電流幾乎和其時鐘頻率成正比。降低時鐘頻率，就可以有效降低單片機的功耗。
　　其二、關于時鐘方案。是否使用鎖相環(huán)，使用內(nèi)部振蕩器還是外部振蕩器?，F(xiàn)代單片機普遍使用鎖相環(huán)技術，使單片機的時鐘頻率可以由程序控制。單片機使用外部較低的振蕩器，通過軟件控制，系統(tǒng)時鐘可以在一個很寬的范圍內(nèi)調(diào)整，得到比較高的總線時鐘。使用鎖相環(huán)會帶來額外的功耗。單就時鐘方案來講，使用外部晶振且不使用鎖相環(huán)是功率消耗最小的一種。有的單片機帶有內(nèi)部時鐘，也可使用外部時鐘。這可以根據(jù)實際系統(tǒng)的需要使用雙時鐘：一個高速時鐘和一個低速時鐘。處理事件時使用高速時鐘，空閑時使用低速時鐘。這鐘雙時鐘系統(tǒng)可以有效地降低功耗。

　　2.12應用軟件設計
　　　
　　應用軟件設計對于一個低功耗系統(tǒng)的重要性常常被人們忽略。一個重要的原因是，軟件上的缺陷并不像硬件那樣容易發(fā)現(xiàn)，同時也沒有一個嚴格的標準來判斷一個軟件的低功耗特性。盡管如此，設計者如果能盡量將應用的低功耗特性反映在軟件中，就可以避免那些“看不見”的功耗損失。
　　
　　*用“中斷”代替“查詢”。在沒有要求低功耗的場合，程序使用中斷方式還是查詢方式并不重要。但在要求低功耗場合，這兩種方式相差甚遠。使用中斷方式，CPU可以什么都不做，甚至可以進入等待模式或停止模式；而查詢方式下，CPU必須不停地訪問I／0寄存器，這會帶來很多額外的功耗。

　　*用“宏”代替“子程序”。子程序調(diào)用的入棧出棧操作，要對RAM進行兩次操作，會帶來更大的功耗。宏在編譯時展開，CPU按順序執(zhí)行指令。使用宏，會增加程序的代碼量，但對不在乎程序代碼量大的應用，使用宏無疑會降低系統(tǒng)的功耗。

　　*盡量減少CPU的運算量。減少CPU的運算工作量，可以有效地降低CPU的功耗。減少CPU運算的工作可以從很多方面入手：其一，用查表的方法替代實時的計算。其二，不可避免的實時計算，算到精度夠了就結束，避免“過度”的計算。其三，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)，盡量使用分數(shù)運算而避免浮點數(shù)運算等。其四，讓I／O模塊間歇運行，即不用的I／O模塊或間歇使用的UO模塊要及時關掉，以節(jié)省電能；不用的I/O引腳要設置成輸出或設置成輸入，用上拉電阻拉高。

　　3、單片機(MCU)在低功耗方面的優(yōu)勢。
　　
　　當今面臨的問題是，使用者或市場均對單片機(MCU)低功耗有嚴酷的要求，那么將如何來設計MCU來滿足市場？應該說，當今眾多廠商的MCU均有在低功耗面的優(yōu)勢，值此僅以Silabs MCU為例作分析說明MCU在低功耗方面的優(yōu)勢。

　　*供電電壓低。MCU供電電壓為2.0～5.25V。供電電壓低可以有效降低整個單片機系統(tǒng)的功耗。

　　*有多種低功耗模式。MCU的低功耗模式有Idle模式和Stop模式。為了更進一步地降低MCU的功耗，提高市場競爭力，從2006年下半年己推出的MCU都將帶有Suspend模式。這種模式下的功耗為納安級。

　　*有多種時鐘方案供選擇。MCU內(nèi)置振蕩器有高速震蕩模式和低速震蕩模式可供選擇。每種模式下的頻率又有多種選擇。而且還可以外接振蕩器。更重要的是，在MCU運行中，這些時鐘模式可以實時切換。這很方便客戶進行低功耗控制。例如：在處理數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)運行在高速狀態(tài)；空閑時運行在低速狀態(tài)。

　　*高速實時的中斷響應。MCU響應中斷的時間非常快，一般只需要5個系統(tǒng)時鐘周期。中斷響應速度快，CPU花費在等待方面的時間少，這可以節(jié)省不少的等待功耗。

　　*靈活的I/O設置。MCU的I／0口資源豐富，配置靈活。有三種配置方式：漏極開路、推拉輸出和弱上拉方式。用戶可以根據(jù)實際需要通過相關寄存器的設置來禁止或使能這些方式。其中將端口配置成漏極開路方式是最省電的方式。另外，MCU片上沒有用到的其他外設可以通過軟件來關閉?？傊?，根據(jù)項目的要求，靈活運用MCU的各種低功耗特性，通過軟件的控制，就可以很好地實現(xiàn)低功耗的要求。
　　
　　使用每MIPS功耗來衡量MCU的低功耗性能是相對比較準確。比如執(zhí)行一個需要10K條指令的任務，甲MCU的工作電流為3mA，速度為10MIPS，則甲MCU需要工作lmS完成該任務，消耗3mA*1ms*Vcc，然后甲MCU就可以進入低功耗模式了。而乙MCU的工作電流為1mA，速度為2MIPS，則乙MCU需要工作5mS完成，這樣乙MCU完成該任務的消耗為1mA*5mS*Vcc。電流大但是速度快的MCU可能更省電！4、MCU在低功耗方面的設計方法怎樣？
　　
　　一般來說，MCU的運行的速度越高，供電電壓越高，功耗也就越高。要降低單片機系統(tǒng)的功耗，就要降低單片機系統(tǒng)的供電電壓，降低MCU運行的頻率。
　　
　　舉例分析說明：客戶要做一個無線計時類產(chǎn)品，使用電池做供電電源，要求平均功耗不超過200uA。該產(chǎn)品是間歇工作的：當收到數(shù)據(jù)時激活，快速處理數(shù)據(jù)；當空閑時進入休眠狀態(tài)，來降低功耗，己有不少制造商可達150μA以滿蘭客戶要求。例如，C8051F333型MCU。

　　4.1看一下C8051F333的電氣參數(shù)就知道了
　　
　　*正常模式，CPU從Flash取指令。
　　
　　IDD(當Vdd=3.6v F=25MHz時)為10.7mA-11.7mA；IDD (當Vdd=3.0v F=25MHz時)為7.mA-8.3mA；IDD (當Vdd=3.6v F=1MHz時)為0.38mA；IDD (當Vdd=3.0v F=80Hz時)為31μA。
　　
　　*Idel模式，CPU停止工作。
　　
I　　DD(當Vdd=3.6v F=25MHz時)為4.mA-5.2mA；IDD (當Vdd=3.0v F=25MHz時)為3.8mA-4.1mA；IDD (當Vdd=3.6v F=1MHz時)為0.2mA；IDD (當Vdd=3.0v F=80Hz時)為16μA。
　　
　　光看上面兩個模式的數(shù)據(jù)，肯定不行。因為要滿足系統(tǒng)的運行速度，又要滿足低功耗≥1MHZ的頻率，則功耗都要超過客戶的要求。而正確答案是：在不降低MCU運行速度(MCU處理數(shù)據(jù)時的運行頻率是24.5MHZ)的情況下，客戶使用C8051F333成功實現(xiàn)了低功耗的要求：比150μA還低， 真可謂魚和熊掌兼得。

　　4.2它是怎樣實現(xiàn)的？
　　
　　見圖1所示。使用了內(nèi)外兩種晶振。工作時使用內(nèi)部高速晶振24.5MH2，空閑時切換到外部低速晶振32.768KH2，并且進入Idle模式。并且把沒有用到的外設全部關閉，就這么簡單。由此看出，功耗是一個系統(tǒng)的問題，單片機系統(tǒng)的功耗是由MCU和其外圍電路的功耗共同決定的，低功耗是無數(shù)個細節(jié)省出來的。

　　5、小尺寸單片機在便攜式設備中的應用
　　
　　面對如今便攜式設備提出的挑戰(zhàn)單片機，如何應對挑戰(zhàn)？而用小尺寸單片機是在一種理想的舉措應對，值此以C8051F小尺寸單片機為例，分析其在便攜式設備中的應用。為此先介紹C8151F小尺寸單片機應用特征。

　　5.1C8051F小尺寸單片機應用特征
　　
　　概括為：小封裝，低功耗， 寬電壓工作范圍(2.7V-3.6V)， 高速、高集成度與高保密性。

　　5.2應用
　　
　　以TFT屏背光管理、閃信應用為例說明。

　　5.21C8051F30X在彩色TFT屏背光中的應用
　　
　　隨著便攜式電子設備的普及，人們對其彩色顯示屏的要求也越來越高，LED正在被逐步應用于LCD的背光。傳統(tǒng)的LED背光是采用白色LED作為背光源，有以下的缺點：一般背光需要多個白色LED，但白色LED有個體差異，一致性不好，容易導致彩色顯示屏色彩不均勻，失真等現(xiàn)象；白色LED容易老化，使彩色顯示屏的亮度降低。產(chǎn)品如果有這些問題，容易給消費者留下不好的印象，消弱產(chǎn)品的競爭力。
　　
　　那應該如何去解決這些問題？而采用C8051F30x的彩色TFT屏背光方案就很好地解決了這些問題，其功能框圖(見圖2所示)如下：

　　*技術特征
　　
　　背光采用紅、綠、藍三色LED，發(fā)出的光組成白光。因為每種顏色的LED采用串聯(lián)連接方式，所以使用了AMS高性能的LED Driver AS3691；通過Avago的CoIor Sensor芯片HDJD-S722-QR999，檢測R、G和B三色的亮度；C8051F30x根據(jù)HOJD-S722-QR999送過來的信號，產(chǎn)生相應的PWM來控制R、G和B三色的亮度，使白光的效果始終在最佳狀；同時C8051F30x通過一個 接口與主CPU通訊，接收主CPU對亮度調(diào)整的控制命令。

　　*對MCU的要求
　　
　　屏的尺寸現(xiàn)在都很緊湊，同時厚度很薄，對MCU的尺寸要求很高，C8051F30x尺寸只有3×3mm，厚度只有0.9mm；要求具備PWM輸出，多路輸入的ADC和通訊接口；C8051F30x支持3個PWM輸出，多路復用的AD輸入，支持UART和 通訊接口，3×3mm的封裝上可以提供8個用戶I/O口。

　　*方案特點
　　
　　很好地解決了傳統(tǒng)的白光LED個體差異問題，使彩色顯示屏的色彩始終處在均勻狀態(tài)；很好地解決了白光LED老化帶來的亮度降低問題；C8051F30X、AS3691和HDJD-S722-QR999封裝小，容易和TFT顯示屏做成一個模塊；C8051F30X有Idee和Stop兩種低功耗模式，特別是Stop模式，其功耗小于0.1uA。當系統(tǒng)進入Stop模式時，可以使外圍電路關閉，進入省電狀態(tài)，當需要顯示時，由主控制器喚醒。

　　5.22 C8051F313在手機閃信和計步器中的應用
　　
　　隨著手機的普及，人們對手機的功能要求也越來越高。那些具有彰顯個性的手機越來越深受人們的喜愛，特別是年輕一族的喜愛;手機功能的增多，意味著手機體積的增大和功耗的增加，這與人們對手機小巧和待機時間長的要求又成了矛盾；要解決這些矛盾，手機設計者不得不追求元器件的小型化、低功耗和高性能；MCUC8051F313在手機閃信和計步器中的應用就是一個典型例子。圖3為C8051F313在手機閃信和計步器功能應用示意框圖。

　　*關于計步器
　　
　　計步器原理：人在行走或者跑步的加速度與時間軸大致成為一個正弦波；利用加速度，可以計算走了多少步，還可根據(jù)步幅進而估算所走的距離。
　　
　　計步器功能的實現(xiàn)：采用MCUC8051F313和MEMS IC加速度傳感器MAX6500；C8051F313采樣MAX6500兩路加速度傳感器的輸入，分析加速度，計算出走了多少步；根據(jù)步行者的步幅，還可以估算出所走的距離。

　　*關于手機閃信
　　
　　手機閃信原理：利用手機上的閃燈，在光線較暗的環(huán)境下，通過快速左右搖動手機，利用人類視網(wǎng)膜延時現(xiàn)象，造成視覺殘像，從而形成連續(xù)的光影信號，令受信者視覺產(chǎn)生連續(xù)信息。
　　
　　手機閃信功能的實現(xiàn)：采用MCUC8051F313和MEMSIC加速度傳感器MAX6500；C8051F313接收要顯示的信息，并驅動相應的LED；MAX6500檢測加速度在X軸和Y軸的分量變化(力的大小和方向)，并送給C8051F313；C8051F313分析MAX6500檢測到的加速度信號，對要顯示的字符方向實現(xiàn)自動翻轉。

　　*手機閃信和計步器對MCU的要求
　　
　　體積要求苛刻：手機對MCU提出的要求極其苛刻，要在盡可能小的尺寸上提供最多的1/0口；C8051F313在5×5mm的封裝上提供了25個I/O和模擬輸入16個I/O口用來驅動16個LED；2個模擬輸入用來采樣加速度傳感器輸出；1個標準2線的控制器用來與Baseband CPU進行通訊。

　　嚴格的低功耗設計：在STOP模式下功耗小于1μA；良好的I/O口設計確保待機時I/O對外阻抗很高，在兆歐級以上，有效切斷I/O口待機功耗。
　　
　　完善的大批量生產(chǎn)要求：一旦生產(chǎn)，編程數(shù)量將非常巨大，具有完善的量產(chǎn)編程方案，快速的手持編程器，無需PC參與，無需操作員熟悉編程方法，具有boot程序，在手機開機時自動加載應用程序，通過C2編程接口進行編程。又具有良好的保密功能。