单片机的低功耗设计

单片机的低功耗设计（精选8篇）

单片机的低功耗设计 篇1

伴随电子科学技术日新月异的发展, 在人们日常生产生活中, 基于单片机系统设计的电子产品的应用日趋广泛, 这对单片机系统的能耗功率设计提出了更高的要求, 对单片机的低功耗设计这一课题的研究也越来越引起人们的重视, 这其中有其必然性。

首先, 单片机的低功耗设计迎合了现代社会节能潮流的要求;其次, 低功耗设计在大幅提高电子产品使用寿命的同时, 能够明显延长电子产品持续使用时间, 降低产品维护所产生的费用, 对产品竞争力的提高也有很大的帮助;此外, 对于一些使用电池的电子产品, 单片机的低功耗设计还有助于延长电池使用寿命, 减少废旧电池的产生, 对自然环境的保护具有积极的作用。

由此能够看出, 单片机的低功耗设计既能够创造很高的经济效益, 还具有较大的社会效益。发达国家对于单片机低功耗设计的研究起步较早, 取得了不少研究成果, 而国内对单片机低功耗设计的研究起步较晚, 但近几年来, 对于单片机的低功耗设计逐渐引起人们的重视与关注。现阶段, 我国对于单片机系统低功耗设计的水平还较低, 且大多还停留在对片面、局部的低功耗设计层面的追求上, 单片机系统真正完整全面的低功耗设计理论还尚未得到有效的推广与应用, 单片机的低功耗设计仍需不断的探索研究。

1、低功耗单片机应用系统的概念

低功耗单片机应用系统指的是, 以应用系统功耗的降低来作为性能评价指标的单片机系统。由于这类系统大多应用于一些较为特殊的场合, 因此多具有以下特点:

首先, 对于携带方便性的要求使得这类系统多具有重量轻、体积小、便于携带的特点;其次, 这类应用系统功耗的降低往往采用降低电路功耗的设计的方法, 在采用低功耗器件与芯片, 满足系统运行各种性能指标的基础之上, 通过硬件电路与软件设计降低功耗;由于这类系统大多在交流供电的应用方面存在一些问题困难, 各种电池、电瓶就成此类系统进行供电的主要手段;此外, 低功耗的单片机应用系统采用RS-232C串口行通信, 采用高抗干扰、低功耗的CMOS集成电路, 利用系统中的RAM、E2PROM等半导体存储器进行数据的存储, 通过串行接口进行数据的传输。

2、低功耗设计的内容与依据

2.1 降低单片机应用系统功耗的方法

合理运用电子器件的掉电、睡眠以及中断唤醒来实现电子产品的低功耗运行, 睡眠与掉电模式通过CPU时钟与系统时钟的关断达到降低功耗的目的;对功耗较大任务进行合理有效的集中, 以降低有效功耗的时间;采用快速进入掉电模式或者睡眠模式避免系统的无谓等待;在不影响系统运行的前提下降低包括总线速度、采集速率以及系统时钟的系统速率。

2.2 单片机应用系统本质低功率设计

单片机本质低功耗设计主要体现在对器件的选择以及电路的设计两个方面。在器件选择上, 在遵循频率宜慢不宜快、系统宜静不宜动、电压宜低不宜高的“三相宜”原则的基础上, 尽量实现系统硬件设计的全CMOS化。

对在CMOS器件的总功耗中, 较之静态功耗, 动态功耗多所占比重明显较大, 而对总功耗产生影响的因素主要为电源电压与工作频率, 因此对于CMOS器件功耗控制的主要方法为:电源电压控制、时钟控制以及静态化控制, 在电路的设计方面, 多采用低功耗的唤醒电路设计, 电源管理电路设计以及外围控制接口设计三类方式;此外, 在电子芯片选择上还应注重采用集成度高的芯片, 以代替单一功能集成度较低的芯片。电路的抗干扰能力, 与供电电压有关, 因此, 在采取较低供电电压以降低功耗时, 应加强电路的屏蔽与抗干扰能力设计。

3、单片机应用系统低功耗的硬件设计

3.1 选择合适的MCU及待机模式

选择低功耗的MCU对于降低单片机的功耗具有重要作用。假如使用51系列的单片机进行控制, MCU主要分为两种, 一采用CMOS管, 这类功耗较小, 工作电流大约有16mA (Vcc-5V) ;还有一种采用的是HMOS管, 功耗较大。若要求更低的功耗, 则可采用其他的低电压、低电流型号。选择好MCU后, 要根据单片机应用系统所应用的具体场合, 从多种待机工作模式中选择合适的模式, 最大可能的使MCU处于低功耗状态。

3.2 合理降低MCU的系统电压与工作频率

开关转换时对下一级输入端电容进行的充放电, 是CMOS电路工作电流消耗的主要来源, 如果MCU的工作频率降低了, 耗电也会相应降低, MCU工作频率不同时工作耗电的差异很大。此外, 低电压供电能够使系统的工作电流大为降低, 降低单片机的供电电压也能够有效的降低功耗。因此选择合适的系统电压, 降低MCU工作频率对于降低功耗具有积极意义。

3.3 实现扩展存储器件片选信号的充分运用

使用扩展存储器时, 片选有效时所产生的功耗是无效时所产生功耗的100倍左右, 因此, 要尽可能实现扩展存储器件片选信号的充分运用, 对芯片进行有效的控制, 以确保存储器只有在必要的时候才选通工作, 同时在满足其他要求, 不影响系统正常运行的前提下, 应最大可能的缩短扩展存储器片选脉冲的宽度。

3.4 合理处理I/O口

对于一些不用的I/O引脚要正确处理, 不能只是简单的不接。当一些不使用的I/O引脚悬空时, 外界如果出现一点干扰信号就极易成为反复振荡的输入信号, 带来无谓的功耗。CMOS器件功耗主要受门电路的翻转次数的影响, 即使接上拉电阻, I/O引脚仍会产生微安级的电流。对于不用的引脚, 最好设置成输出状态, 已经为输出状态的的最好置低, 而输入的要视外围的电路而定。

3.5 设置分区域电源控制电路

在进行外围电路设计时, 要设置各个分区域供电的电源控制电路, 外部的设备或者器件在不工作的状态下电源应及时关闭, 并将与其相连的I/O口置低, 以减少不必要的功耗。同时在等待状态时可以让单片机进入待机模式, 以节省一些不必要的功耗。

4、单片机应用系统低功耗的软件设计

4.1 合理应用“中断”方式

系统运行中, 程序对中断以及查询方式使用的不同, 对于应用系统功耗具有很大的区别。合理使用“中断”方式, 在一定程度上能够降低系统功耗, 在“中断”方式下, 系统处理器能够处于空闲状态, 而在查询方式下, CPU对于I/O寄存器不停地访问, 会产生许多额外的功耗。

4.2 用“宏”代替“子程序”

系统程序在运行过程中, 读取RAM会比Flash产生更大的功耗。因此, 在CPU设计方面, 对于ARM只能允许进行一次子程序的调用。当CPU进入到子程序时, 由于CPU寄存器的推入、弹出会给系统带来至少两次的RAM操作。程序员在编程变长的过程中可以适当考虑通过宏定义替代子程序的调用。调用一个宏还是一个子程序在程序的写法上基本相同, 可是宏能够在编译时展开, 单片机系统的CPU只是单纯的按顺序进行指令操作, 这就避免了对子程序的调用。虽然这会相应的带来代码量的增加, 但由于当前的单片机芯片内的Flash越来越大, 程序代码量的大小基本不会对工作量产生影响, 用“宏”代替“子程序”将会明显降低应用系统的功耗。

4.3 间歇运行I/O模块

I/O模块不用或者间歇使用时要注意及时关闭其电源。单片机应用系统通信采用的RS-232驱动时的功率较大, 这就应该通过一个I/O引脚进行控制, 在系统不需要通信时, 及时关闭驱动。注意对I/O引脚的初始化, 将不用的引脚要设置成输出或输入状态。要重点注意对一些简单封装的单片机, 个别没有引出的单片机的I/O引脚的初始化。

4.4 减少CPU运算量

实际操作过程中, 减少CPU运算量的方法有很多, 可以先将运算好的结果预先植入到Flash当中, 使用时通过查询的方式去代替实时的运算, 减少CPU的运算量, 很多能够有效降低CPU的功耗的单片机都具备快速有效的寻址方式与查表指令, 以优化一些难以避免的计算, 精度达到要求就结束运算, 以避免CPU“过度”的计算;尽可能使用一些短的数据类型, 如尽量使用分数运算而减少浮点数运算的使用。

结束语:

总之, 低功耗的单片机应用系统作为单片机系统设计的发展方向, 加强和推广单片机低功率设计的研究具有重要的现实意义。通过对系统硬件、软件设计的更新, 单片机应用系统在不远的将来会创造出更大的经济和社会效益。

摘要：单片机的低功耗设计是对当今社会节能潮流的迎合, 能够创造出巨大的经济与社会意义, 对于单片机的低功耗的研究越来越引起人们的关注。当前与发达国家相比, 国内在这方面的研究, 尚处于较低的层面。本文通过理论与实践的结合, 对单片机的低功耗设计进行了简单的探讨。

关键词：单片机,低功耗,设计

参考文献

[1]陈光建, 贾金玲.基于单片机的I~2C总线系统设计[J].仪器仪表学报, 2006, (S3)

[2]黄学功, 陈荷娟.炮口感应装定引信电路低功耗设计[J].南京理工大学学报 (自然科学版) , 2007, (05)

[3]林凌.适合初学者的89C51单片机仿真实验板 (一) [J].电子制作, 2006, (01)

[4]GSA低功耗论坛:统一规格加速低功耗设计[J].世界电子元器件, 2008, (04)

[5]加内别克.索力堂汉.浅析单片机[J].才智, 2008, (07)

单片机的低功耗设计 篇2

嵌入式处理器EP7211（核心模块）进行数据处理，传呼译码芯片接收传呼信息并根据传呼协议自动译码；LCD提供数据显示输出，触摸屏提供用户输入接口；Flash用来存储可执行应用程序和数据；SRAM为程序运行提供内存空间；语音录放电路完成快速语音记忆功能；串口和红外口完成相关的数据通信工作；电源电路为嵌入式处理器和各外围设备提供所需要的工作电压。

嵌入式处理器EP7211是Cirrus Logic公司专门为低成本、超低功耗的嵌入式应用设计。它包含基于RISC体系结构的ARM7TDMI处理器内核和丰富的外围接口，如CODEC音频接口、SPI串行A/D接口、单色LCD接口、RAM接口、串行红外接口、PWM接口、实时时钟RTC以及电源检测接口等。这些丰富的外围接口，不仅降低了系统的设计难度，同时也提高了系统工作的可靠性。EP7211的内核电路工作在2.5V，而外围电路工作在3.3V。它可根据具体情况对内核的时钟进行动态编程控制，可工作在18MHz、36MHz、49MHz和74MHz。另外，EP7211还有三种基本的工作状态：正常操作（operating）、空闲（idle）和等待（standby）。在等待模式时，主时钟被关断，整个CPU及相关外围（除中断和RTC）关断，但可通过触摸屏中断、传呼中断或复位按钮来唤醒。

系统软件开发平台采用了我们自主开发研制的、专门面向嵌入式应用系统开发的XGW平台。XGW开发平台措鉴Windows消息驱动机制，是用C语言开发实现的；它功能强大，模块化设计，扩展性强，产品升级容易，而且开发人员较为熟悉，开发成本低，其总体框架如图2所示。

图2全面反应了XGW软件开发平台的体系结构，包括事件消息驱动机制（XGW软件开发平台中的消息分为鼠标消息、键盘消息和定时器消息等三类）、内存管理、字符和图形显示输出、图形组件库等。图形组件库中的编辑框、列表框、按钮、进度条等图形控件为用户应用程序开发提供了应用编程接口API。不过，XGW平台对于系统硬件的中断响应没有提供统一的入口和出口，需要开发人员单独处理。

2 硬件低功耗

硬件低功耗主要从芯片制造工艺流程和硬件体系架构的角度出发，基本原理是尽量选用能够满足功能要求的功耗低的芯片。不过，芯片自身的功耗参数由制造厂商来决定，此处主要阐述CMOS芯片动态功耗以及动态电源管理两个方面。

(1)CMOS芯片动态功耗

随着半导体制造技术的发展，数字电路从TTL工艺转向CMOS工艺。TTL工艺为电流注入型电路，静态和动态电流消耗接近。CMOS工艺是压控型的，理想情况下(“0”、“1”的恒定状态)静态电流为0，实际情况下也是很小的。动态(“0”、“1”间的跳变状态)电流消耗占绝对主导地位。CMOS动态功耗计算公式为

式中： Pd--CMOS芯片动态功耗；

Ce--CMOS芯片等效电容；

V--CMOS芯片工作电压；

f--CMOS芯片工作频率或工作状态的切换频率。

从式（1）及各参数含义看，CMOS芯片动态功耗的数值正比于工作电压的平方，同时正比于工作频率。在满足系统功能需求的条件下，降低芯片工作电压和工作频率，都可以极大减少芯片的动态功耗。以处理器工作频率为例，如果工作频率降低一半，则该芯片动态功耗几乎也随之减半。在本PDA系统中，尽管ARM7处理器提供了18MHz、；36MHz、49MHz和74MHz四种工作频率，但我们采用2.5V为低压供电，18MHz工作频率。这些参数在降低系统功耗的同时，也满足了系统性能的需求。

（2）动态电源管理

动态电源管理技术是指有选择地将闲置的系统模块置于低能状态。一个较为复杂的嵌入式系统，除了处理器外还有很多外设电路模块，它们协调工作，共同完成系统功能。 但在分析完成系统功能的过程中可以看出，并不是所有模块在任何时间都处在工作状态。除了嵌入式处理器外，绝大多数外设模块都是在执行某项具体功能的时候（它自己的有效操作期间）才需要供电。如音频模块，有语音输入或者输出时才需要工作；在进行串口通信时，串口芯片需要处在工作状态；而在更多的时间里，这些芯片都是不需要工作的。

为了系统功耗最小，动态电源管理的原则是系统完成某项功能，只有参与这项功能的模块才供电，其它模块设置在电源切断状态。在电路设计时，需要充分考虑到这个问题，尽可能为各外设模块提供切换供电机制的引脚控制信号，而且允许通过软件编程的措施来完成其电路开关的切换工作。

本PDA系统中，除了嵌入式处理器外，还有异步串口、语音编译码芯片、音频功放、传呼、LCD、收音机等外部设备。传呼的接收具有随机性，需要一直处在工作状态。串口、语音芯片、功放电路、LCD等可以通过一定口地址的设置来控制电源开关，使之在工作的时候提供电压，在不工作的时候切断电源。

各外设模块电源口地址配置如表1所列。

表1

口地址功    能工作条件PA4LCD背光控制低电平PA5～PA6红外口控制取值00PD1LCD电源电路高电平PD2LCD点显示电路高电平PE0控制语音播放高电平PE1控制音频功放低电平

3 软件低功耗

嵌入式系统开发中除了硬件低功耗措施外，也可以从软件方面来设计。嵌入式系统软件低功耗措施一般涉及到处理器工作状态间的切换、应用模块软件算法的选择和系统整体的数据调度三个方面。

(1)处理器工作状态

便携式系统工作过程中，处理器并不是任何时候都一直忙于运行，尤其是PDA来产品。如今的嵌入式处理器（包括EP7211）一般都为应用开发提供了三种工作状态：运行、空闲和休眠。大量的实际使用表明，更多情况下，大部分时间里系统是处在休眠状态的，一旦获得工作信号，会迅速切换到工作状态。当系统在工作状态下一定时间内没有获得下一次需要处理的信号时，则应该自动切空闲或者休眠状态。因为在不同的工作状态，处理器内部工作电路有所变化，功耗大小差别较大。

本PDA系统采用的ARM处理器，在不同工作条件和状态下的.功耗哪表2所列。

表2

名  称频率/MHz消耗电流最大值/mA条  件休眠状态 300μA32kHz时钟晶振工作，I/O口处于禁止空闲状态186晶振都在工作，LCD刷新处于激活状态，CPU是静态的空闲状态3612同上运行状态1820整个系统处于激活状态，正在执行程序运行状态3640同上

注：直流供电电压2.5V

从表2中明显看出，处理器不同条件和状态下的功耗参数大小的差别。在18MHz频率下，运行功耗(20mA)是空闲功耗（6mA）的近4倍，空闲功耗又是休眠功耗300μA的20倍。我们的目的是在不影响系统正常运行的过程中，尽最大可能使系统处在空闲休眠状态来降低系统功耗；因此，我们应该通过预测系统执行过程的措施来切换处理器的工作状态。分析式（1）可知，我们又不能频繁过快地进行处理器状态切换，中间要留有一定的稳定时间间隔。

XGW软件开发平台采用事件消息驱动机制。消息采用查询方式，能够实时响应外部中断。在消息循环过程中，系统需要查询消息队列：当有消息出队时，处理器在运行状态处理这个消息所对应的事件；如果一这时间间隔（如2s）消息队列一直是空，系统预测在最近相当长的时间内不会有事件产生，软件编程措施把处理器从运行状态切到空闲状态；如果系统在更长的时间内（如20s）没有事件产生，则系统预测用户需要自动软关机，此时处理器进入休眠状态。在休眠状态下，处理器能够响应实时时钟匹配中断、传呼接收中断以及复位按键；一旦系统捕获到这类信号，则迅速转入到正常工作状态。处理器在运行状态和空闲状态间的切换间隔是必需的，如果切换速度过快，并不能达到降低系统功耗的目的。

为了缩短处理器从空闲或者运行状态切换到休眠状态的时间，系统同时提供了用户手动软关机措施，即通过触笔直接点击屏幕某一指定区域来实现。

本PDA系统中，ARM7处理器三种工作状态的转换如图3所示。

图3中各数字含义如表3所列。

表3

序  号状态转换条件1、3系统20s内一直不能捕捉到消息或者人为点击屏幕某一指定区域2实时时钟匹配中断、传呼中断、按键唤醒4运行状态下系统2s内一直不能捕捉到消息5产生中断信号、捕捉到消息事件

(2)软件算法的选择

在应用程序编程实现过程中，求解同一个问题，可以有许多不同的算法。评价一个算法好坏的常用参数是算法时间复杂度、算法空间复杂度和算法的易理解编码和调试性。算法时间复杂度定义为算法的时间耗费，即算法所求解问题规模（求解问题的输入量）n的函数。时间复杂度一般用O(n)来表示，当n达到一定规模时，时间复杂度越小，执行效率越高，招待时间越短，系统功耗越低。算法空间复杂度定义为该算法所耗费的存储空间，它也是问题规模n的函数。

我们总是希望选用一个所占存储空间小、运行时间短、其它性能也好的算法。然而实际上很难做到十全十美，原因是上述要求有时相互抵触，如节约算法执行时间需要以牺牲一定的存储空间为代价，反之亦然。因此，我们只能根据具体情况有所侧重。在本PDA系统中具体硬件配置时，CPU工作频率不高，存储空间运行不大；但应用程序数据量大，而且某些应用程序如辞典互译、时刻表检索时数据运算量也大。

如要在本PDA系统中实现英汉辞典互译，首先会想到采用顺序检索法。这种算法对用户输入词汇排列顺序没有要求，编程实现和理解起来都比较简单，其算法时间复杂度为O(n)=n。当n值较小时，这是可以允许的；但是当系统词汇量近10 000个时，算法检索效率不高，表现为当词语位置偏后时系统检索延迟过大。为了提高检索效率，满足一定的系统反应实时性要求，我们采用了有序表二分搜索算法，其算法时间复杂度O(n)=log2n。假设n=16 384=2 14已经超出系统的数据规模（10 000词左右）。二分检索所需要的最坏检索次数是14次；但是对于顺序检索而言，在最坏查找的情况下，检索次数是16 384次，故效率提高了16 284/14=1170倍。这个数目是相当可观的，而且，即使系统数据规模进一步扩大，二分检索表现出来的所增加的检索次数也是很小的。辞典互译实现二分检索所要做的附加工作，就是将原来无序的辞典数据文件转换成有序的辞典数据文件。不过，这个转换工作可以在PC机上完成从而减轻本嵌入式系统的负荷。辞典数据排序和检索过程中英汉辞典依据ASCII码进行，汉英辞典根据汉字的区位码进行。本PDA系统的民航时刻表、铁路时刻表等应用模块，也都涉及到了算法选择问题。

（3）数据调度

在许多应用程序中，存储器访问是功耗的主要部分。有资料表明，内存传输是迄今为止CPU完成的操作中代价最高的：一次内存传输消耗的能量是一次加法运算的33倍多。优化能量消耗的最大收益之一，来源于合理组织内存中的数据和指令：一般措施是尽量做到数据的寄存器访问和缓存访问。

随着存储技术理论的发展和工艺水平的提高，现在存储器体系结构一般都是三级，而且支持虚拟存储技术，如图4所示。

处理器进行数据访问时，离CPU越近的地方，数据存取速度越快，功耗越低。本PDA系统中，由于Flash存储器（作为数据存储器件）写操作的特殊性（以扇区大小为单位、执行时间长、执行功耗大），要求尽量少地进行。基于这种策略，本PDA系统在数据安排方面采取了以下一些优化措施：

①LCD帧缓存的安排。EP7211内置38 400字节大小的RAM空间，LCD分辨率是320×240,每像素4级灰度用2比特位表示，故显存大小为320×240×2/8=19 200字节，被安排在内置RAM空间的前19 200字节。这样安排，加快了显示速度，减少了处理器访问片外SRAM空间。

②个人传呼信息、公共传呼信息接收频度大，不需要永久存储；传呼接收过程需要开臂两块缓冲区，这些空间都被安排在内部RAM后19 200字节，其目的是减少了CPu对片外SRAM的访问。

③部分系统信息资源，如字库信息，在系统启动后直接从Flash存储区拷贝到固定位置的SRAM区，这样字符输出时直接从内存读取数据，而不需要访问Flash。

④为减少Flash写操作执行次数，在电话簿、记事本、日程以及系统设定等编辑修改后，首先改动的信息是在内存中直接保存，等到用户是退出当前整个应用模块时，才进行一个性Flash写操作。

⑤在进行复杂数据查找过程中，为减少数据访问量，可以通过建立若干级索引表方式加快数据检索速度。如在辞典文件的词汇排序过程中，同时建立了每个单词位置的数据索引，而且作为索引文件定改Flash。在查找过程中，索引项的存在能够减少检索次数，从而快速确定单词起始位置以及整个单词项目长度，供显示输出。不过在增加索引时，也会增加一定的空间复杂度。

另外，系统还可以通过代码压缩减少总线上的传输量；编译器优化，消除冗余代码；消除编程中的递归过程调用、减少函数调用的开销；有效使用寄存器等措施来降低系统功耗。有关这些措施请见参考文献[2]。

4 低功耗设计综合阐述

以上分别从硬件和软件两方面阐述了嵌入式系统开发中低功耗设计的一些原则及在本产品中的某些具体体现。经试验测得，本PDA系统功耗如表4所列。

表4

条件（18MHz、2.4V）消耗电流/mA注   释待机79系统全速执行条件下的功耗数据开机2527收传呼5558启动背光8385背光功耗53单功能模块功耗数据LCD功耗22扬声器10语音编译码芯片11红外口6

本PDA产品除了提代外接电源供电电路，同时还提供内置可充镍氢双电池供电系统。设单节电池容量是500mA，则系统待机时间是1000小时/8=125小时，基本上可以满足实际应用的需要。随着对嵌入式系统低功耗设计的深刻理解和硬软件方面某些措施的改进，包括借鉴目前国内外一些厂家低功耗设计经验，则在改进的产品中，表4的某些数据还可能再降低一些，更好地满足产品的低功耗要求。

单片机的低功耗设计 篇3

在水情信息采集系统中, 远程终端设备 (RTU) 承担水情数据的采集、存贮和数据传输控制等任务。随着时代的发展, 需求的水情信息种类不断增多, 精度不断提高, 对RTU也提出更高的要求:希望RTU的MTBF (平均故障间隔时间) 不小于25 000 h;可应用多个通信接口, 以便灵活选择通信信道和备用信道;应有丰富的传感器接口资源。由于RTU要在野外市电供应不便的地方工作, 只能用蓄电池供电, 因此功耗要尽可能低[1]。这些都要求RTU具有低功耗和智能化的特点。

微灌智能控制系统采用测控RTU来实现土壤墒情信息的采集, 控制田间电磁阀的动作, RTU与中心站的墒情信息和控制命令的传输都需要通过无线通信方式传输。RTU的设计根据功能需求选择芯片。目前RTU采用的MCU有51单片机和MSP430单片机等, 嵌入式RT U的设计也正在逐步展开。16位的MSP430单片机较51单片机而言, 具有更强的功能;较嵌入式MCU而言, 要弱一些。但是经过悉心设计软硬件后, MSP430可以做到功耗更低, 更适合应用于微灌智能控制系统。本文采用TI公司MSP430单片机进行RTU的设计。

1 MSP430单片机简介

MSP430系列单片机是TI公司推出的一个超低功耗的单片机, 特别适合于电池应用的场合。该单片机主要具有如下特点:

(1) 能够实现超低功耗

MSP430单片机的电源电压为1.8~3.6 V, 在1 MHz的条件下运行时, 芯片的电流只在200~400µA间, 功耗很低。

(2) 独特的系统时钟设计

M SP430系列单片机有2个不同的时钟系统:基本时钟系统、锁相环 (FLL和FLL+) 时钟系统或DCO数字振荡器时钟系统。由系统产生CPU和各功能模块所需的时钟。并且这些时钟可以在指令的控制下, 打开或关闭, 从而实现对总体功耗的控制。由于系统运行时打开的功能模块不同, 即采用不同的工作模式, 芯片的功耗有着显著的不同。在系统中有1种活动模式 (AM) 和5种低功耗模式 (LPM0~LPM4) 。在等待模式下, 耗电量为0.7µA;在节电方式下, 最低可达0.1µA。

(3) 集成了丰富的片内外设

集成了看门狗 (WDT) 、模拟比较器A、定时器A (Timer_A) 、定时器B (Timer_B) 、串口0、1 (USART0、1) 、硬件乘法器、液晶驱动器、10位/12位ADC、I2 C总线直接数据存取 (DMA) 、端口P0、端口P1~P6、基本定时器等一些外围模块的不同组合。这些片内外设可以极大节省外围电路, 为系统的单片解决方案提供了极大的方便。

(4) 开发工具简单

由于引进了Flash型程序存储器和JTAG技术, 不仅使得开发工具变得简单, 而且价格也相对低廉, 还可以实现在线编程。

除此之外, MSP430单片机还有中断源多、指令简捷等方面的优点[2]。

2 RTU设计

2.1 工作方式设计

微灌RTU一般采用定点工作的模式, 工作时间不会太长, 所以绝大部分时间处于非工作状态。这种情况下MSP430单片机处于休眠状态, 而RTU的其他外围部件如通信模块, 均在关闭状态。由于时钟芯片PCF8563可以定时每秒以中断的方式唤醒MCU, 以极少的指令判断时间是否为定时时间, 如果不是, MCU继续休眠, 这是一个极其短暂的过程, 不论是工作时间, 还是功耗, 几乎都可以忽略不计。如果是定时时间, 再判断是开机时间还是固态存贮时间, 如果是开机时间则向中心站发送命令进行交互;如果是固态存贮时间, 则进行固态存贮之后, 再次关机。基于MSP430的RTU工作方式如图1所示。

2.2 硬件设计

采用MSP430F247为核心芯片设计RTU, 该RTU设计任务是采集传感器输出的数字量、模拟量及开关信号量, 以Zig Bee短距离无线通信的方式将采集的信息发送给中心站, 中心站做出判断后, 中心站再给RTU发送命令, 控制RTU对电磁阀或其他设备进行开关控制。其硬件框图如图2所示。

RTU的硬件设计一方面注重能够实现其必须的功能, 另一方面实现功耗的最小化。

RTU硬件上面功耗的降低主要通过2个方面来实现: (1) 选择功耗低的MCU; (2) 最大限度的优化硬件电路。

目前的MCU有很多种, 从8位到32位功能各异, 可以满足RTU需求的非常多, 在满足功能的前提下, 功耗是选择芯片的首要因素。MSP430系列单片机, 在当前所有MCU中, 其功耗相对较低。

由于RTU中并不是所有模块同时工作, 可以考虑按工作需求给电路供电, 不需要供电的模块不供电。RTU的硬件电路中设计有3.3和12 V受控电源两部分, 其中3.3 V受控电源用于给电路中的模块供电, 如Zig Bee通信模块可以在需要工作时由MSP430单片机的I/O口控制供电, 不需要时则关闭, 这样可以节省不需要的功耗。12 V的器件主要用于水情信息传感器和双稳态电池阀, 这两部分工作的时间少, 传感器只有在判定为定点采集墒情信息时才进行采集, 而电磁阀则更少, 只有在确定需要灌溉的时候才开启灌溉, 灌溉结束即关闭, 平时均掉电。

2.3 通信方式

RTU与中心站之间的通信采用短距离无线通信Zig Bee通信技术, 直接使用Digi公司XBee模块。Zig Bee技术虽然传输距离有限, 但是功耗低、成本低、网络容量大、时延短、网络的自组织自愈能力强、通信可靠、数据安全, 采用2.4 GHz通信频率免费[3]。

Zig Bee技术适用于短距离通信, 如是长距离或是通信故障发生时, 可以采用备用GPRS模块进行通信。

Digi公司的Zig Bee模块功耗较低, 收发信息时电流为40 m A。

3 结语

该RTU相对于以往的RTU具有较低的功耗, 而且能够采集模拟、数字和开关等信号量, 并能以Zig Bee或是GPRS的通信方式与中心站实现无线通信, 可以控制电磁阀或是其他类似设备开关, 具有一定的通用性, 在现实中具有极高的实用价值。该RTU即将应用于新疆智能微灌系统中, 并获得推广。

参考文献

[1]张建云, 唐镇松, 姚永熙.水文自动测报系统应用技术[M].北京:中国水利水电出版社, 2005.

[2]魏小龙.MSP43系列:单片机接口技术及系统设计实例[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2002.

单片机的低功耗设计 篇4

黑龙江地处寒地,每年育秧为4-5月份,而这个时期亦是北方寒地天气变化多端的时期,易出现出苗慢、生长不匀、秧苗长势弱、烂芽和死苗等不良现象。因此,掌握好育秧棚内的温湿度等环境参数和进行及时的自动控制是非常关键的。现育秧棚的管理大都采用人工方式和半自动方式,其中人工方式由专人每天监视温度和湿度,手动开关通风窗和浇灌幼苗,不但浪费人力,精度也难以保证,这种方法已不适合现代化大农业的需求;半自动方式主要是在秧棚安装环境监测、通风和微喷控制设备,它具有环境的监测与控制功能,但自动化程度低,还需要一定的人力,而育秧期亦是农忙期,经常出现漏检、漏浇的现象。同时,育秧期为用电高峰期,经常出现停电现象。所以,设计一套智能化全自动的低功耗育秧鹏监控系统尤为关键。

为此,本文设计了基于MSP430微控制器的水稻育秧群棚低功耗自动监控系统,可以实现高精度、低功耗的育秧棚内环境参数检测,并能按照农艺要求进行设置,具有声光报警、自动开闭通风卷帘、微喷浇灌、数据上传、远程提醒等功能,便于各级人员监测棚内当前的状态。同时,棚内大量的数据可通过PC机进行存储,为农场生产决策提供数据支持。这种方法不仅提高了作业效率、减轻了操作人员的劳动强度,而且使得秧苗长的更壮,对我国水稻工厂化育秧工作提供技术支撑,具有极其广阔的应用前景。

1 系统整体设计

系统总体结构如图1所示。该系统可分为3个层次:一个是PC机(上位机)与无线数传模块的接口设计;二是单片机(下位机)与无线数传模块的接口设计;三是育秧棚内环境参数的采集与执行器件的控制接口部分。系统能够根据采集的实时土壤温、湿度及空气温、湿度数据完成对微喷及卷帘的自动控制。下位机系统以msp430f149单片机为核心器件,通过传感器检测出棚内多点空气温、湿度,多点土壤温度及水分,CO2浓度,土壤pH值及光照强度等。同时,对检测出的信息依据农艺要求做出判断,通过无线模块发送给上位机,并实时显示出来;上位机也能手动控制微喷、卷帘的开闭及农艺参数的修改。

2 系统硬件设计

2.1 下位机系统硬件总体设计

本系统的硬件设计重点在于无线接口和育秧棚内环境参数的采集与执行器件的控制部分。系统充分利用了MSP430F149内有已有的丰富资源进行电路设计[1],图2为一个棚内的硬件电路框图。由图2可以看出,系统输入信号主要是传感器阵列所采集的环境信息,输出信号主要为执行器件电磁阀及电机的控制命令。

其具体流程如下:单片机首先通过传感器采集空气温湿度、土壤温度、土壤水分、光照强度、CO2浓度及土壤pH值等物理量,并将信号经过调理电路进行调理,模拟信号输出的通道转换为电压后直接连接到单片机的ADC输入端,数字量输出的通道直接连接单片机I/O口;采集的信息经过处理后在液晶上显示出来,并依据农艺参数阈值进行判断,进而实现电磁阀与电机的自动控制。上位机不断对下位机进行查询,获得必要的棚内环境参数值并实时显示出来。

2.2 系统硬件电路设计

2.2.1 数据采集与处理模块设计

依据水稻育秧大棚的农艺要求,系统采集的物理量主要包括土壤水分、pH值、棚内CO2浓度、空气温湿度、土壤温度和光照强度。由于所有传感器都要在棚内使用,棚内属于高湿环境,在天气不好的情况下还会出现低温现象。所以,传感器的选择必须在此环境下能够正常工作[2]。

根据设计要求,土壤水分传感器选择了一款高精度、高灵敏度的传感器DBT-1,该传感器具有密封性好,可长期埋入土壤中使用,且不受腐蚀的特点。它采用标准的电流环传送技术使其具有抗干扰能力强、传输距离远、测量精度高、响应速度快等优点,传感器输出为0~2.5V,故需进行A/D转换。pH值传感器选择了GS650,它是一种具有金属锑电极探头的pH传感器,此探头比较坚固,适宜在线使用,传感器输出为模拟量。CO2传感器采用了防护型二氧化碳传感器NDIR,它是在进口红外二氧化碳传感器基础上设计的一款专门用于在农业等多种高湿场合使用的产品,采用多重防护,确保内部的传感器不受外界高湿等环境影响,从而可靠稳定工作。该传感器输出为4~20mA,经过信号调理电路将其变换成电压信号[3]。由于上述3种传感器输出为模拟信号,故都需要A/D转换,经过信号调理电路后可直接与MSP430F149的P6口进行连接。MSP430F149内置了8通道,12bit,20kbps的AD转换器,自带采样保持器,而这个口就是P6口。对于需要采集的外部电压、电流信号,只要通过信号调理电路,转换成为0~3.3V的电压信号,就可以使用智能测控模块进行采样。

温湿度传感器为DB111-10,是一款数字温湿度传感器,具有测量精度高、响应速度快等优点,传感器输出为类I2C总线方式。土壤温度传感器采用DS18B20温度防水探头[4],优质不锈钢管封装,具有防水、防潮、防生锈及精度高等优点,输出为数字信号。光照强度传感器采用数字式光照传感器HS2303,具有测量精度高、量程大、接口简单和通讯灵活等优点,输出信号为频率。由于上述3类传感器输出都为数字信号,故可通过光耦隔离后无需转换直接与单片机的引脚连接。

2.2.2 显示模块

该系统采用液晶模块12864实时显示采集的各参量,由于12864只能显示4行汉字及字符,所以系统采用轮屏显示方式,轮流显示采集的温湿度等。

显示模块中,用单片机P4口作为液晶模块的数据线,用P1.1~P1.3来实现液晶模块显示、内部寄存器选择和读写模式控制位。显示时,在每屏的第一行显示时间信息及育秧棚所处的育秧阶段,其余三行用于显示环境参数。

2.2.3 时钟模块与存储器模块设计

为了保证采集的数据与时间一一对应,系统采用协处理器DS1302来提供时间。DS1302 是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路,可以对年、月、周、日、时、分、秒进行计时,具有闰年补偿功能,工作电压为2.5~5.5V。采用三线接口与CPU进行同步通信。同时,系统还采用了备用纽扣电池,当系统掉电后,DS1302仍能正常运行,保证时间信息的准确性。同时,上位机亦可以随时通过无线方式对时钟进行修改,保证了整个系统时间的同步性。

为了满足掉电后数据存储不丢失,系统采用AT24C16 EEPROM芯片来存储阈值等信息。当系统掉电后,阈值等信息亦不会丢失,不需要上电后重新写入,提高了系统的可靠性。同时,市电停电时,系统工作在备用电源的供电的情况下,存储器每隔10min存储一次采集数据,可由工作人员在来电后将存储器内存储数据读出存储到PC机中,以备将来查询等。

2.2.4 执行模块设计

系统执行模块主要包括微喷、卷帘控制两部分:微喷采用电磁阀控制,卷帘采用直流电机控制。

隔离采用双路光耦隔离芯片TLP521-2,可同时隔离2路信号,一个电机正好对应一个光耦芯片。驱动采用专业直流电机驱动的H桥组件LMD18200,该驱动器峰值输出电流可达6A,连续输出电流可达3A;TTL/CMOS兼容电平输入,具有温度报警和过热与短路保护功能,具有良好的抗干扰性。P6.2和P6.3经隔离驱动后直接连在电机的两根引线上。如此,可通过单片机直接控制电机的启停,进而控制卷帘的开启与关闭。

2.2.5 无线通信模块设计

各育秧棚与主控室PC机之间的通信采用无线方式,利用50mW微功率工业用无线数传模块SM51实现数据的无线传输。该模块具有多项优点:微功率发射,最大发射功率17dbm(50mW);完全覆盖全球ISM频段工作频率,符合球ISM频段通信标准,无需申请频点;多信道、半双工无线通信,实时收发通信,传输距离远,可靠传输距离大于1200m;透明的数据传输,自动过滤掉空中产生的噪音信号及假数据(所发即所收),高抗干扰能力和低误码率;能够同时提供标准TTL电平UART接口,软件模拟RS232,模拟RS4853种接口,支持休眠功能,休眠以后,将整个系统功耗降到最低;+3.3~+5.5VDC工作电压,接收电流<40mA,发射电流<100mA,休眠工作<5μA;看门狗实时监控。SM51的各端子功能如表1所示。

当SM51与PC机连接时,可使用串口2RS232电平接口,当SM51与单片机连接时,可使用串口1TTL电平接口。

3 监控系统软件设计

在系统软件设计中,为了尽量减轻CPU的负担,使CPU有更多的时间来处理有用的运算,同时为了减小电路的功率损耗,全部功能都使用中断方式实现。主程序不做过多的工作,只进行一些必要的初始化(包括存储器、时钟、LCD、串口、A/D等),然后打开全局中断,之后进入低功耗模式死循环,并等待中断。一旦有中断,循环被中断,CPU从低功耗模式唤醒,进行中断处理,中断结束后再次返回低功耗死循环。主程序的流程图如图3所示。

4 结论

本系统中无论是传感器的选择还是通信中无线模块的确定,都是紧紧围绕育秧棚的农艺要求以及低功耗、全自动控制的系统设计目的而进行的,能够实时采集棚内多种环境参数,及时进行显示和自动控制,定时向上位机发送采集到的数据及电磁阀、电机的开关状态,具有集成度高、功耗低、抗干扰性能强等优点;采用MSP430F149单片机,使用其内部自带的A/D转换器,省掉了外配昂贵A/D转换器的费用,具有良好的推广前景。

参考文献

[1]秦龙.MSP430单片机应用系统开发典型实例[M].北京:中国电力出版社,2005:15-72.

[2]陈杰,黄鸿.传感器与检测技术[M].北京:高等教育出版社,2008:231-238.

[3]刘光斌,刘冬,姚志成.单片机系统实用抗干扰技术[M].北京:人民邮电出版社,2003:139-167.

单片机的低功耗设计 篇5

关键词：MSP430单片机,DC-DC变换器,电阻测试

1 设计方案

采用恒流法测电阻, 通过搭建恒流源, 取样待测电阻两端电压的方法, 通过欧姆定律, 来求被测电阻的阻值, 这种方法测量比较准确, 但是电路搭建比较麻烦并且只能测小电阻和中值电阻。采用恒压法测量电阻, 通过把精密电阻与待测电阻串联的分压形式, 采集待测电阻两端的电压, 即可求出待测电阻的阻值, 这种方法也是比较准确的, 同时电路搭建起来也非常方便, 只需采用电路的标准电压来提供固定电压, 通过相应的处理, 即可快速精确的计算出待测电阻值。

2 总体设计

该系统主要由功能转换及变换电路、电源变换电路, 单片机控制系统、显示部分和输入部分组成, 电源变换部分主要完成低功耗系统电源设计。被测量对象首先经变换电路取得电阻两端的电压送给MSP430单片机控制系统。然后在输出设备上显示电阻的阻值。

3 详细设计

3.1 DC-DC电源处理电路的设计

常用的线性稳压芯片搭建的电源电路, 设计方便简单, 但是功耗比较大, 不满足低功耗设计要求。采用DC-DC电源模块功耗小, 效率高。其PWM开关控制方式, 可极大地提高电源转换效率, 可高达90%以上, 并且输出电压可以很方便的调节, 所以非常适合低功耗, 电源要求高的产品。

DC-DC电源处理电路如图2所示。通过DC-DC电源芯片TPS54331产生3.3V电源, 给CPU、运放等芯片供电。该电源具有功耗低、效率高、纹波小等特点。

3.2 电阻测量电路设计

电阻测量电路如图3所示。将被测电阻的测量转化为电压测量, 对100Ω量程电阻的电压实行11倍放大, 对1kΩ、10kΩ量程电阻的电压实行1倍放大。

如图, U_res100=2.5* (Rx) / (Rx+R11) *11

U_resk=2.5* (Rx) / (Rx+R11)

3.3显示部分

采用万用表常用的段式显示屏, 其优点是功耗小, 显示简单, 缺点是这种显示屏需要特别定制, 采购不方便, 同时显示过于单调, 不适合人机界面相对丰富的产品。采用无背光也可以清晰显示的128*64液晶屏显示, 其功耗较普通万用表段式液晶屏大不了多少, 这既解决了液晶屏功耗高的问题, 同时在环境较暗的时候还可以手动开启背光, 方便作业。同时它的显示功能相对强大, 可以显示很丰富的界面, 这是非常适合智能化, 人性化的电子产品的。

3.4软件设计

在硬件设计中选用了JFET型运放及精密电阻组成的模拟信号调理电路, 然后使用MSP430内部的ADC对其进行采样, 用软件算法实现电压、电阻计算、校准和自动量程切换功能;采用MSP430的定时器捕捉功能实现电容测量中脉冲周期的精确测量。此设计方案中, 将大部分的功能实现工作放到了软件中来实现, 有助于降低系统的硬件复杂性, 从而提高整个系统的可靠性, 同时又能提供极佳的灵活性。

软件包含了MSP430相关外设的配置驱动、核心算法的实现以及用户界面等, 主要包含主调度模块、核心算法模块 (包括过采样算法、有效值算法、脉冲捕捉变换算法、电桥采样还原算法等) 、液晶显示模块、按键扫描模块等。主程序主要完成的功能是等待按键并执行相应的按键操作, 根据具体的功能计算数据, 通过动态方式不断的刷新显示。其他功能都在各自的中断服务程序中完成。

4 结束语

基于单片机的电阻测量仪既能代替传统的万用表, 又具有扩展各种输入输出模块, 让测量的过程和数据能满足用户的需求。另外常用的线性稳压芯片搭建的电源电路, 设计方便简单, 但是功耗比较大, 不满足低功耗设计要求。在设计中采用了DC-DC电源模块, 这一模块的特点是功耗小, 效率高, 可以提高生产自动化水平, 具有显著的经济效益和社会效益, 在现代工业中发挥着越来越重要的作用。

参考文献

[1]MSP430F149用户手册[Z].

[2]www.alldadsheet.com关于TPS54331、LMC6484资料[Z].

单片机的低功耗设计 篇6

关键词：MSP430,ISM-433MHz,pt100桥式电路

目前油田现场抽油机井井口油温以及注水井井口温度的温度表多为传统的指针式温度表,油田操作工人需要定时去现场读取相关温度数据,从而导致现场相关测试数据更新时间周期长,不能及时准确地反映油井实时工况,从而会影响到后期对油井的工况诊断。

一、系统总体设计

由于无线温度表是数字化油田温度实时监控系统中的一部分,因而其实际功耗和测试精度是其设计的重点和难点。为了提高温度表的测试精度,前端传感器采用了高精度级别的铂电阻pt100,并且采用桥式电路,使铂电阻pt100在桥式电路的一个桥臂上,与之相对应的桥臂采用高精度可调电位器用于调零点,这样的设计保证了系统温度测试的精度。系统主控芯片采用了低功耗的MSP430F2XX系列单片机,其它所有器件均采用低功耗级别的元器件,并且在传感器供电方式上采取间歇式供电,进一步降低了系统的功耗。系统选用3.6V/8.5Ah高性能工业锂亚电池(18650),保证了供电系统的稳定性。无线数据通讯部分采取了ISM-433MHz频段的低功耗无线模块,通过MSP430单片机的串口TTL电平与无线模块直接相连,节省了系统的设计成本。同时为了提高系统的可靠性,增加了大容量的本地Flash存储芯片AT45DB321,保证了系统在与上位机通讯失败的情况下将本地的测试数据及时保存起来,保证了测试数据的完整性。

系统整体框图如下所示,

二、系统硬件设计

1、系统主控电路。系统主控芯片的选择在整个系统中的设计中至关重要,尤其是在低功耗要求很高的系统设计中,传统的单片机在静态的时候也会消耗较大的电流,无法满足系统低功耗的要求。经过对各个厂家的单片机性能进行反复比较和出于成本考虑,我们选择了美国德州公司推出的MSP430F2XX系列单片机,该系列单片机为16位超低功耗单片机,它具有LPM0~LPM4五种低功耗模式,其供电电压可以在1.8~3.6V范围内变化,活动模式下耗电250μA/MIPS,I/O输入端口的漏电流最大仅50n A,可以外接32.768k Hz和8M的晶振,增加了功耗和速度选择的灵活性。内置多种外围设备,如三个定时器、看门狗、比较器、12位A/D、Flash存储器、串口通信模块、硬件乘法器等,大大简化了硬件电路设。

2、电源调理电路。所有采用电池供电的仪器仪表,由于随着电池能量的消耗,其电压会逐渐下降,某些元器件在电压变化时,其工作特性或多或少会发生变化,为了保证测量精度,系统应该在一个比较稳定的电源电压下工作,避免受电池电压下降的影响。

三、系统软件设计

系统软件设计采用的开发环境为IAR for MSP430 V4,采用C语言编写系统软件程序。系统主程序包括两种工作状态:测试状态和校准状态。系统程序初始化后,程序进入定时测试程序循环,如果系统有按键按下则程序进入校准程序状态。

结束语:本文系统地介绍了高精度、低功耗的无线温度表的整体设计思路,分别从硬件电路设计和软件设计两个方面融入了实现高精度、低功耗以及无线传输要求的设计思想,并且利用了MSP单片机内部的特殊A/D转换器降低了开发成本。经过多次实验,无线温度表的测量精度可以达到0.5%F.S,可以达到工业现场应用的水平。由于系统考虑设计成本以及需求方的因素,并没有采用独立的A/D转化芯片,对测量精度有一定的影响,是需要下一步完善和研究的地方,这样会更加提高整个仪表的测量精度。

参考文献

[1]曾强,曾水平.一种基于MSP430单片机的远程温度采集系统[J].冶金自动化.2009(S2)

[2]魏小龙.MSP430系列单片机接口技术及系统设计实例[M].北京:北京航空航天大学出版社.2002.

[3]李东,赵光兴,张帆,赵光艺.一种实用的无线温度在线检测系统[J].冶金动力.2008(30).

单片机的低功耗设计 篇7

1.1 提高嵌入式单片机设计的集成度

在当前嵌入式芯片设计中, 通常情况下采用提供集成度的方式, 来降低系统的功耗。而且设计的原理为, 通过最大限度降低芯片外围电路功耗, 来降低芯片本身的功耗。

1.2 对嵌入式单片机内部电路做逻辑性划分

在设计嵌入式单片机前, 需要了解嵌入式单片机系统在运行中的具体功能与需求以及具体的功耗, 以此作为参考依据, 对嵌入式单片机内部电路加进行合理划分, 让其转变为不同的逻辑组合形式。一般而言, 在嵌入式单片机内部电路中, 通常运行的仅为一部分, 因而可在其中应用到寄存器。同时, 在进行选择时, 需要结合不同情况, 确保电路运作的高效。确保其中需要运行电路的正常运行, 而无须运行部分, 而让其处于非工作状态, 以此来有效降低嵌入式单片机的整体功耗。

1.3 增加嵌入式单片机的工作电压宽度

在嵌入式单片机应用中, 单片机本身工作电压会受到限制影响。一般而言, 需要在嵌入式单片机与电源之间连接电压转换稳定设备, 并可考虑提高嵌入式单片机的电压宽度, 以此来提升嵌入式单片机的工作电压范围, 将稳压器形成的功耗降到最低值, 减少对嵌入式单片机的功耗影响。

1.4 设计双时钟模式

嵌入式单片机的功耗状况, 在很大程度上受运行过程中所呈现的频率影响。因此, 可通过将运行频率降低的方式, 降低嵌入式单片机的整体功耗。但是, 在实际使用中, 为了满足生产需求, 可根据嵌入式单片机的运行特点, 设置双时钟模式, 即高频率运行时钟与低频率运行时钟, 通过运行中频率的直接变换, 降低到低频率模式下, 以这种方式实现嵌入式单片机运行的低功耗。

2 嵌入式单片机应用系统的低功耗技术分析

2.1 单片机的低功耗技术

在COMS系统中, 其系统功耗Ws为:Ws=CU2f。其中, f代表着时钟频率;U代表着电源电压;C代表着负载电容。通过降低供电电源的电压, 使单片机系统的功耗降低。在确保响应速度符合标准的基础上, 最大限度地降低平均时钟频率, 结合低功耗休眠与时钟管理技术, 应用与系统要求相符合的低功耗单片机。如, MSP430系列单片机, 就是由德州仪器公司生产的具备休眠模式的低功耗单片机.

2.2 CMOS电路的处理

结合CMOS电路的特点, 避免出现未用的输入引脚浮空状况, 确保输入引脚上不会形成电荷的累积增加功耗。为确保输入电流的正常平稳, 需要确保输入信号的幅度始终在供电电压范围内。同时, 在低功耗的单片及应用系统中, 需尽可能采用CMOS电路组成, 以避免使用总线驱动能力。

2.3 复位监控电路的低功耗

复位监控电路的应用, 在很大程度上增强了单片机应用系统的可靠性。因此, 复位监控电路被大量运用于单片机应用系统中, 而复位监控电路始终位于工作状态, 必须对其功耗作出较高要求。由MAXIM公司所研发的复位监控电路, 采用的CMOS电路为微功耗型, 如MAX6328、MAX6348等, 当其处于静态工作状况时, 电流能低达500n A, 为电源电压1V时的复位输出提供有效保障。

2.4 存储器的低功耗方式

为了降低功耗, 在存储器的选择上, 应优先选用HCMOS工艺的存储器。通过维持工作方式, 确保存储器在不工作时, 不会被选中, 而在存储器读或写时, 形成一定的工作电流, 以此来实现存储器的低功耗。

2.5 显示系统的低功耗

在低功耗的单片机应用系统中, 系统需配具备不同功能的显示器, 用来显示各种状况、输入参数以及测量结果等, 以实现人机对话的方便、快捷。通常情况下, 在进行显示系统选择时, 主要采用液晶显示系统, 以缩小体积、降低功耗。液晶显示器的工作电压低一般为3~6V, 而功耗极低通常为每平方厘米仅18~80μW。

2.6 A/D、D/A转换器的低功耗

在嵌入式单片机应用系统中, 需要运用前向通道A/D转化器与后向通道中的D/A转换器, 以实现对现场模拟信号的采集以及模拟量的控制。在选择单片机时, 需优先选择内部带有A/D、D/A转换器的单片机, 通过最高性价比来实现低功耗, 其中需要确保系统精度符合相关要求。如, MSP430系列单片机, 其内部拥有12位A/D转换器。而当单片机内无A/D、D/A转换器时, 在进行A/D、D/A选择时, 应优先选用功耗较低的。在系统性能指标得到满足的基础上, 还需优先选用具备关断功能的单电源、低电源供电A/D、D/A转换器, 以最大限度降低功耗。

2.7 数据通讯接口

在上位机与单片机应用系统的数据通讯接口上, 常见的有:异步串行通信控制器、UARTRS-422、RS-232、RS-485等。其中, RS-232接口通常为12V电源供电, 因而必须降低其供电电压, 来降低整体功耗。由MAXIM公司研发的RS-232接口, 其供电电源可降至5V甚至低达1.8V, 并且其存在的自动关断功能, 让接口电路的电源电流低至1μA。

2.8 低功耗单片机应用系统的软件设计

在软件设计中, 尽可能避免采用软件循环延时中, 运用的定时器中断方式, 以缩短CPU的工作时间。对单片机待机状态下, 内部所具备的定时/计数器保持工作状态功能进行充分利用, 达到计时与记数的目的。同时, 对于显示器应采取利用锁存器进行的静态显示方式, 而避免使用动态扫描显示方式, 以最大限度降低功耗。

摘要：在当前国家大力倡导“低碳经济”的背景下, 社会公众越来越关注嵌入式单片机应用系统的电力消耗问题, 低功耗技术已成为嵌入式单片机应用系统中研究的热点问题。在此情况下, 本文首先阐述了降低嵌入式单片机功耗的主要方法, 在此基础上, 进行了嵌入式单片机应用系统低功耗技术的详细分析。

关键词：嵌入式系统,单片机,低功耗

参考文献

[1]王瑰琦.嵌入式系统低功耗设计研究与实现[J].电子世界, 2013 (12) .

[2]戴月.嵌入式系统低功耗技术的研究和应用[J].电子制作, 2015 (04) .

汽车BCM的低功耗设计及实现 篇8

在由汽车蓄电池供电的电子控制单元 (ECU) 设计中, 低功耗是个非常重要的功能要求。首先, 如果ECU在休眠状态下消耗电流过大, 便会出现汽车长期停放时因ECU耗尽电池电量造成无法启动发动机的情形;其次, 在节能、低碳理念日益深入人心的今天, 降低ECU的功耗可以节省能源, 为绿色环保贡献一份力量。

在笔者所设计的车身控制模块 (BCM) 中集成了远程无钥匙进入 (RKE) 功能, R K E模块的射频接收芯片在工作模式下消耗的电流比较大, 为了实现整体的低功耗, 必须在B C M进入低功耗模式时, 同时禁能射频接收芯片。由于射频接收芯片在低功耗模式下无法进行遥控接收, 而用户操控钥匙的时刻是随机的, 在合理的用户体验要求下, 用户按下钥匙, BCM就应该进行反应, 所以需要设计一种RKE低功耗方案, 使得BCM既可以满足低功耗要求, 又可以迅速被遥控钥匙唤醒。本文介绍了一种BCM低功耗设计方案, 并特别针对遥控钥匙唤醒功能设计了RKE子系统的低功耗方案, 针对低功耗模式下可能被空间干扰造成的RF毛刺唤醒设计了临时唤醒模式以过滤RF干扰, 最终大幅度降低了BCM的整体休眠电流, 同时可以很灵敏地从休眠模式唤醒。

1 总体方案设计

根据BCM的工作状态, 设计三种模式:正常模式、休眠模式和临时唤醒模式。其中, 休眠模式、临时唤醒模式都是低功耗模式, 不同的是, 休眠模式下完全休眠, 临时唤醒模式下只使能RKE功能用于判断是否存在有效的遥控钥匙操作。

在正常工作情景下, 休眠条件不满足, BCM处于正常模式, 执行CAN/LIN通信[1]、网关、网络管理、开关检测、负载控制等功能, 当休眠条件满足后, BCM进入休眠模式, 在休眠模式下关断部分电路的供电电源, 禁能RKE接收电路, 根据唤醒条件使能相应的外部中断唤醒, 同时使能内部定时器唤醒源。在休眠模式下, 唤醒条件触发外部中断[2], 唤醒BCM进入正常模式。内部定时器超时后也可以唤醒处理器[3], 此时进入临时唤醒模式。临时唤醒模式是专门针对RKE休眠和唤醒设计的一种低功耗模式, 该模式维持一固定的时间, 在这段时间内使能RKE接收功能, 如果接收到有效的RKE数据流, 则进入正常模式, 否则返回休眠模式, 等待下一次内部定时器中断唤醒。工作模式切换如图1所示。

2 程控供电设计

程控供电设计是针对低功耗模式下无需工作的电路的电源进行控制, 使BCM在进入低功耗模式时关闭该部分电路的供电电源, 退出低功耗模式时, 打开该部分电路的供电电源, 便可以有效降低ECU的功耗。

针对12V汽车电气系统, 设计两个程控供电电源, 以实现BCM进入休眠模式时禁能部分电路的供电和进入正常模式时恢复供电。程控电源包括可控12V和可控5V两种电压水平, 其中, 可控12V为部分开关采集电路提供电压基准, 可控5V为其它在休眠期间可以关闭的5V逻辑电路提供电源。可控12V和可控5V的电路设计原理相同, 通过CPU的IO管脚控制MOS管的通断, 实现电源的程控。12V程控电源设计如图2所示。

将BCM需要采集的外部开关分为两类, 一类是可以把BCM从休眠模式和临时唤醒模式唤醒的开关 (唤醒源开关) , 另一类是普通开关。唤醒源开关采集电路采用经过调理后的蓄电池电压进行常电供电, 普通开关采集电路采用可控12V进行供电[4]。在BCM进入休眠模式时, CPU关断可控12V的输出, 普通开关采集电路的外部电压基准源无效, 开关采集电路不消耗任何电流。

3 RKE低功耗设计

BCM在休眠模式下禁能RKE接收电路, 无法判断是否存在有效的RF数据, 为此, 设计了临时唤醒模式, BCM进入休眠模式时启动内部定时器, 定时器超时后便进入临时唤醒模式, 在休眠条件满足的情况下, BCM交替进入休眠模式和临时唤醒模式。在临时唤醒模式下, 使能RKE接收电路, 判断是否存在有效的RF数据。休眠模式维持时间为16ms, 临时唤醒模式维持时间一般为4ms, 通过这种方式, 既可以保证大部分时间处于最低电流消耗的休眠模式, 又可以判断低功耗模式期间是否存在有效的遥控钥匙操作, 保证了遥控操作的灵敏性。

由于汽车电磁环境恶劣, RKE会接收到很多RF干扰信号, 为了保证BCM不被误唤醒, 在临时唤醒模式中设计误唤醒过滤机制, 过滤掉RF空间干扰和非配对的遥控钥匙操作, 确保BCM不会被误唤醒进入消耗电流较大的正常模式, 从而保证了BCM的低功耗性能。

3.1 休眠和临时唤醒

在BCM进入休眠模式时, 禁能RKE射频接收功能, 同时设置可唤醒CPU的内部定时器, 将定时器的超时值设置为Tslp, 然后CPU进入休眠模式。Tslp后, CPU被定时器唤醒, BCM进入临时唤醒模式, 临时唤醒模式的默认持续时间为Twake, 在临时唤醒模式中, CPU对系统时钟进行初始化设置, 并使能射频接收芯片, 如果判断出有效的RKE射频数据流, CPU进入正常模式, 否则返回休眠模式。Tslp、Twake根据RKE数据位宽Tbit决定, 一般选择为Twake>8*Tbit, Tslp=4*Twake。在这里, Tbit为0.4ms, 选择Twake为4ms, Tslp为16ms。

3.2 RKE误唤醒过滤机制

由于RKE工作在ISM频段, 空间干扰比较多, 在临时唤醒模式中设计三级过滤机制, 滤除RF频段的空间杂波产生的毛刺和非配对遥控钥匙的操作。

首先, 在Twake时间内, 如果连续接收到的有效RKE数据位数小于5, 返回休眠模式, 否则, 进入下一步;

延长临时唤醒模式的持续时间为2*Twake, 在第二个Twake时间内再次判断连续接收到的新的有效RKE数据位数, 如果小于5, 返回休眠模式, 如果大于5, 判断出有效的按键按下操作, 进入下一步;

延长临时唤醒模式的时间为 (2*Twake+有效的RKE帧长度) , 当时间结束时进行解码判断, 如果RKE数据帧来自已配对钥匙, 进入正常模式, 否则返回休眠模式。

4结语

本文设计了一种BCM低功耗方案, 以实现在满足休眠条件时, 通过禁能部分电路的供电降低电流消耗, 同时设置外部开关中断唤醒和内部定时器唤醒, 使得BCM在低功耗模式中可以灵敏地响应遥控钥匙的操作并在外部开关唤醒源的激励下迅速唤醒。进行RKE低功耗设计自动过滤外部RF干扰引起的假唤醒, 进一步降低了低功耗模式下BCM的整体功耗。

摘要：本文针对集成了远程无钥匙进入 (RKE) 功能的车身控制模块 (BCM) 设计了一种低功耗方案, 为部分电路设计了可程控供电电源, 以实现在满足休眠条件时, 通过禁能部分电路的供电降低电流消耗, 同时设置内部唤醒定时器, 使得BCM在低功耗模式中可以被临时唤醒, 以判断遥控钥匙的操作, 同时针对空间干扰引起的射频毛刺设计了过滤机制, 能够自动屏蔽外部RF干扰引起的假唤醒, 进一步降低了低功耗模式下BCM的整体功耗。

关键词：BCM,低功耗,RKE

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