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基于51单片机的低功耗设计

   日期:2016-05-03     浏览:239    评论:0    
核心提示:基于51单片机的低功耗设计1 C8051F各部门组件的功耗当一个系统对功耗要求严酷时,可以在硬件电路建立前首先粗略计较一下整个系统所需的功耗。由于C8051F系列单片机为数模夹
 
 

基于51单片机的低功耗设计
 
    

 

1 C8051F各部门组件的功耗
当一个系统对功耗要求严酷时,可以在硬件电路建立前首先粗略计较一下整个系统所需的功耗。由于C8051F系列单片机为数模夹杂SOC系统,能够实现整个设计的年夜部门功能,是以整个设计系统的功耗将主要集中在C805IF系列单片机的能量消耗上。
整个单片机系统的功耗应当由4部门组成:振荡器功耗、数字装备功耗、模拟外设功耗及I/O端口功耗。振荡器功耗包括内部振荡器的功耗和外部振荡器功耗。数字装备能量消耗主要由CPU的工作模式、工作电压及系统时钟频率决议。温度与数字外围装备对数字装备的功耗影响很小。模拟外围装备功耗主要包括ADC、电压基准VREF、温度传感器、偏压发生器及内部振荡器。比力器也有少许的能量消耗。
1.1 振荡器功耗分析
外部振荡用具有很高的可设置装备摆设性,为系统设计者提供了多种选择。时基旌旗灯号可以从外部CMOS电日常平凡钟源、晶振或陶瓷谐振器、RC组合电路或外部电容获得,每种方式都有各自的优势。由于振荡器可以乖巧地在各类方式中转换,是以可以经由过程改变振荡器来下降功耗。对外部振荡器来说,外部CMOS时钟、电容和RC网络都能够提供较低的振荡频率。
(1)外部CMOS时钟
当工作于外部振荡器CMOS时钟模式时,外部振荡器驱动被关闭.电路功耗电流细小可以近似疏忽。XTAL2输出的时基旌旗灯号可以用作CPU、计时器、PCA或其他外围装备的时钟源。注重,即使在某一端口运用了高频旌旗灯号,功耗仍只有少许的增加。
(2)外部晶振
外部晶振提供了最切确的时间基准,但随之而来的功耗在统一频率下也更高。外部晶振依赖于晶振频率和振荡器驱动电路(XFCN)。
(3)外部电容C模式
外部电容模式经由过程将一个电容毗连到XTAL2为系统提供低功耗时钟。这是精度最差的一种时基方式,但同时也是最灵活的一种方式。只用1个电容元件就能够提供8种分歧的工作频率.最高频率几近可达最低频率的3000倍。可以经由过程改变在OSCXCN寄存器中的XFCN位改变其振荡的频率,并直接影响其输出的电流。外部电容方式下的时基精度主要由电容的误差和流过XTAL2的内部电流源的精度决议。
(4)外部振荡RC模式
RC模式与电容模式十分相似,区分在于外部电容方式下电容的充电电流由接到XTAL2的内部可编程电流源提供,而且在RC模式下充放电电路除包括电容外还要经由过程一个外部电阻器。RC模式振荡电路的平均功耗由经由过程电阻器的平均电流所决议。电阻器上的压降成指数倍年夜小,其波形可以简化为三角波来估量平均值。
凡是,设计者可以经由过程合理地选择时钟源到达下降功耗的目的。内部振荡器消耗数字电源电流的典型值为200μA,用于驱动外部振荡器的电流是变化的。对于一个外部振荡源(如晶振),驱动电流(由模拟电源提供)用软件经由过程设置装备摆设外部振荡器控制寄存器OSCXCN的XFCN位来设置。在驱动电流较年夜时用户町以使用内部振荡器以下降功耗。
1.2 数字装备的功耗分析
数字装备的能量淌耗主要是由CPU电流的年夜小来衡量的。CPU的电源模式是决议CPU电流年夜小、工作电压及系统时钟频率的关头身分。凡是,温度和数字外围装备对数字装备的功耗只有很小的影响。
(1)OPU电源经管模式
CPU有3种操作模式:正常状态,余暇状态与遏制状态。凡是,余暇状态的平均电流值受控于内部振荡器。正常模式时的电流值减往余暇模式时的电流值即为CPU正常运行的工作电流值。当写l到IDLE位时,CPU竣事指令周期进进低功耗模式,直到被中断或复位叫醒。在余暇模式下,所有的模拟与数字外围装备,存储器与内部寄存器都连结原来的值不变。被叫醒后,CPU起头从设置余暇方式选择位指令的下一条指令起头执行。当写1到STOP位时,CPU进进停机模式。设置停机模式后,当前指令被执行终了,内部振荡器及所有的数字外围装备全数遏制工作。模拟外设(如比力器与外部振荡器)保留其当前的状态。在遏制状态,MCU消耗最少的电流。

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(2)OPU工作电压、频率及温度对功耗的影响
工作电压:CPU的工作电流会随着供电电压的升高而增年夜。这类关系存在于肆意一种工作频率下,尤其在高频运行时浮现得更为较着。理论上供电电压最小可到达2.7 V,但由于电压调整自己有±10%的误差率,是以系统凡是供电电压不会低于3V。
温度:温度对系统的功耗无影响。
工作频率:CPU工作频率对系统功耗有主要影响。在CMOS数字逻辑器件中,功耗与系统时钟SYSCLK频率成正比:
功耗=CV2f
式中:C是CMOS的负载电容;V是电源电压;f是SYSCLK的频率。
是以,为了下降功耗,设计者必需知道给定系统所需的最高SYSCLK频率和精度。某些设计口可能需要其系统时钟频率在全数工作时间内连结不变。在这类情况下,设计者将选择知足要求的最低频率.并采用消耗最低功率的振荡器设置装备摆设。
l.3 数字外围装备与I/0接口的功耗分析
数字外围装备(计数器、UART、PCA、SPl)的消耗占系统总功耗的比例很小。举个例子,当C8051F单片机工作在3.06MHz(内部振荡器8分频),3 V电压时,没有一个数字外围装备端口的工作电流跨越700μA;而在启动计数器作为UARTO数据传输时钟后,系统的工作电流会增加18μA。这里,计数器与UART的功率消耗主要由其时钟频率及工作电压来决议。哄骗交叉开关设置装备摆设通用I/O口为推挽模式,也能够影响功耗的年夜小。在上述例子中,若是哄骗交叉开关将UARTO的TX端分配到P0.4口,则设置装备摆设端口为推挽模式将令系统的工作电流再增加82μA。输出引脚的功耗由毗连在该引脚的外部电路频率决议。
1.4 模拟外围装备的功耗
模拟外围装备功耗是ADC、温度传感器、内部偏置电压发生器及内部振荡器的功耗和。凡是,只要ADC、内部振荡器或温度传感器被激活,内部偏置电压发生器就会自动被使能,ADC在转换时代的工作电流比ADC没有转换时的工作电流年夜30%~50%。SAR转换时钟频率与采样频率也影响了功耗的年夜小。由于增加SAR转换时钟频率或下降采样率会缩短每次A/D转换的时间,使系统在转换间隙有更多的时间处于余暇状态,是以会年夜年夜下降系统功耗。
2 下降功耗的几点斟酌
要下降系统的平均功耗,需要从两个方面斟酌:首先是适当调整在所有时间一直影响系统工作的参数。凡是工作电压是重点斟酌的参数。工作电压决议了系统是否能够处于正常运作状态,它可以由电压调整器或一个电池来提供。对于一个节能系统,工作电压应当被最小化,以勤俭能量。第二点就是构建合理的固件结构下降以功耗。要为系统设计两个工作模式:一个为高效的运作模式;另外一个则是以下降功耗为日地的睡眠模式。两个模式的设计尺度分歧,但应尽量让系统在年夜部门时间内处于睡眠模式,以下降系统的总功耗。

 
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