微控制器的嵌入式低功耗应用

珠海天威技术开发有限公司 林东宁 张 强

微控制器的嵌入式低功耗应用

珠海天威技术开发有限公司 林东宁 张 强

微控制器Micro Controller Unit(简写MCU),也叫单片机，在现场实时数据采集及自动控制系统中发挥重要的作用，提高了相关行业的生产效率。在工业4.0的发展趋势下，嵌入式系统的低功耗设计要求越来越高，需要在系统设计过程中，注重微控制器的有效使用，降低嵌入式系统能耗的同时扩大其实际的服务范围，优化系统的服务功能。本文将对微控制器的嵌入式低功耗应用进行必要地探讨。

微控制器；嵌入式系统；低功耗；单片机；服务功能

随着嵌入式系统应用范围的不断扩大，其中电池供电的稳定性及有效性越来越受到重视，需要技术人员能够结合专业技术手段及相关器件性能的同时，加强嵌入式系统低功耗的优化设计，延长系统运行中电池的使用寿命，降低系统的运行成本，为应用范围的扩大打下坚实的基础。实现这样的发展目标，需要注重微控制器的合理运用，结合单片机的功能特性，实现嵌入式系统低功耗设计，促使微控制器作用的充分发挥。

一、构建嵌入式低功耗的微控制器要点分析

嵌入式系统低功耗设计的要求，首先要对微控制器的体系结构进行必要地优化，确保微控制器在实际的应用中能够达到预期的低功耗效果。构建这种微控制器的要点主要包括：（1）构建完善的指令体系，优化嵌入式系统的硬件设计及软件设计，包含的运算指令可以在嵌入式系统运行中实现对存储器的直接访问，保持代码密度的良好性；（2）嵌入式低功耗微控制器中为了保持高效的解码效率及控制电路工作的良好性，应确保指令体系中所有指令的有效性、规整性和兼容性，实现系统的低功耗设计，充分发挥微控制器的实际作用；（3）注重数据空间独立编址、哈佛结构的合理运用，简化微控制器作用下控制电路结构，将整体的电路规模控制在合理的范围内，不断提高相关数据的吞吐量。

二、微控制器的嵌入式低功耗应用分析

（一）硬件设计中选择较为简单的CPU内核

微控制器在嵌入式系统低功耗应用中实际作用的充分发挥，需要保证CPU内核使用过程中的良好性，保证系统资源充足性的同时提高系统的运行效率。现阶段以单片机为核心的嵌入式系统服务范围不断扩大，其中的功耗问题也越来越突出。因此，嵌入式系统低功耗目标的实现，需要在硬件设计中尽量选择较为简单的CPU内核：8位机够用的，就不必要选择16位甚至32位的微控制器。一个集成度高、功能强的CPU，由于片内MOS管多，总漏电电流大，即使进入休眠模式，漏电流仍不可忽略。而简单内核的CPU不仅功耗低，成本也低，将系统运行中的能耗控制在合理的范围内，保持系统构建成本的经济性。

（二）注重低压供电系统及存储器能耗控制

嵌入式系统运行中，采取必要的技术措施降低单片机能耗及存储器能耗，有利于优化系统的服务功能，增强微控制器的实际应用效果。实现这样的发展目标，需要从这些方面入手：（1）随着半导体光刻技术的发展，微控制器的工艺已经由0.5um逐步降低到0.35um、0.18um甚至90nm，工作电压由5V降到3.3V，当前1.8V的也非常普遍。低电压供电系统，能有效降低功耗；（2）注重低电压单片机的有效选择，实现嵌入式系统低功耗设计目标，提高系统运行中电能的利用效率；（3）结合类似于门控技术的分页访问及块寻址技术，选择可靠的微控制器，确保嵌入式系统中的存储器能耗可以控制在一定的范围内，降低系统运行中的能源消耗率。

（三）选择有效的休眠模式及带低功耗模式

不同的休眠模式与微控制单元的工作状态密切相关，进而会影响嵌入式系统运行的能耗。因此，需要选择合理的休眠模式，促使嵌入式系统的能耗可以控制在合理的范围内。要达到这样的设计需求，应加强主时钟切换及同步电路选择，确保系统系统运行中可以实现对低时钟频率的有效选择，保持嵌入式系统正常工作的同时充分发挥微控制器的实际作用，降低系统能耗。例如，Microchip的纳瓦XLP技术，可以让微处理器分别工作在“运行”、“打盹”、“空闲”、“休眠”和“深度休眠”模式，其中“深度休眠”模式功耗低于50nA。同时应减少I/O模块数量，将系统允许的唤醒方式控制在一定的范围内，促使这些唤醒方式作用下的系统能耗能够保持在使用最少的工作模式中。

（四）选择最佳的时钟方案，加强时钟网络的综合管理

结合嵌入式系统的组成结构，可知时钟的有效选择与系统能耗有着较强的关联性。因此，为了实现嵌入式低功耗微控制器的合理运用，需要从这些方面入手：（1）选择频率较低的系统总线，结合单片机工作过程的总电流能耗组成部分，将其中的运行电流及漏电流控制在合理的范围内，促使开关电流作用下的电流损耗可以达到最少，降低嵌入式系统能耗；（2）选择可靠的时钟方案。时钟方案选择的过程中应重点考虑锁相环、外部晶振、内部晶振的使用状况。例如，TI的MSP430系列单片机的时钟模块主要包括四个振荡源，分别是：（a）LFXT1CLK：外部低频时钟源，通常接一个32.768KHz的低频时钟晶体（b）XT2CLK：外部高频时钟源，通常接400K～16M晶振；（c）DCOCLK：片内可数字控制的振荡器DCOCLK，在软件的调节下该时钟的输出范围为0.6MHz到26MHz。（d）VLOCLK：片内超低功耗12KHz的内部振荡器。以上振荡源可根据应用需求，接入三个时钟系统：主时钟MCLK 、辅助时钟ACLK、子系统时钟SMCLK。通过时钟网络的综合管理，实现嵌入式系统的低功耗目标。

（五）注重程序的优化和合理编写

（1）使用“中断”功能代替查询，能有效减少CPU的运行，甚至可进入休眠模式等待中断触发。（2）使用“宏”代替子程序，虽然一定程度增加了程序空间代码量，但能免去子程序调用时对堆栈的压入与弹出，有效降低功耗。（3）利用“查表”代替运算，降低CPU的运算工作量，不但能加快处理速度，同时可以节省电流消耗；（4）注重I/O模块间歇方式的合理运用，促使驱动程序运行过程中可以利用I/O程序的控制作用，不使用的I/O要关闭或上拉，降低系统功耗。

三、一种可根据外部供电电压自动切换高/低功耗状态的嵌入式应用设计

微控制器常用的外接RC振荡电路，由于电阻值R1和电容值C1是固定的，充放电时间也就固定，工作频率不能调整，也就无法切换工作时的功耗状态。专利200620060165.9 提供了一种巧妙的设计方案（图1）。通过增加晶体管Q1和R2，与R1组成电阻的并联电路，稳压二极管D1和 R3控制Q1的基极。当外部电源供电缓慢上升时或变低时，即供电电压低于稳压二极管D1的击穿电压和晶体管Q1的基极与发射极的电压之和时，稳压二极管D1工作在反向状态，晶体管Q1工作在截止状态，此时，仅振荡电阻R1、振荡电容C1与MCU2的内部振荡电路一起产生工作频率，阻值较大产生的工作频率较小，使MCU自动切换到低速低功耗状态;当外部电源上升到较高电压时，高于稳压二极管D1的击穿电压和晶体管Q1的基极与发射极的电压之和时，稳压二极管D1反向击穿，晶体管Q1工作在导通状态，此时，振荡电阻R1、振荡电阻R2、振荡电容Cl与MCU2的内部振荡电路一起产生工作频率，由于振荡电阻R1与振荡电阻R2并联阻值较小，从而使得产生的工作频率较高，并且使MCU自动切换到高速高功耗状态。

利用晶体管Q1、限流电阻R3、稳压二极管D1等构件的作用，实现对振荡电路作用下工作频率的变化：当系统供电电压高时，稳压二极管被反向击穿，晶体管导通，振荡电路产生的工作频率提高，MCU切换到高速工作状态；当系统供电电压变低时，晶体管截止，频率变低，将MCU切换到低功耗状态，加强了对功耗的有效控制。