《单片机原理及应用》第十一章-低功耗单片机系统的设计课件.ppt

1、 许多现代电子设备，如家用电器、视频音像系统中，普遍采用遥控许多现代电子设备，如家用电器、视频音像系统中，普遍采用遥控操作，在不使用时，大都处于待机状况下。据有关部门统计，目前，许多操作，在不使用时，大都处于待机状况下。据有关部门统计，目前，许多家用电器在备用状态下耗费的电量已超过实际使用中消耗的电量。据报道家用电器在备用状态下耗费的电量已超过实际使用中消耗的电量。据报道，美国家用电器每年在备用状态下浪费的能源达，美国家用电器每年在备用状态下浪费的能源达10亿美元。采用低功耗设亿美元。采用低功耗设计不仅能减少使用中的功耗，而且可以大大减少备用状态下的功耗。许多计不仅能减少使用中的功耗，而且可以

2、大大减少备用状态下的功耗。许多低功耗设计大多采用最大静态化设计，在节省能源的同时，也减少电磁污低功耗设计大多采用最大静态化设计，在节省能源的同时，也减少电磁污染。染。低功耗设计技术有利于电子系统向便携化发展。便携式电脑、笔记低功耗设计技术有利于电子系统向便携化发展。便携式电脑、笔记本电脑便是低功耗系统设计的成果。现代电子系统便携化拓宽了它的应用本电脑便是低功耗系统设计的成果。现代电子系统便携化拓宽了它的应用领域。领域。低功耗系统设计不可避免要走全低功耗系统设计不可避免要走全CMOS化道路和功耗管理的道路。化道路和功耗管理的道路。在数字电路中，在数字电路中，CMOS电路有较大的噪声容限；在功耗管

3、理中，常采用的电路有较大的噪声容限；在功耗管理中，常采用的休眠、掉电以及电源关闭等方式；在这些方式下，系统对外界噪声失敏，休眠、掉电以及电源关闭等方式；在这些方式下，系统对外界噪声失敏，大大减少了系统因噪声干扰产生的出错概率。低功耗系统设计应该成为电大大减少了系统因噪声干扰产生的出错概率。低功耗系统设计应该成为电子系统设计工程师的一项基本设计技能。子系统设计工程师的一项基本设计技能。低功耗系统设计涉及方面很多，其中有硬件设计方面的内容，也有低功耗系统设计涉及方面很多，其中有硬件设计方面的内容，也有软件设计方面的内容。硬件设计主要是器件选择和电路设计，软件设计主软件设计方面的内容。硬件设计主要是

4、器件选择和电路设计，软件设计主要是根据系统的运行状况对系统中的器件进行功耗管理，包括要是根据系统的运行状况对系统中的器件进行功耗管理，包括CPU自身的自身的功耗管理。功耗管理。11.1 低功耗单片机系统的特点低功耗单片机系统的特点 低功耗单片机系统由于应用在一些特定的场合，因而具有以下特点：低功耗单片机系统由于应用在一些特定的场合，因而具有以下特点：1首先要求仪器体积小，重量轻，便于携带。现代微电子学的迅猛首先要求仪器体积小，重量轻，便于携带。现代微电子学的迅猛发展，各种电路的集成度越来越大，而且各种高效专用集成电路的大量问发展，各种电路的集成度越来越大，而且各种高效专用集成电路的大量问世，使

5、仪器、仪表的电子元件的个数大大地减少，仪器的体积也就越来越世，使仪器、仪表的电子元件的个数大大地减少，仪器的体积也就越来越小，重量越来越轻。小，重量越来越轻。2通常用于不适宜用交流供电的场合，各种电池（瓶）就成为它主通常用于不适宜用交流供电的场合，各种电池（瓶）就成为它主要的供电手段。现代各种小体积高容量电池的涌现，各种高效率直流要的供电手段。现代各种小体积高容量电池的涌现，各种高效率直流直直流电源变换器（流电源变换器（DCDC电源变换器）集成电路的出现，以及各种低压供电源变换器）集成电路的出现，以及各种低压供电的集成电路的使用，采用电池供电的仪器仪表也就越来越多。电的集成电路的使用，采用电池

6、供电的仪器仪表也就越来越多。3采用了低功耗电路设计方法，以低功耗为主要技术指标。它除了采用了低功耗电路设计方法，以低功耗为主要技术指标。它除了选用各种低功耗的器件和芯片外，在满足速度等指标的前提下，进行降低选用各种低功耗的器件和芯片外，在满足速度等指标的前提下，进行降低功耗的硬件电路设计和软件设计，以使单片机系统运行的功耗尽可能小。功耗的硬件电路设计和软件设计，以使单片机系统运行的功耗尽可能小。4采用采用LCD液晶显示器。系统只能采用微功耗的液晶显示器。系统只能采用微功耗的LCD液晶显示器。液晶显示器。现在市场上各种面积的笔划式液晶显示器和点阵式字符或图形液晶显示器，现在市场上各种面积的笔划式

7、液晶显示器和点阵式字符或图形液晶显示器，可以满足各种智能仪器仪表的需要。可以满足各种智能仪器仪表的需要。11.2 低功耗单片机系统的器件选择低功耗单片机系统的器件选择 低功耗系统设计中，器件选择是基础。选择的器件不仅要求本质功耗低功耗系统设计中，器件选择是基础。选择的器件不仅要求本质功耗低，而且具有良好的功耗控制功能。低，而且具有良好的功耗控制功能。早期早期CMOS电路由于运行速度慢，无法取代电路由于运行速度慢，无法取代TTL电路。高速电路。高速CMOS电电路出现后，路出现后，74HC、74AHC的基本性能已超过的基本性能已超过TTL电路，表电路，表11-1中列举了中列举了74HC、74AHC

8、与与74LS、74ALS集成电路的主要参数。从表中可以看出，集成电路的主要参数。从表中可以看出，高速高速CMOS器件的静态功耗比器件的静态功耗比TTL器件的静态功耗要低器件的静态功耗要低67个数量级，个数量级，CMOS器件的静态功耗几乎可以忽略不计；高速器件的静态功耗几乎可以忽略不计；高速CMOS器件的动态功耗也器件的动态功耗也只有只有TTL器件动态功耗的十分之一。表中器件动态功耗的十分之一。表中74AHC是是74HC的增强型；的增强型；74ALS是是74LS的增强型。选择的增强型。选择CMOS数字逻辑器件不仅能满足本质低功耗及功耗数字逻辑器件不仅能满足本质低功耗及功耗管理要求，而且还可提高系

9、统的抗干扰能力，并且良好的输出驱动能力和管理要求，而且还可提高系统的抗干扰能力，并且良好的输出驱动能力和微小的输入驱动电流，使系统的驱动设计变得十分简单。微小的输入驱动电流，使系统的驱动设计变得十分简单。表表11-1 74HC与与74LS的主要特性比较的主要特性比较 目前单片机已普遍采用高速目前单片机已普遍采用高速CMOS工艺，应用系统设计时，不再工艺，应用系统设计时，不再选用非高速选用非高速CMOS单片机。在设计低功耗单片机系统时，主要考虑单片机单片机。在设计低功耗单片机系统时，主要考虑单片机的本质功耗与功耗管理性能；单片机的外围器件也要考虑其功耗与功耗管的本质功耗与功耗管理性能；单片机的外

10、围器件也要考虑其功耗与功耗管理性能，一般采用高速理性能，一般采用高速CMOS工艺的外围器件。工艺的外围器件。目前低功耗的单片机有目前低功耗的单片机有INTEL公司的公司的80C31/80C51/87C51 八位单片机八位单片机，80C196十六位单片机；十六位单片机；PHILIPS公司的公司的80C51衍生系列八位单片机；衍生系列八位单片机；MOTOROLA公司的公司的MC68HC05系列八位单片机及系列八位单片机及MC68HC11系列八位单系列八位单片微机；片微机；NS公司的公司的COP4000系列四位单片机；系列四位单片机；COP8000系列八位单片机系列八位单片机；HPC系列十六位单片机

11、；系列十六位单片机；MI-CROSHIP公司的公司的PIC系列八位单片机；系列八位单片机；TI公司的公司的MSP430系列十六位单片机以及系列十六位单片机以及MSP430FLx子系列十六位单片机子系列十六位单片机。常用的低功耗外围器件有常用的低功耗外围器件有74HC、74AHC、4000系列，以及系列，以及HCMOS的存储器和带的存储器和带C标的接口电路，标的接口电路，HCMOS的存储器包括的存储器包括ROM芯片芯片27C32、27C64、27C128、27C256、27C512等；静态等；静态RAM芯片芯片6116、6264、62256等；等；EEPROM芯片有芯片有28C64等。带等。带C

12、标的接口芯片有标的接口芯片有81C55、82C55、82C53等。等。具 有 自 动 关 闭 功 能 的 器 件，如具 有 自 动 关 闭 功 能 的 器 件，如 R S-2 3 2 接 口 器 件接 口 器 件MAX3212/3218/322l/3223/3224/3238，在无数据通讯时，自动关闭，其，在无数据通讯时，自动关闭，其关闭状态电流可减少到关闭状态电流可减少到1A；具有零功耗管理功能的；具有零功耗管理功能的Flash存储器存储器AM29SL800B，在读写期间才激活芯片，待机状态的功耗极小；以上两，在读写期间才激活芯片，待机状态的功耗极小；以上两类芯片的功耗管理由器件内部自动完成

13、。类芯片的功耗管理由器件内部自动完成。v 编程控制功耗的器件，这些低功耗运行管理是通过编程控制实现的，编程控制功耗的器件，这些低功耗运行管理是通过编程控制实现的，即在控制命令中设置低功耗方式位来管理器件的运行功耗。通过这些功耗控即在控制命令中设置低功耗方式位来管理器件的运行功耗。通过这些功耗控制位的设置降低运行速度、关闭部分电路或电源来实现低功耗运行。例如，制位的设置降低运行速度、关闭部分电路或电源来实现低功耗运行。例如，CMOS工艺、功耗可控的串行接口双通道土工艺、功耗可控的串行接口双通道土14位模数转换器位模数转换器MAX110，在正，在正常转换速度常转换速度tCON20ms下，运行功耗为

14、下，运行功耗为550A，该器件具有可编程的控制功，该器件具有可编程的控制功耗，在耗，在16位的控制命令中，有两个掉电控制位位的控制命令中，有两个掉电控制位PXD和和PD。置位。置位PXD时，关闭时，关闭RC振荡器电源；置位振荡器电源；置位PD时，关闭模拟电路电源。采取上述功耗管理的编程时，关闭模拟电路电源。采取上述功耗管理的编程控制时，控制时，MAX110的关断电流可下降到的关断电流可下降到4A。v 具有功耗管理端口控制的外围器件，其低功耗运行方式是通过外部端具有功耗管理端口控制的外围器件，其低功耗运行方式是通过外部端口电平控制，来关闭相应电路，使之静态工作，降低功耗。目前，许多口电平控制，来

15、关闭相应电路，使之静态工作，降低功耗。目前，许多CMOS外围器件都设置有外部关断的低功耗运行方式，例如，有一个外部掉外围器件都设置有外部关断的低功耗运行方式，例如，有一个外部掉电控制端口的模数转换器电控制端口的模数转换器MAXl52，掉电引脚为低电平时，掉电引脚为低电平时，MAXl52停止运行停止运行，静态功耗仅为，静态功耗仅为1A，再如，经常用于为系统中，再如，经常用于为系统中Flash存储器提供存储器提供12 V编程电编程电压的压的DC/DC器件器件MAX662A，可以通过外部控制端关闭，可以通过外部控制端关闭DC/DC的输出，使的输出，使MA662A进入静态工作，静态电流为进入静态工作，

16、静态电流为0.5A。11.3 低功耗单片机系统的电路设计低功耗单片机系统的电路设计 低功耗器件的选用对低功耗单片机系统固然重要，电路设计对功低功耗器件的选用对低功耗单片机系统固然重要，电路设计对功耗的影响也不可忽视。电路设计的原则，从器件原理出发，本着降低功耗耗的影响也不可忽视。电路设计的原则，从器件原理出发，本着降低功耗的目的，从以下几个方面设计电路。的目的，从以下几个方面设计电路。1.降低降低CMOS器件供电的电压和运行频率器件供电的电压和运行频率 由表由表11-1可知，可知，CMOS器件的静态功耗器件的静态功耗很小，它的功耗主要来自动态功耗，而与动很小，它的功耗主要来自动态功耗，而与动态

17、功耗有关的参数主要是工作电压与逻辑转态功耗有关的参数主要是工作电压与逻辑转换频率，因此，降低器件的功耗途径主要是换频率，因此，降低器件的功耗途径主要是对器件工作电压和逻辑转换频率的控制。对器件工作电压和逻辑转换频率的控制。CMOS电路允许有较宽范围的工作电压，电路允许有较宽范围的工作电压，而且其接近满度的逻辑电平输出特性（即输而且其接近满度的逻辑电平输出特性（即输出电平接近工作电压）有利于大幅度降出电平接近工作电压）有利于大幅度降CMOS电路的工作电压。图电路的工作电压。图11-1表示了不同表示了不同工作电压下的功耗水平。可以看出，降低工工作电压下的功耗水平。可以看出，降低工作电压可大幅度降低

18、作电压可大幅度降低CMOS电路的动态功耗。电路的动态功耗。图图11-1 器件的供电压与对功器件的供电压与对功耗的影响耗的影响 不随意提高器件的时钟频率是不随意提高器件的时钟频率是降低器件功耗的另一重要途径。图降低器件功耗的另一重要途径。图11-2给出了两种工作电压下，单片机工作电给出了两种工作电压下，单片机工作电流与时钟频率的关系流与时钟频率的关系87C51FB工作电工作电压为压为5V，87L5lFB工作电压为工作电压为3 V，在，在相同的工作电压下，时钟频率降低后，相同的工作电压下，时钟频率降低后，功耗会大幅度下降。功耗会大幅度下降。图图11-2 不同工作电压下时钟频率对不同工作电压下时钟频

19、率对功耗的影响功耗的影响 2.尽量减少器件不必要的电平翻转尽量减少器件不必要的电平翻转 如前所述，如前所述，CMOS器件的功耗主要来自动态功耗，而动态功耗就是器件的功耗主要来自动态功耗，而动态功耗就是器件逻辑电平翻转期间产生的功耗，图器件逻辑电平翻转期间产生的功耗，图11-3给出了给出了CMOS的非门电路在的非门电路在逻辑电平翻转期间的电流波形图。由图可见，器件在电平翻转期间有较逻辑电平翻转期间的电流波形图。由图可见，器件在电平翻转期间有较大的电流，因此降低器件功耗的另一个方法就是减少器件不必要的电平大的电流，因此降低器件功耗的另一个方法就是减少器件不必要的电平翻转。例如在系统设计时，用了器件

20、翻转。例如在系统设计时，用了器件74HC04，该器件内部有，该器件内部有6个非门，个非门，而系统仅用了而系统仅用了3个非门，另外个非门，另外3个非门处于空闲状态，如让空闲非门的输个非门处于空闲状态，如让空闲非门的输入引脚悬空，由于入引脚悬空，由于CMOS 的输入阻抗很高，空闲状态的非们可能在外的输入阻抗很高，空闲状态的非们可能在外电场的干扰下产生逻辑电平的翻转，从而增加器件的功耗。为减少这种电场的干扰下产生逻辑电平的翻转，从而增加器件的功耗。为减少这种无谓的功耗，可以将器件不用的输入引脚接低电平或高电平。无谓的功耗，可以将器件不用的输入引脚接低电平或高电平。3.具有功耗控制功能器件控制电路具有

21、功耗控制功能器件控制电路 从时间的微观来看。系统中的器件不从时间的微观来看。系统中的器件不是每时每刻都在工作的，在器件不工作期是每时每刻都在工作的，在器件不工作期间，要设法减少器件的功耗。例如，间，要设法减少器件的功耗。例如，3V供供电，转换时间为电，转换时间为1.8s的的8位模数转换器位模数转换器MAXl52有一个外部掉电控制端口有一个外部掉电控制端口 。正常运行（。正常运行（为高电平）时功耗电为高电平）时功耗电流为流为1 mA，引脚为低电平时，引脚为低电平时，PWRDNPWRDNPWRDNMAXl52停止运行，静态功耗仅为停止运行，静态功耗仅为1A。再如，为系统中。再如，为系统中Flash

22、存储器提存储器提供供12 V编程电压的编程电压的DC/DC器件器件MAX662A，将，将4.755.5V电压提升到电压提升到12V输出。该器件具有外部关断功能。输出。该器件具有外部关断功能。MAX622A本身消耗的工作电流为本身消耗的工作电流为185A，当外部控制端，当外部控制端SHDN（Shut Down）为高电平时，）为高电平时，DC/DC输出关输出关断，使断，使MA662A进入静态工作，静态电流为进入静态工作，静态电流为0.5A。对以上的两种器件，在电路设计时，要把器件的功耗控制端口连接对以上的两种器件，在电路设计时，要把器件的功耗控制端口连接到单片机，器件不工作期间由单片机实现对器件的

23、功耗控制。到单片机，器件不工作期间由单片机实现对器件的功耗控制。4.无功耗控制功能的器件要设计电源管理电路无功耗控制功能的器件要设计电源管理电路 在单片机应用系统中，有许多外围器件没有功耗控制端口，也不在单片机应用系统中，有许多外围器件没有功耗控制端口，也不能实现对其编程控制，甚至器件还不是能实现对其编程控制，甚至器件还不是CMOS器件；对这类外围器件，可器件；对这类外围器件，可采用用电源管理的方法来降低功耗。所谓电源管理就是关断器件的供电电采用用电源管理的方法来降低功耗。所谓电源管理就是关断器件的供电电源。电源的关断控制是对无功耗管理功能的器件或电路实现功耗管理既方源。电源的关断控制是对无功

24、耗管理功能的器件或电路实现功耗管理既方便又有效的办法。这是一个十分有效的低功耗设计方法。但是，采用这种便又有效的办法。这是一个十分有效的低功耗设计方法。但是，采用这种办法时要考虑以下几个方面的内容：办法时要考虑以下几个方面的内容：（1）受控电路要具有相对的独立性，即）受控电路要具有相对的独立性，即关断受控电路时，不影响其它电路工作；关断受控电路时，不影响其它电路工作；（2）受控电路工作时间与空闲时间呈周）受控电路工作时间与空闲时间呈周期性的集中分布，即在一个周期中，工作期性的集中分布，即在一个周期中，工作时间集中在一起，空闲时间集中在一起；时间集中在一起，空闲时间集中在一起；（3）要考虑电源上

25、电的过渡时间及电路）要考虑电源上电的过渡时间及电路输出的稳定时间，即在受控电路开始工作输出的稳定时间，即在受控电路开始工作时，要提前一段时间开启受控电路的电源。时，要提前一段时间开启受控电路的电源。图图11-4电源管理示意图电源管理示意图 电源管理是低功耗系统设计的重要一环。为了实现电源管理，系统电源管理是低功耗系统设计的重要一环。为了实现电源管理，系统中电路的供电要按电源管理的要求，进行电源的区划设计。图中电路的供电要按电源管理的要求，进行电源的区划设计。图11-4给出了给出了系统区划供电的示意，所有不需电源管理的电路，由一个电源系统区划供电的示意，所有不需电源管理的电路，由一个电源U0供电

26、；需供电；需要进行电源管理的电路，由可关断电源供电。若系统中有几部分电路需要要进行电源管理的电路，由可关断电源供电。若系统中有几部分电路需要进行电源管理，一般这几部分电路都是分时工作的，在条件许可的情况下进行电源管理，一般这几部分电路都是分时工作的，在条件许可的情况下，可分别设计供电的电源，如图中的，可分别设计供电的电源，如图中的U1。Un，可关断电源受，可关断电源受C1。Cn分别控制，以进一步提高电源管理的效率。分别控制，以进一步提高电源管理的效率。5.高效率的电源系统设计高效率的电源系统设计 单片机应用系统中的许多器件需要有稳定的电压才能正常工作，因单片机应用系统中的许多器件需要有稳定的电

27、压才能正常工作，因此，稳压电路是低功耗系统不可缺少的重要组成部分。稳压电源的效率对此，稳压电路是低功耗系统不可缺少的重要组成部分。稳压电源的效率对低功耗系统的功耗影响极大。稳压电路大致分为线性稳压电路和开关稳压低功耗系统的功耗影响极大。稳压电路大致分为线性稳压电路和开关稳压电路。线性稳压电路的效率一般都在电路。线性稳压电路的效率一般都在70%以下，而开关稳压电路的效率可以下，而开关稳压电路的效率可以达到以达到90%，甚至更高。因此，低功耗系统中的稳压电源应当尽量采用开，甚至更高。因此，低功耗系统中的稳压电源应当尽量采用开关稳压电路，尤其是负载电流较大的场合。关稳压电路，尤其是负载电流较大的场合

28、。5采用采用RS232串行通信接口。由于不少低功耗单片微机系统作为串行通信接口。由于不少低功耗单片微机系统作为野外工作的数据采集器，测量数据都要送入通用微型计算机去进一步处理野外工作的数据采集器，测量数据都要送入通用微型计算机去进一步处理，单片机系统应具有串行口。低功耗单片微机系统都设计有，单片机系统应具有串行口。低功耗单片微机系统都设计有RS232C串串行通信接口，以便向通用微型计算机传输数据。行通信接口，以便向通用微型计算机传输数据。6通常不配备打印机。受功耗、体积和重量的限制，低功耗单片微通常不配备打印机。受功耗、体积和重量的限制，低功耗单片微机系统通常都不配备打印机。需要打印的数据可利

29、用系统的存储器先将数机系统通常都不配备打印机。需要打印的数据可利用系统的存储器先将数据储存起来，再利用据储存起来，再利用RS232串行通信接口将数据传送给通用微型计算机串行通信接口将数据传送给通用微型计算机，由通用微型计算机进行打印。，由通用微型计算机进行打印。7具有存贮数据的能力。低功耗单片机系统做成的智能仪表在很多具有存贮数据的能力。低功耗单片机系统做成的智能仪表在很多情况下都是作为工作站的便携式检测仪表，它本身缺乏大规模的数据处理情况下都是作为工作站的便携式检测仪表，它本身缺乏大规模的数据处理能力，仅作为野外工作的数据采集器，检测到的数据都要送到基地工作站能力，仅作为野外工作的数据采集器

30、，检测到的数据都要送到基地工作站作进作进步处理。为此低功耗单片机系统通常都要带有半导体存储器，以便步处理。为此低功耗单片机系统通常都要带有半导体存储器，以便能在长期断电的情况下存贮野外测量数据。能在长期断电的情况下存贮野外测量数据。8大量采用大量采用CMOS电路。随着微电子学的发展，几乎在每一个双极电路。随着微电子学的发展，几乎在每一个双极性器件出现之后，就马上出现了具有相同管脚、相同功能，可以直接与之性器件出现之后，就马上出现了具有相同管脚、相同功能，可以直接与之互换使用的低功耗互换使用的低功耗CMOS器件。这样就可以设计出全部由器件。这样就可以设计出全部由CMOS电路组成电路组成的低功耗单

31、片机系统。在低功耗单片机系统中使用的低功耗芯片主要指的低功耗单片机系统。在低功耗单片机系统中使用的低功耗芯片主要指HCMOS的单片机、的单片机、74HC系列高速系列高速CMOS数字集成电路、数字集成电路、4000系列低速系列低速CMOS数字集成电路、低功耗存储器及一些低功耗的外围电路。数字集成电路、低功耗存储器及一些低功耗的外围电路。11.4 低功耗单片机系统的功耗分析低功耗单片机系统的功耗分析 单片机应用系统是计算机应用系统，但它又与以海量数据计算、单片机应用系统是计算机应用系统，但它又与以海量数据计算、数据通信为主要任务的通用计算机不同。单片机应用系统的主要任务是数据通信为主要任务的通用计

32、算机不同。单片机应用系统的主要任务是对物理对象的控制，其工作状态与物理对象的状态密切相关。在许多情对物理对象的控制，其工作状态与物理对象的状态密切相关。在许多情况下，人也参与控制操作。这类系统有两个显著特点：况下，人也参与控制操作。这类系统有两个显著特点：是是CPU的高速的高速运行与物理状态的缓慢变化；二是单个运行与物理状态的缓慢变化；二是单个CPU对应多个外围功能电路形成对应多个外围功能电路形成的分时操作的状况。这两个特点将导致在单片机应用系统中，无论是时的分时操作的状况。这两个特点将导致在单片机应用系统中，无论是时间上还是空间上存在巨大的非有效运行状态。间上还是空间上存在巨大的非有效运行状

33、态。所谓单片机应用系统中的有效运行，是指单片机的完成规定任务所谓单片机应用系统中的有效运行，是指单片机的完成规定任务的操作运行。由于的操作运行。由于CPU的高速运行特点，许多操作任务都可在很短时间的高速运行特点，许多操作任务都可在很短时间内完成。但是许多外围设备、人机交互、物理参数采集和控制所要求的内完成。但是许多外围设备、人机交互、物理参数采集和控制所要求的响应周期很长，形成了响应周期很长，形成了CPU在有效运行后处于长期无谓等待状态。单片在有效运行后处于长期无谓等待状态。单片机应用系统中的这种有效运行的占空比现象普遍存在，而且在许多应用机应用系统中的这种有效运行的占空比现象普遍存在，而且在

34、许多应用系统中无谓等待状况达到了惊人的程度。系统中无谓等待状况达到了惊人的程度。例如，在热流量计中，系统要定时完成热水进口温度、出口温度例如，在热流量计中，系统要定时完成热水进口温度、出口温度及流量的采集、热量参数计算、显示热量、流量参数并存储结果数据。及流量的采集、热量参数计算、显示热量、流量参数并存储结果数据。全部有效运行为采集、处理、送显示、存结果，这些任务单片机只需全部有效运行为采集、处理、送显示、存结果，这些任务单片机只需2s即可完成。由于暖气计量中，温度参数变化缓慢，流量计量可定期读取即可完成。由于暖气计量中，温度参数变化缓慢，流量计量可定期读取计数结果，因此重复周期可以很长，形成

35、了极小的有效运行时域占空比计数结果，因此重复周期可以很长，形成了极小的有效运行时域占空比。图。图11-5表示了热流量计的有效运行时域占空比。表示了热流量计的有效运行时域占空比。图中图中TOP为完成采集、处理、送显为完成采集、处理、送显示、存结果数据的有效运行时间。示、存结果数据的有效运行时间。TLOP为重复周期。在实际系统中为重复周期。在实际系统中TOP1秒。秒。TLOP为为10分钟，有效运行时域占空比可分钟，有效运行时域占空比可达达1：600。图图11-5 热流量计有效运行的时域占热流量计有效运行的时域占空比空比 在上述热流量计中，单片机的外围电路有频率测量、脉冲计数接口在上述热流量计中，单

36、片机的外围电路有频率测量、脉冲计数接口电路、显示电路及电路、显示电路及E2PROM存储器等。单片机在不同时间里对这些外围存储器等。单片机在不同时间里对这些外围电路分时操作。若单片机对某一区域外围电路实现操作运行时，该区域电路分时操作。若单片机对某一区域外围电路实现操作运行时，该区域为有效运行区域，这时，其它外围电路处于无谓等待状态。图为有效运行区域，这时，其它外围电路处于无谓等待状态。图11-6为热为热流量计在流量计在TOP期间的区域占空比示意图。设测频接口、计数接口、显示期间的区域占空比示意图。设测频接口、计数接口、显示电路、电路、E2PROM电路功耗相同，操作时间相同，则电路功耗相同，操作

37、时间相同，则TOP期间的区域占空期间的区域占空比为比为1：3。从上述单片机应用系统的时空分析的有效运行占空比可以看。从上述单片机应用系统的时空分析的有效运行占空比可以看出，实际的单片机应用系统中，在大部分时间及空间上，系统是处于无出，实际的单片机应用系统中，在大部分时间及空间上，系统是处于无谓等待状态，其原因是谓等待状态，其原因是CPU的高速运行与缓慢的响应要求以及的高速运行与缓慢的响应要求以及CPU的分的分时操作造成的。时操作造成的。应用系统由集成电路与辅助电路组成，集成电路又是电路的微电应用系统由集成电路与辅助电路组成，集成电路又是电路的微电子集成。因此，子集成。因此，应用系统的运行操作都

38、是具体电路的运行操作。单片机应用系统的运行操作都是具体电路的运行操作。单片机应用系统中，绝大多数电路的运行操作都体现在逻辑电平的变换上。电路应用系统中，绝大多数电路的运行操作都体现在逻辑电平的变换上。电路不运行时，逻辑状态不变，电路处于稳定的静态电平上；电路运行时，则不运行时，逻辑状态不变，电路处于稳定的静态电平上；电路运行时，则处于不停的逻辑变化的动态运行中。处于不停的逻辑变化的动态运行中。一个独立、完整的功能电路由一个独立、完整的功能电路由系列电路组成，电路中的每个部系列电路组成，电路中的每个部分不会同时处于动态变化之中，从而形成了电路运行中的宏观动态占空比分不会同时处于动态变化之中，从而

39、形成了电路运行中的宏观动态占空比。正如上面所述的正在运行中的电路部分，其逻辑电平的变化操作可分正如上面所述的正在运行中的电路部分，其逻辑电平的变化操作可分解为逻辑电平变化的过渡态和逻辑电平的稳定态，这样的逻辑变换的过渡解为逻辑电平变化的过渡态和逻辑电平的稳定态，这样的逻辑变换的过渡态与稳定态表现为逻辑电路运行的微观动态占空比。例如，实时时钟电路态与稳定态表现为逻辑电路运行的微观动态占空比。例如，实时时钟电路中的毫秒、秒、分、时、日都是独立的单元电路，这些电路中的微观动态中的毫秒、秒、分、时、日都是独立的单元电路，这些电路中的微观动态占空比表现在毫秒、秒、分、时、日的计数进位瞬间的动态运行和计数

40、周占空比表现在毫秒、秒、分、时、日的计数进位瞬间的动态运行和计数周期的稳定状态。期的稳定状态。从上述分析可知，实际应用系统运行的时域、空域中存在有效运从上述分析可知，实际应用系统运行的时域、空域中存在有效运行与无谓等待；在系统电路中也有相应的静态、动态运行状态。系统时域行与无谓等待；在系统电路中也有相应的静态、动态运行状态。系统时域、空域中的有效运行以及电路的动态运行都要求电流的注入，形成系统中、空域中的有效运行以及电路的动态运行都要求电流的注入，形成系统中的有效功耗；而在供电状态下，系统时、空中的无谓等待及电路的稳定状的有效功耗；而在供电状态下，系统时、空中的无谓等待及电路的稳定状态也要产生

41、一定的功耗，称之为无效功耗。通常情况下，有效功耗，无效态也要产生一定的功耗，称之为无效功耗。通常情况下，有效功耗，无效功耗的占空比与时、空有效运行的占空比，电路中动、静态运行占空比是功耗的占空比与时、空有效运行的占空比，电路中动、静态运行占空比是一致的。一致的。相对于有效运行与无谓等相对于有效运行与无谓等待，电路静态与动态运行功耗无待，电路静态与动态运行功耗无区别的系统（如无电源管理的区别的系统（如无电源管理的TTL电路系统）的功耗而言，只电路系统）的功耗而言，只有在有效运行及电路动态运行才有在有效运行及电路动态运行才消耗功率的系统称之为零功耗系消耗功率的系统称之为零功耗系统。例如，在热流量计

42、中，只考统。例如，在热流量计中，只考虑时、空占空比，即达虑时、空占空比，即达1/600l/3为为l/1800，若考虑电路，若考虑电路的动静态占空比，其有效功耗还的动静态占空比，其有效功耗还要大幅度减小。若把热流量计设要大幅度减小。若把热流量计设计成零功耗系统，则系统平均功计成零功耗系统，则系统平均功耗将在最大功耗的耗将在最大功耗的0.1以下。以下。图图11-6 热流量计有效运行中的区域占空比热流量计有效运行中的区域占空比 11.5 低功耗单片机系统的软件设计低功耗单片机系统的软件设计 低功耗单片机应用系统的软件设计与一般单片机应用系统大同小异，低功耗单片机应用系统的软件设计与一般单片机应用系统

43、大同小异，但低功耗系统的软件要比一般系统多一块功耗控制的软件。上一节指出了降但低功耗系统的软件要比一般系统多一块功耗控制的软件。上一节指出了降低功耗的途径，功耗控制软件就是要控制系统的无谓等待状态的功耗，从而低功耗的途径，功耗控制软件就是要控制系统的无谓等待状态的功耗，从而大幅度降低系统的平均功耗。降低系统的功耗就是降低系统器件的功耗，即大幅度降低系统的平均功耗。降低系统的功耗就是降低系统器件的功耗，即降低单片机的功耗和外围器件的功耗。降低单片机的功耗和外围器件的功耗。低功耗单片机系统总体设计时，首先要认真分析系统时域及区域中的低功耗单片机系统总体设计时，首先要认真分析系统时域及区域中的有效运

44、行占空比。例如，在热流量计总体设计中，将所有的有效运行，即信有效运行占空比。例如，在热流量计总体设计中，将所有的有效运行，即信号采集、数据处理、号采集、数据处理、LCD显示、存储结果等，集中在一起完成，而考虑到温显示、存储结果等，集中在一起完成，而考虑到温度参数的缓慢变化，允许在较长时间，例如，度参数的缓慢变化，允许在较长时间，例如，10分钟后进行第二次操作；不分钟后进行第二次操作；不能停歇的流量脉冲计数由值守电路实现值守计数，值守电路选用微功耗器件能停歇的流量脉冲计数由值守电路实现值守计数，值守电路选用微功耗器件。考虑到热流量计中有效运行的占空比现象，在有效运行中，温频信号考虑到热流量计中有

45、效运行的占空比现象，在有效运行中，温频信号采集、数据处理、显示、结果存储是由单片机分时操作完成，除数据处理由采集、数据处理、显示、结果存储是由单片机分时操作完成，除数据处理由单片机本身完成外，其余由单片机跟相应独立的外围电路共同完成。在这些单片机本身完成外，其余由单片机跟相应独立的外围电路共同完成。在这些外围电路中，温频测量接口功耗最大（内有两个频率源外围电路中，温频测量接口功耗最大（内有两个频率源Fx、FR），可采取供），可采取供电管理的办法，减少在有效运行期间无谓等待电路区域的功耗。即在电管理的办法，减少在有效运行期间无谓等待电路区域的功耗。即在2秒钟的秒钟的有效运行时间里，只在对温频信号

46、采集的有效运行时间里，只在对温频信号采集的0.5秒时间里给测频电路接口上电，秒时间里给测频电路接口上电，在其余的在其余的1.5秒钟时间里，停止对温频测量电路供电。秒钟时间里，停止对温频测量电路供电。1单片机的低功耗运行单片机的低功耗运行 单片机和其它单片机和其它CMOS电路一样，功耗主要是由门电路的电平变换造电路一样，功耗主要是由门电路的电平变换造成的。要降低单片机的功耗，就要让单片机中尽可能多的电路处于静态。成的。要降低单片机的功耗，就要让单片机中尽可能多的电路处于静态。80C51系列单片机具有系列单片机具有CMOS单片机的典型低功耗运行方式，即建立在系单片机的典型低功耗运行方式，即建立在系

47、统时钟管理基础上的统时钟管理基础上的ID（IDle）和）和PD（Power Down）方式。）方式。ID、PD方方式下的时钟系统控制见图式下的时钟系统控制见图11-7。在。在ID方式下，单片机片内的方式下，单片机片内的CPU时钟关断时钟关断，程序停止运行，但中断系统、定时器，程序停止运行，但中断系统、定时器/计数器、串行口仍可工作。在计数器、串行口仍可工作。在ID方方式下，可采取中断方式唤醒。式下，可采取中断方式唤醒。唤醒后，程序入口为进唤醒后，程序入口为进入入ID指令的下一个指令地指令的下一个指令地址；在址；在PD方式下，整个单方式下，整个单片机的时钟关断，不仅程片机的时钟关断，不仅程序停止

48、运行，序停止运行，CPU的外围的外围电路也无法运行，只能通电路也无法运行，只能通过复位方式唤醒，唤醒后过复位方式唤醒，唤醒后程序入口为复位地址程序入口为复位地址0000H。图图11-7 ID、PD方式的时钟控制方式的时钟控制 图图11-8为为80C51单片机单片机ID、PD的的程序管理示意图。在程序正常运行时，无程序管理示意图。在程序正常运行时，无论是要进入论是要进入ID方式还是方式还是PD方式，都是由方式，都是由指令操作实现，指令操作实现，ID方式可由中断退出，方式可由中断退出，PD方式必须由复位退出。由图方式必须由复位退出。由图11-8可见可见，单片机运行在，单片机运行在ID方式时，单片机

49、电流仅方式时，单片机电流仅为正常运行时的为正常运行时的1/4；单片机运行在；单片机运行在PD方方式时，则单片机电流更小，仅为式时，则单片机电流更小，仅为100uA。图图11-8 80C51单片机单片机ID、PD运行方式运行方式 ID、PD方式的控制位方式的控制位IDL、PD在特殊功能寄存器在特殊功能寄存器PCON中，其字节地址为中，其字节地址为87H，PCON寄存器有五个有效位，与功耗管理有关的是寄存器有五个有效位，与功耗管理有关的是IDL和和PD，其格式如下：，其格式如下：SMOD 串行口波特率控制位，串行口波特率控制位，SMOD1时，波特率加倍，与功耗时，波特率加倍，与功耗管理无关；管理无

50、关；GFl、GF0 通用标志位，与功耗管理无关；通用标志位，与功耗管理无关；IDL 休眠方式位，休眠方式位，IDLl时，进入休眠方式时，进入休眠方式(ID方式方式)；PD 掉电方式位，掉电方式位，PDl时，进入掉电方式时，进入掉电方式(PD方式方式)。1）80C51的的ID方式程序设计方式程序设计 低功耗管理的程序设计是在低功耗的硬件设计基础上进行的，图低功耗管理的程序设计是在低功耗的硬件设计基础上进行的，图11-9是是个采用个采用ID方式的热流量计硬件结构设计。方式的热流量计硬件结构设计。8583（1）用于）用于ID方式的方式的定时中断唤醒，定时中断唤醒，8583（2）用于流量脉冲的值守计数