80C51便携式产品中的低功耗设计

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80C51便携式产品中的低功耗设计


摘要：通过一个使用钮扣电池的PDA产品的设计实践，介绍80C51系列单片机的低功耗设计理论、原理和使用电池的便携式产品的低功耗设计方法及技巧。    关键词：单片机 80C51 PDA 功耗 液晶
前言
80C51单片机由于功能全面、开发工具较为完善、衍生产品丰富、大量的设计资源可以继承和共享，得到广泛的应用。我们设计的一款手持线PDA产品，也选择80C51单片机作为主、辅CPU，还具备点阵液晶显示屏、导电橡胶键盘、双IC卡接口、EEPROM存储器、实时时钟和串行通信口。由于使用80C51单片机开发，高级语言编程，大大降低了设计的技术风险，产品在较短的时间内就推向了市场。
但是，同一些低速的微控制器（如4位单片机）和高速的RISC处理器相比，80C51单片机在功耗上没有优势。为了在PDA类产品中发挥80C51单片机的上述特长，我们通过采取软、硬件配合的一系列措施，加强低电压、低功耗设计，取得了良好的效果。该机使用一颗3V钮扣式锂电池，开机时工作电池小于4mA，瞬间最大工作电流小于20mA,瞬间最大工作电流小于20mA，关机电流小于2μA。一颗电池可以使用较长的时间，达到满意的设计指标。
一、低电压低功耗设计理论
在一个器件中，功耗通常用电流消耗来表示。下式表明消耗的电池与器件特性之间的关系：
Icc=C∫Vda≈ΔV·C·f    （1）
式中：Icc是器件消耗的电流；Δ是电压变化的幅值；C是器件电容和输出容性负载的大小；f是器件运行频率。
从公式（1）可以得到降低系统功耗的理论依据。将器件供电电压从5V降低3V，可以至少降低40%的功耗。降低器件的工作频率，也能成比例地降低功耗。
80C51的器件电流包括两部分：核心电流和I/O电流，即：
Icc=ICORE+II/O    (2)
核心电流是内部晶体管开关和内部电容充放电所消耗的电流，占有器件电流的较大比例。
ICORE=Vcc·CEQ·f    (3)
式中：Vcc是器件工作电压；CEQ是内部结点和走线的电容，它是器件的固有属性，可由式（3）在一定的电流、电压和频率测试值下计算出来；f是核心工作频率。
I/O电流主要是地址/数据总线、RD、WR和ALE信号消耗的电流，在器件电流中占的比例较小，其数值有以下经验公式：
II/O=IREAD·（0.8）+IWRITE·（0.2）+ICONTROL    （4）
IREAD、IWRITE分别是读写状态的I/O电流；ICONTROL是控制信号RD、WR、ALE的电流。以写状态I/O电流为例：
IWRITE=（V·C·f）·(1/n)·(X+Y)    (5)
式中：V=Vcc；C是每个引脚的负载电容和电路板的线路电容，大约2pF/in(in为英寸)；f是CPU工作频率；n=24，每个总线周期所花费的机器周期数；X是寻址阶段变化的引脚数；Y是传输数据阶段变化引脚数。
二、PDA类产品中CPU的选择
近年来80C51衍生产品涌现出许多低电压、低功耗品种，各具特色。如：ATMEL公司AT89LV5X系列，程序存储器4KB～20KB；PHILIPS公司LPC系列，高速低耗，片内集成的多种低功耗功能，极有阶段，但程序存储器空间只有2KB或4KB；台湾华邦公司W78LE和W77LE系列，有8～64KB程序空间和普通/高速多种型号可以选择。选择合适的CPU还有与后介绍的各项低功耗设计技术的使用有关，与软件规划和正确编程有关。
在开发过程中，我们经过试用和比较，发现适合PDA类产品应用、性能价格比最高的选择是华邦公司的W78LE516。W78LE516是华邦公司2000年发由的新产品，它有以下特点适合PDA类产品：
·工作电压2.4～5.5V，适合便携式产品的供电方式；
·全静态设计，工作频率从0到最大40MHz，适合低功耗产品的特殊要求；
·64KB可多次编程的片内应用程序存储器，非常适合于较大的程序和高级语言编程；
·4KB片内引导程序存储器，用于实现应用程序的在线编程；
·比80C52多一倍的512字节片内RAM，其有256字节AUX RAM；
·PLCC和QFP封装比通常的80C51多4个I/O口，P4口具有多种功能；
·完善的低功耗模式，特别是中断能够唤醒掉电模式；
·可靠的加密编程，保护开发者的知识产权和劳动成果。
三、晶振频率是决定功耗的基本环节
在5V电压下运行于12MHz的80C51，工作电流达到十几mA，无论如何难以在电流供电环境中使用。从公式（3）和图1可以看出，工作电流与晶振频率成严格的线性关系，空闲、掉电模式的电流也有类似的线性关系。因此，尽可能地降低晶振频率能够有效地降低整机电流；但是，降低晶振频率往往会受到系统运行速度的制约，需要综合考虑各部分的工作速度和整机信息算是的速度，选择一个合适的最小晶振频率。例如，128X64点阵液晶采用并行总线访问时，整屏汉字显示刷新需要80C51单片机2MHz的时钟频率才不会感觉响应迟钝；如果采用串行方式，显示还会更慢；串行EEPROM是串行访问数据的，还有起始停止位、地址选择、应答位等开销，读写时间较长；复杂算法对系统运行速度也有较高要求。考虑到串行通信波特率精确计算，我们最终确定晶振频率为3.686MHz，最大通信波特率可达到19200bps。在这一时钟频率下，78LE516的运行电流大约为3mA。
四.电压与CPU功耗成正比
从式（3）还可以看到，降低80C51的供电电压能够成比例地降低功耗。由图1可知，选择3V供电电压要比5V供电电压的功耗下降一半。随着低电压CPU的选择，其它部分也要选择低电压的型号。我们选择的器件全部可以工作到2.7V，最终确定工作电压为3V，由稳压电路提供稳定的输出。此外，值得一提的是，3.3V也是一个较好的选择，因为3.3V是W78LE516在线编程（ISP）的电压下降，ISP是一个很有价值的功能，并且3.3V电压一睥器件也较容易得到。
五、让空闲模式和掉电模式占用更多的时间
80C51有三种工作模式：运行模式、空闲模式和掉电模式。正确编程以便使80C51在较多的时间内工作在后面两种模式下，是PDA类产品降低功耗的有效途径。对于W78LE516，2.4V供电电压和12MHz时钟频率下，三种模式的电流消耗如表1所列。

表1

模式	运行	空闲	掉电
电流（max）	3mA	1.5mA	20μA

低功耗的软件原则是让运行模式远比空闲、掉电模式少占用时间，尤如一个占空比很小的脉冲，消耗的能量较少。在开机状态下，靠中断唤醒CPU，在短暂的时间内工作在运行模式，处理相应的事件，然后进入空闲（或掉电）模式；在关机状态下，完全进入掉电模式。
PDA类产品的主要机时占用是显示和按键的交互操作。仅在较短的时间内有大量的计算，需全速运行，显示也是瞬间完成，大部分时间花在等待按键上。如果采用查询方式，CPU钭以运行模式等待按键，耗电较大；如果采用中断方式，则可以由中断唤醒CPU，让较长的等待按键时间，都处在空闲模式（或掉电模式）。
中断有两种实现方式：一种是键盘接到外部中断引脚，外部中断唤醒CPU；一种是采用定时器中断，定时唤醒CPU，完成键盘处理和其它工作后CPU又进入休眠状态。
令人耳目一新的是，通常的80C51从掉电模式唤醒到运行模式，只能靠硬件复位；而78LE516可以通过第二途径——中断INT0和INT1来唤醒，这对于PDA类产品权为有利。因为掉电模式的功耗，会比空闲模式小2～3个数量级，整机功耗将会进一步降低。类似的功能在PHILIPS公司的PLC系列低功耗单片机中也提供。
六、外围器件的合理使用
由于外围器件的使用不是很频繁，所以要选择带片选功能的外围器件， 不使用它们时进入低功耗模式。
减少外围器件的使用是PDA类产品降低功耗、减小体积的积极办法，但这要视系统可行性而定，并需要软件的配合。例如，使用78LE516内部64KB程序空间，对中等规模的系统已经足够，可以不使用外部程序存储器；使用好78LE516内部RAM，尤其是比80C52多出的内部256字节AUX RAM，可以节省外部RAM和寻址电路，这需要对软件很好地规划；78LE516的P4口可以义为指定外部地址的设备片选信号，可以节省外部地址译码电路。
不可小视CMOS器件未使用的输入口。一个悬空的输入端不但可能因为其高输入阻抗而感应电荷，损坏器件，而且可能造成不断唤醒CPU，不能进入掉电模式。假如输入口感应到较高频率的信号。增加的电流甚至高达20mA。这一结论从公式（1）的理论和开实践都可以验证。正确的处理办法是将未使用的输入接到Vcc或地。
七、关机后关断整机电源
对于钮扣电池供电的设备，关机态的电流消耗也是不可忽略的。10μm的关机电流累积一个月，就会消耗大于6%的电池容量。
关断整机电流的简单方法是用CMOS触发器控制一个晶体管做的电子开关，通常开关三极管的截止电流小于500mA。

    图2是我们设计的智能电源控制电路，靠一个耗电极少的单片机PIC12LC508A控制晶体管电子开关和DC-DC变换器，可以实现单键开关机、自动关机、禁止关机、定时开机等功能。
现在，越来越多的电池变换芯片具有SHUT DOWN引脚和电流与负载断开的功能。采用这一特性实现的电路，使用与图2类似的原理，关机电流也可以达到1μA以下。

李小路

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