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隨著微電子技術和計算機技術的發展，尤其是微機在各個領域的普遍應用，功耗、成本、體積以及可靠性等指標均成為設計者所關注的重要問題。尤其是在由電池供電的設備中，如何降低設備功耗成為設計的首要任務。本文中以ATMEL公司的Atmega48單片機為例，介紹了單片機低功耗設計的一般方法。 1 Atmega48單片機 低功耗系統設計首要是選擇合適的單片機。Atmega48單片機是一款8位微控制器，具有高性能、低功耗的顯著特點。由于采用RISC精簡指令集結構，其指令集大多為單周期指令，具有高速運行的特點。3V供電時，未使能內部看門狗的情況下，Atmega48的典型掉電電流小于1uA。具體工作電流見圖1。而且該單片機在1.8V~5.5V的電壓范圍內均能正常工作，片內自帶4K字節的flash、256字節的E2PROM,以及512字節SRAM；并內置6~8路10位AD轉換器、看門狗、3個16位的定時/計數器、具有獨立振蕩器的實時計數器RTC 和6路PWM輸出。另外還具有五種休眠模式，引腳變化及中斷可喚醒MCU。 圖1 工作電流與系統頻率的關系??圖2工作電流與供電電壓的關系(128k) 2 低功耗設計方法 以單片機為核心構成的系統，其系統的總能耗是由單片機能耗及其外圍電路能耗共同構成。為了降低整個系統的功耗，除了要降低單片機自身的運行功耗外，還要降低外圍電路的功耗。對外圍電路而言，首先選擇低電壓低功耗器件，如用LMV324代替傳統的LM324，SP3223EEY代替MAX232等。其次，CMOS器件輸入引腳不能懸空。如果輸入引腳懸空，在輸入引腳上很容易積累電荷，產生較大的感應電動勢，使引腳電位處于0至1間的過渡區域。另外，單片機外圍電路應盡量避免采用阻性元件。 Atmega48單片機的功耗主要與系統頻率，工作模式，電源電壓及外圍模塊有關。由圖1和圖2可知，Atmega48單片機的工作電流與其工作頻率、工作電壓成正比。 2.1 降低系統時鐘頻率 功耗與工作頻率有關。工作頻率增加時，功耗也線性的增加。系統工作頻率的降低，電路的延時增加導致系統性能下降，因此在利用頻率降低系統功耗的時候，要在能耗和速度之間進行權衡。 Atmega48的時鐘源可以選擇片內的RC振蕩器，也可以是來自外部時鐘。片內RC振蕩器提供了可校準的8M時鐘和128k低功率振蕩器。外部時鐘可以選用低功率晶體，滿振幅晶體和低頻晶振。通過編程Flash 熔絲位，可以選擇所需的時鐘源。 ATmega48可以通過設置時鐘預分頻寄存器CLKPR來得到分頻的系統時鐘。當需要的系統處理能力比較低時可以利用這個特性來降低功耗。預分頻對所有時鐘源都適用，并且影響CPU 及所有同步外設的時鐘頻率。 單片機的時鐘系統主要包括：CPU時鐘，Flash時鐘，I/O時鐘，異步定時器時鐘和ADC時鐘。在大多數情況下，這些時鐘并不需要同時工作。時鐘功耗抑制寄存器PRR 提供終止單獨外設時鐘的方法以降低功耗。通過設置功耗抑制寄存器PRR，將不使用的外圍模塊關掉，以降低芯片功耗。例如，如果不使用ADC模塊，可以向功耗抑制寄存器PRR中的PRADC位寫“1”，關閉芯片的ADC模塊。同時，為了降低功耗，可以通過使用不同的休眠模式來禁止無需工作的模塊。 2.2 單片機的休眠模式 休眠模式可以使應用程序關閉MCU 中沒有使用的模塊，從而降低功耗。AVR 具有不同的休眠模式，允許用戶根據自己的應用要求實施剪裁。Atmega48單片機具有五種休眠模式：空閑模式、ADC 噪聲抑制模式、掉電模式、省電模式和等待模式。使用內部128 kHz RC 振蕩器，其工作電流見表2。在此以空閑模式為例說明如何根據需要選擇最低功耗的運行模式。因為這種休眠模式只停止clkCPU 和clkFLASH，而其他時鐘繼續工作。所以當用SLEEP指令使MCU進入空閑模式時，CPU停止運行，而 USART、模擬比較器、ADC、兩線串行接口、定時器/ 計數器、看門狗和中斷系統則繼續工作。如果我們只需要其中一種或幾種模塊運行，還可以啟用功耗抑制寄存器關閉其他模塊來降低功耗。具體程序如下： ldi r16,$e7 sts prr,r16 ;關閉未用外設 ldi r16,$01 out smcr,r16;進入掉電模式 wait: sleep nop rjmp wait 值得注意的是在休眠模式，要使端口引腳配置為最小的功耗模式，必須避免引腳懸空和防止模擬輸入電平接近VCC/2時以消耗太多的電流。當引腳未被使用，將引腳配置為輸入，并使能內部上拉，給引腳一個確定的電平。 2.3 電源電壓的選擇 CMOS 邏輯電路中的電流與電源電壓成正比，功耗與電源電壓的平方成正比，因此降低器件的供電電壓可以減小功耗。芯片所要求的電源電壓為1.8-5.5V。由于供電電壓與芯片能工作的最大頻率有關聯，因此應在頻率滿足處理速度的要求下，盡可能采用低的電源電壓。 表1 各種工作模式的典型供電電流值 3 典型設計 圖3是以ATmega48為核心的定時控制系統框圖。該系統是油井工具投放機的控制部分。設備勻速從地面向下投放，延時時間控制設備投放的深度。延時時間一到，電機馬上啟動，使設備投放機停止運行。延時時間由多圈線位器設定。設定值經內部AD轉換后，在液晶上顯示。液晶采用北京青云公司的LCM061A模塊。該液晶能在2.7V-5.2V內工作，且工作電流小。為了加強驅動能力，PB1、PB2并聯使用，并通過TIP122直接驅動直流電機。考慮到系統時鐘越低，功耗越低，并結合本系統的實際功能要求，時鐘源采用內部128k低頻時鐘。在2節500mA可充電電池供電的情況下，系統能可靠的運行14天。 圖3定時控制系統框圖 圖4 主程序流程圖 主程序流程圖如圖4所示。在主程序中，在程序初始化時，關閉未用到的外設模塊，避免消耗過多的電流。IO口初始化時，PD口為輸入口，使能內部上拉。所有懸空的IO口都使能內部上拉，使之有確定的電平。當檢測到有按鍵按下時，單片機禁用對應IO口的內部上拉，避免內部上拉電阻消耗不必要的電流。(ATmega48的引腳上拉電阻為30K~60K之間。) 在單片機完成初始化后，單片機進入空閑模式，CPU停止運行，定時器/ 計數器和中斷系統繼續工作。此時，實測消耗電流為0.14mA。當定時時間一到，CPU即被喚醒，執行響應的程序后繼續進入空閑模式。 4 結語 本文介紹了ATmega48單片機低功耗特性，并通過具體實例，說明了在硬件電路設計和編制程序時，應注意的問題和低功耗設計方法，具有一定的參考價值。 |
