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PIC單片機在電話遠程控制器中的低功耗設計
摘要：結合電話遠程控制器的低功耗設計，探討PIC單片機低功耗的設計方法，并給出設計電路原理圖。關鍵詞：PIC單片機低功耗設計電話遠程控制器待機
引言
20世紀90年代以來，隨著集成電路特征線寬的持續(xù)縮小以及芯片密度和工作頻率的相應增加，降低功耗已經(jīng)成為亞微米和深亞微米超大規(guī)模集成電路設計中的一個主要考慮因素。功耗的增加會帶來一系列問題，例如電路參數(shù)漂移、可靠性下降、芯片封裝成本增加等。因此，系統(tǒng)的功耗在整個系統(tǒng)設計中，尤其是在采用電池供電的系統(tǒng)中顯得十分重要。
Microchip公司PIC系列的單片機為設計高性能、低功耗的單片機系統(tǒng)提供了很好的解決方案。下面從低功耗設計方法及具體例子來介紹PIC單片機低功耗應用。
1低功耗設計方法
為使系統(tǒng)工作在低功耗狀態(tài)，必須正確設置單片機的配置及工作方式。下面結合最常用的PIC12、PIC16等單片機介紹低功耗系統(tǒng)的設計方法。
1.1基本設計方法
有許多技術可以降低系統(tǒng)的功耗，最常用的是Sleep模式。程序執(zhí)行一條SLEEP指令，便進入了休眠（Sleep）模式。要Sleep模式下，晶振停止振蕩，而此時單片機在3V電源條件下，只有1μA的電流。系統(tǒng)工作時，單片機可以采用看門狗或外部事件周期性地喚醒單片機，利用電子開關為系統(tǒng)提供電源，以減少系統(tǒng)待機功耗，延長電池使用時間。
單片機的工作頻率和功耗的關系也很大，頻率越高，功耗越大。在采用32kHz晶振、3V工作電壓時，PIC12、PIC16等系列單片機的典型工作電流只有15μA；而采用4MHz晶振、5V工作電壓時，單片機的典型工作電流達到幾mA。在許多低功耗的場合，采用低速晶振實現(xiàn)低功耗非常有效。如果單片機采用RC振蕩，還可以通過I/O口的操作改變振蕩電阻，從而改變單片機工作頻率，達到節(jié)能的目的。如圖1所示，1個I/O引腳可以在等待狀態(tài)下將并聯(lián)電阻R1去掉，降低單片機工作頻率。當單片機需要工作時，可將I/O引腳設置為輸出并輸出高電平，從而提高振蕩頻率。
1.2振蕩電路設計
在單片機系統(tǒng)設計中，振蕩電路的設計是十分重要的一個環(huán)節(jié)。PIC系列單片機的典型振蕩電路如圖2所示。
一般情況下，設計人員按照廠家給出的參數(shù)表進行選擇。如果系統(tǒng)能夠正常工作，也就不再進行改進了。其實，這是不合適的。因為Microchip的單片機根據(jù)型號和版本的不同，工作電壓在直流2.5～5.5V的范圍內，汽車級溫度可以在-40～-125℃范圍內，而參數(shù)表中只給出了有限的幾種情況，實際環(huán)境參數(shù)會對振蕩電路的性能產(chǎn)生很大的影響。如高溫、低電壓可減小振蕩環(huán)路增益，而從降低振蕩頻率或者難以啟動；低溫、高電壓可以使環(huán)路增益變大，從而使晶振過驅動，產(chǎn)生損壞的潛在危險或者振蕩電路工作的高次諧波頻率上升，加大系統(tǒng)功耗。因此，如何正確設計系統(tǒng)的振蕩電路十分必要。對于PIC系列單片機，一般的設計步驟如下：
�、龠x擇晶振。根據(jù)系統(tǒng)需要的振蕩頻率進行晶振的選擇。此外，晶振的工作溫度和頻率穩(wěn)定度也是十分重要的指標。
�、谶x擇振蕩器類型。PIC系列單片機有RC、LP、XT、HS等振蕩模式。除RC模式外，振蕩模式的選擇實際上就是環(huán)路增益的選擇。低增益對應低振蕩頻率，高增益對應高振蕩頻率。一般根據(jù)實際需要的工作頻率可參考數(shù)據(jù)手冊來選擇。
圖4接口電路
③選擇C1、C2。理想的情況是，保證系統(tǒng)在高溫和最低工作電壓下能夠正常工作，使得電容在數(shù)據(jù)手冊推薦的范圍內最小。同時選擇C2比C1大一些以加大相移，使其有利于振蕩電路的上電啟動。
�、苓x擇Rs。在以上參數(shù)都已經(jīng)選定后需要決定Rs的大小。簡單的辦法是讓系統(tǒng)工作在最低溫度和最大電壓情況下，此時得到的應該是時鐘電路最大輸出幅度。用示波器觀察引腳OSC2的輸出波形（注意，示波器的探頭將給電路引入一個電容，一般為幾pF），如果發(fā)現(xiàn)正弦波的峰（接收Vdd處）和谷（接收Vss處）被削平或壓扁，說明驅動過載，需要在OSC2和C2間加入1個電阻Rs，一般1kΩ左右或小于1kΩ。Rs不宜過大，過大將使得輸入和輸出產(chǎn)生隔離，從而產(chǎn)生較大的噪聲。當發(fā)現(xiàn)需要一個較大的Rs才能消除過驅動時，可以增加負載電容C2來補償。C2一般選擇在15～33pF之間。
系統(tǒng)振蕩電路的設計對系統(tǒng)
的穩(wěn)定性、功耗等影響很大。一般情況下，系統(tǒng)從Sleep狀態(tài)下喚醒時，振蕩電路最難啟動（尤其系統(tǒng)工作在高溫、低壓、低頻的情況下）。此時，電阻Rs有利于振蕩電路的啟動，因為廉價的碳膜電阻容易產(chǎn)生白噪聲，從而幫助電路起振。此外，選擇C2稍大于C1以增大相移，也有利于電路起振。
2具體應用例子
2.1系統(tǒng)組成及框圖
系統(tǒng)主要由PIC單片機、雙音頻解碼拔號電路、語音集成電路、接口電路、Vcc電源控制電路、射頻發(fā)射電路和EEPROM組成，可完成對家用電器的控制和對報警求援語音信息的自動傳送，如圖3所示。
2.2控制器工作方式
*當與控制器相串聞的電話機（以下稱為本地機）處于摘機時，電話線輸入電壓發(fā)生變化，引起CD40106的2腳輸出電平變化，輸入到CPU的RB0端口產(chǎn)生中斷信號，喚醒CPU，控制器進入工作狀態(tài)。通過本地機的拔號盤對控制器的各種功能進行控制。如控制電視、音響、照明燈等電器電源的開關。
*當控制器接收到振鈴信號時，CD40106的4腳輸出電平變化，輸入CPU的RB6端口產(chǎn)生中斷信號，喚醒CPU進入工作狀態(tài)，并對振鈴信號進行計數(shù)；達到設定鈴聲數(shù)后，使控制器進入電話接收狀態(tài)，開始接收遠程傳輸DTMF信號，經(jīng)MT8880解調得到的信號通過IRQ向單片機發(fā)出中斷信號，將數(shù)據(jù)存入寄存器，經(jīng)CPU運行，對控制器的各種功能進行控制。
*當控制器作為報警器，并處于警備狀態(tài)時，報警探頭時刻檢測防范區(qū)域的情況；當探頭向控制器發(fā)出警情信息，輸入CPU的RB5中斷產(chǎn)生信號，控制器進入工作狀態(tài)，從EEPROM芯片讀出預先設置的報警電話號碼，經(jīng)MT8880轉換為DTMF信號，自動撥號，以語音形式將信息傳送給用戶或直接報警。
2.3應用電路
（1）電話接口電路
電話機與控制器采用控制器在前，電話機在后的串聯(lián)方式，可實現(xiàn)電話機對控制器各種功能的控制。接口電路由過壓保護電路、極性轉換電路和中斷請求電路組成，如圖4所示。
�、龠^壓保護電路。在電話線回路上加入了一個壓敏電阻R，它的作用是當它兩端的電壓大于其工作電壓時呈短路狀態(tài)，從而保護后級電路免受高壓危害。當加到它的兩端的電壓小于其工作電壓，壓敏電阻呈開路狀態(tài)，對后級電路的工作沒有任何影響。在本設計中，壓敏電阻的工作電壓為220V。
�、跇O性轉換電路。由于在電話線上傳輸?shù)氖墙涣餍盘�，為了使信號的極性固定，在電路中加入電橋，進行全波整流。
③中斷請求電路。為延長電池工作時間，CPU在待機時處于休眠的省電狀態(tài)，在實現(xiàn)遠程電話機和本地機對控制器功能控制時，由中斷請求電路將CPU喚醒。
�。�2）語音電路
語音電路如圖5所示。它以ISD4000語音芯片為核心，主要是存儲報警語音，輸出經(jīng)功率放大后傳送到電話線上。
�。�3）MT8880與PIC單片機的接口電路
MT8880是Mitel公司的DTMF收發(fā)器，具有功能強、功耗低、工作穩(wěn)定、可靠等性高優(yōu)點，因此在DTMF信號調制的場合得到了廣泛的應用。MT8880與PIC單片機的接口電路如圖6所示。
�、費T8880與單片機的接口電路。D0～D3為4根數(shù)據(jù)線，MT8880對經(jīng)過前置處理的DTMF信號進行解調，將解調得的信號存入片內寄存器中，并通過IRQ向單片機發(fā)出中斷信號。單片機相應中斷請求后，在R、W、RS0、RD的控制下，通過D0～D3讀出解調出的數(shù)據(jù)。
②DTMF信號放大電路。當微處理器將要發(fā)送的DTMF數(shù)據(jù)寫入MT8880相應的寄存器時，MT8880從TONE引腳發(fā)出DTMF信號，信號經(jīng)過放大電路放大后，送往變壓器進行電壓變化。
3程序設計
程序在運行時：①為電器控制器，若是遠程電話機對控制器進行操作，是根據(jù)電話的振鈴聲數(shù)來判斷；若本地電話機對控制器進行操作，是根據(jù)本地電話機的摘機情況來判斷。②為報警器，報警探頭隨時檢測到警情并發(fā)出信號給控制器，而控制器則是根據(jù)用戶的設置情況，是處于警備與否來判斷是否拔出報警電話。圖7是程序流程圖。
下面主要介紹初始化程序、MT8880設置子程序和DTMF信號發(fā)送以及接收子程序。
；初始化寄存器
F0EQU0H
RTCCEQU01H
PCEQU02H
STATUSEQU03H
FSREQU04H
RAEQU05H
RBEQU06H
RCEQU07H
RDEQU08H
REEQU09H
TRISAEQU85H
TRISBEQU86H
TRISCEQU87H
TRISDEQU88H
TRISEEQU89H
DAIFSEQU0X50；待發(fā)送的數(shù)據(jù)放在50開始的區(qū)域
RECEEQU0X21
SENDEQU0X22
DAIJSEQU0X40；數(shù)據(jù)暫存在從40H開始的區(qū)域
�。籑T8880設置子程序
�。恢肕T8880為DTMF接收狀態(tài)
R8880：MOVLW0X0D
MOVWFREVE；寫控制寄存器A（接收模式）
MOVLW0X00
MOVWFREVE；寫控制寄存器B（突發(fā)模式）
REIURN
��；置MT8880為DTMF接收狀態(tài)
T8880：MOVLW0X0F
MOVWFSEND；寫控制寄存器A（發(fā)送模式）
MOVLW0X00
MOVWFSEND；寫控制寄存器B（突發(fā)模式）
RETURN
；DTMF發(fā)送子程序
TELEPHON：CALLT8880；設置為發(fā)送模式
LOOP：MOVFDAIFS，0；拔號
MOVLWSEND
INCFDAIFS，1；檢查是否發(fā)送結束
LL1：BTFSSSEND，1
GOTOLL1；已經(jīng)發(fā)送完畢
CALLDELAY200；延時200ms
DECFDATALENGTH
GOTOLOOP；發(fā)送完畢
RETURN
��；DTMF接收子程序
RECEIVE：CALLR8880；設置為接收模式
RWT：MOVFDJIJS，0
MOVLWREVE
BTFSSREVE，2
GOTORWT；查詢是否收到數(shù)據(jù)
MOVLWREVE
ANDLW0XOF
MOVFREVE
INCFDAIJS，1
DECEDATALENGTH
RETURN
結語
利用PIC單片機低功耗方式設計電話遠程控制器，待機時由電池供電，工作時由電話網(wǎng)供電，系統(tǒng)用4節(jié)5號電
池可供控制器工作一年，產(chǎn)品可實現(xiàn)對家用電器控制，又具有報警及緊急求助功能，可進行遠程控制和本地機的控制，且不影響電話正常使用。在電話遠程控制器的原理基礎上，設計的有線防盜報警產(chǎn)品更具市場前景，成本更低，已批量投入市場，市場反映良好。
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