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80C51便攜式產品中的低功耗設計
Steve,atwelve-year-oldboywithalcoholicparents,wasabouttobelostforever,bytheU.S.educationsystem.Remarkably,hecouldread,yet,inspiteofhisreadingskills,Stevewasfailing.Hehadbeenfailingsincefirstgrade,ashewaspassedonfromgradetograde.Stevewasabigboy,lookingmoreli摘要：通過一個使用鈕扣電池的PDA產品的設計實踐，介紹80C51系列單片機的低功耗設計理論、原理和使用電池的便攜式產品的低功耗設計方法及技巧。關鍵詞：單片機80C51PDA功耗液晶
前言
80C51單片機由于功能全面、開發(fā)工具較為完善、衍生產品豐富、大量的設計資源可以繼承和共享，得到廣泛的應用。我們設計的一款手持線PDA產品，也選擇80C51單片機作為主、輔CPU，還具備點陣液晶顯示屏、導電橡膠鍵盤、雙IC卡接口、EEPROM存儲器、實時時鐘和串行通信口。由于使用80C51單片機開發(fā)，高級語言編程，大大降低了設計的技術風險，產品在較短的時間內就推向了市場。
但是，同一些低速的微控制器（如4位單片機）和高速的RISC處理器相比，80C51單片機在功耗上沒有優(yōu)勢。為了在PDA類產品中發(fā)揮80C51單片機的上述特長，我們通過采取軟、硬件配合的一系列措施，加強低電壓、低功耗設計，取得了良好的效果。該機使用一顆3V鈕扣式鋰電池，開機時工作電池小于4mA，瞬間最大工作電流小于20mA,瞬間最大工作電流小于20mA，關機電流小于2μA。一顆電池可以使用較長的時間，達到滿意的設計指標。
一、低電壓低功耗設計理論
在一個器件中，功耗通常用電流消耗來表示。下式表明消耗的電池與器件特性之間的關系：
Icc=C∫Vda≈ΔV·C·f（1）
式中：Icc是器件消耗的電流；Δ是電壓變化的幅值；C是器件電容和輸出容性負載的大��；f是器件運行頻率。
從公式（1）可以得到降低系統(tǒng)功耗的理論依據(jù)。將器件供電電壓從5V降低3V，可以至少降低40%的功耗。降低器件的工作頻率，也能成比例地降低功耗。
80C51的器件電流包括兩部分：核心電流和I/O電流，即：
Icc=ICORE+II/O(2)
核心電流是內部晶體管開關和內部電容充放電所消耗的電流，占有器件電流的較大比例。
ICORE=Vcc·CEQ·f(3)
式中：Vcc是器件工作電壓；CEQ是內部結點和走線的電容，它是器件的固有屬性，可由式（3）在一定的電流、電壓和頻率測試值下計算出來；f是核心工作頻率。
I/O電流主要是地址/數(shù)據(jù)總線、RD、WR和ALE信號消耗的電流，在器件電流中占的比例較小，其數(shù)值有以下經驗公式：
II/O=IREAD·（0.8）+IWRITE·（0.2）+ICONTROL（4）
IREAD、IWRITE分別是讀寫狀態(tài)的I/O電流；ICONTROL是控制信號RD、WR、ALE的電流。以寫狀態(tài)I/O電流為例：
IWRITE=（V·C·f）·(1/n)·(X+Y)(5)
式中：V=Vcc；C是每個引腳的負載電容和電路板的線路電容，大約2pF/in(in為英寸)；f是CPU工作頻率；n=24，每個總線周期所花費的機器周期數(shù)；X是尋址階段變化的引腳數(shù)；Y是傳輸數(shù)據(jù)階段變化引腳數(shù)。
二、PDA類產品中CPU的選擇
近年來80C51衍生產品涌現(xiàn)出許多低電壓、低功耗品種，各具特色。如：ATMEL公司AT89LV5X系列，程序存儲器4KB～20KB；PHILIPS公司LPC系列，高速低耗，片內集成的多種低功耗功能，極有階段，但程序存儲器空間只有2KB或4KB；臺灣華邦公司W78LE和W77LE系列，有8～64KB程序空間和普通/高速多種型號可以選擇。選擇合適的CPU還有與后介紹的各項低功耗設計技術的使用有關，與軟件規(guī)劃和正確編程有關。
在開發(fā)過程中，我們經過試用和比較，發(fā)現(xiàn)適合PDA類產品應用、性能價格比最高的選擇是華邦公司的W78LE516。W78LE516是華邦公司2000年發(fā)由的新產品，它有以下特點適合PDA類產品：
·工作電壓2.4～5.5V，適合便攜式產品的供電方式；
·全靜態(tài)設計，工作頻率從0到最大40MHz，適合低功耗產品的特殊要求；
·64KB可多次編程的片內應用程序存儲器，非常適合于較大的程序和高級語言編程；
·4KB片內引導程序存儲器，用于實現(xiàn)應用程序的在線編程；
·比80C52多一倍的512字節(jié)片內RAM，其有256字節(jié)AUXRAM；
·PLCC和QFP封裝比通常的80C51多4個I/O口，P4口具有多種功能；
·完善的低功耗模式，特別是中斷能夠喚醒掉電模式；
·可靠的加密編程，保護開發(fā)者的知識產權和勞動成果。
三、晶振頻率是決定功耗的基本環(huán)節(jié)
在5V電壓下運行于12MHz的80C51，工作電流達到十幾mA，無論如何難以在電流供電環(huán)境中使用。從公式（3）和圖1可以看出，工作電流與晶振頻率成嚴格的線性關系，空閑、掉電模式的電流也有類似的線性關系。因此，盡可能地降低晶振頻率能夠有效地降低整機電流；但是，降低晶振頻率往往會受到系統(tǒng)運行速度的制約，需要綜合考慮各部分的工作速度和整機信息算是的速度，選擇一個合適的最小晶振頻率。例如，128X64點陣液晶采用并行總線訪問時，整屏漢字顯示刷新需要80C51單片機2MHz的時鐘頻率才不會感覺響應遲鈍；如果采用串行方式，顯示還會更慢；串行EEPROM是串行訪問數(shù)據(jù)的，還有起始停止位、地址選擇、應答位等開銷，讀寫時間較長；復雜算法對系統(tǒng)運行速度也有較高要求�？紤]到串行通信波特率精確計算，我們最終確定晶振頻率為3.686MHz，最大通信波特率可達到19200bps。在這一時鐘頻率下，78LE516的運行電流大約為3mA。
四.電壓與CPU功耗成正比
從式（3）還可以看到，降低80C51的供電電壓能夠成比例地降低功耗。由圖1可知，選擇3V供電電壓要比5V供電電壓的功耗下降一半。隨著低電壓CPU的選擇，其它部分也要選擇低電壓的型號。我們選擇的器件全部可以工作到2.7V，最終確定工作電壓為3V，由穩(wěn)壓電路提供穩(wěn)定的輸出。此外，值得一提的是，3.3V也是一個較好的選擇，因為3.3V是W78LE516在線編程（ISP）的電壓下降，ISP是一個很有價值的功能，并且3.3V電壓一睥器件也較容易得到。
五、讓空閑模式和掉電模式占用更多的時間
80C51有三種工作模式：運行模式、空閑模式和掉電模式。正確編程以便使80C51在較多的時間內工作在后面兩種模式下，是PDA類產品降低功耗的有效途徑。對于W78LE516，2.4V供電電壓和12MHz時鐘頻率下，三種模式的電流消耗如表1所列。
表1
模式運行空閑掉電電流（max）3mA1.5mA20μA
低功耗的軟件原則是讓運行模式遠比空閑、掉電模式少占用時間，尤如一個占空比很小的脈沖，消耗的能量較少。在開機狀態(tài)下，靠中斷喚醒CPU，在短暫的時間內工作在運行模式，處理相應的事件，然后進入空閑（或掉電）模式；在關機狀態(tài)下，完全進入掉電模式。
PDA類產品的主要機時占用是顯示和按鍵的交互操作。僅在較短的時間內有大量的計算，需全速運行，顯示也是瞬間完成，大部分時間花在等待按鍵上。如果采用查詢方式，CPU鈄以運行模式等待按鍵，耗電較大；如果采用中斷方式，則可以由中斷喚醒CPU，讓較長的等待按鍵時間，都處在空閑模式（或掉電模式）。
中斷有兩種實現(xiàn)方式：一種是鍵盤接到外部中斷引腳，外部中斷喚醒CPU；一種是采用定時器中斷，定時喚醒CPU，完成鍵盤處理和其它工作后CPU又進入休眠狀態(tài)。
令人耳目一新的是，通常的80C51從掉電模式喚醒到運行模式，只能靠硬件復位；而78LE516可以通過第二途徑——中斷INT0和INT1來喚醒，這對于PDA類產品權為有利。因為掉電模式的功耗，會比空閑模式小2～3個數(shù)量級，整機功耗將會進一步降低。類似的功能在PHILIPS公司的PLC系列低功耗單片機中也提供。
六、外圍器件的合理使用
由于外圍器件的使用不是很頻繁，所以要選擇帶片選功能的外圍器件，不使用它們時進入低功耗模式。
減少外圍器件的使用是PDA類產品降低功耗、減小體積的積極辦法，但這要視系統(tǒng)可行性而定，并需要軟件的配合。例如，使用78LE516內部64KB程序空間，對中等規(guī)模的系統(tǒng)已經足夠，可以不使用外部程序存儲器；使用好78LE516內部RAM，尤其是比80C52多出的內部256字節(jié)AUXRAM，可以節(jié)省外部RAM和尋址電路，這需要對軟件很好地規(guī)劃；78LE516的P4口可以義為指定外部地址的設備片選信號，可以節(jié)省外部地址譯碼電路。
不可小視CMOS器件未使用的輸入口。一個懸空的輸入端不但可能因為其高輸入阻抗而感應電荷，損壞器件，而且可能造成不斷喚醒CPU，不能進入掉電模式。假如輸入口感應到較高頻率的信號。增加的電流甚至高達20mA。這一結論從公式（1）的理論和開實踐都可以驗證。正確的處理辦法是將未使用的輸入接到Vcc或地。
七、關機后關斷整機電源
對于鈕扣電池供電的設備，關機態(tài)的電流消耗也是不可忽略的。10μm的關機電流累積一個月，就會消耗大于6%的電池容量。
關斷整機電流的簡單方法是用CMOS觸發(fā)器控制一個晶體管做的電子開關，通常開關三極管的截止電流小于500mA。
圖2是我們設計的智能電源控制電路，靠一個耗電極少的單片機PIC12LC508A控制晶體管電子開關和DC-DC變換器，可以實現(xiàn)單鍵開關機、自動關機、禁止關機、定時開機等功能。
現(xiàn)在，越來越多的電池變換芯片具有SHUTDOWN引腳和電流與負載斷開的功能。采用這一特性實現(xiàn)的電路，使用與圖2類似的原理，關機電流也可以達到1μA以下。
keateenagerthanatwelveyearold,yet,Stevewentunnoticed...untilMissWhite.MissWhitewasasmiling,young,beautifulredhead,andStevewasinlove!Forthefirsttimeinhisyounglife,hecouldn’ttakehiseyesoffhisteacher;yet,stillhefailed.Heneverdidhishomework,andhewasalwaysintroublewithMissWhite.Hisheartwouldbreakunderhersharpwords,andwhenhewaspunishedforfailingtoturninhishomework,hefeltjustmiserable!Still,hedidnotstudy.Inthemiddleofthefirstsemesterofschool,theentireseventhgradewastestedforbasicskills.Stevehurriedthroughhistests,andcontinuedtodreamofotherthings,asthedayworeon.Hisheartwasnotinschool,butinthewoods,whereheoftenescapedalone,tryingtoshutoutthesights,soundsandsmellsofhisalcoholichome.Noonecheckedonhimtoseeifhewassafe.Nooneknewhewasgone,becausenoonewassoberenoughtocare.Oddly,Stevenevermissedadayofschool.Oneday,MissWhite’simpatientvoicebrokeintohisdaydreams.“Steve!!”Startled,heturnedtolookather.“Payattention!”StevelockedhisgazeonMissWhitewithadolescentadoration,asshebegantogooverthetestresultsfortheseventhgrade.“Youalldidprettywell,”shetoldtheclass,“exceptforoneboy,anditbreaksmyhearttotellyouthis,but...”Shehesitated,pinningStevetohisseatwithasharpstare,hereyessearchinghisface.“...Thesmartestboyintheseventhgradeisfailingmyclass!”ShejuststaredatSteve,astheclassspunaroundforagoodlook.Stevedroppedhiseyesandcarefullyexaminedhisfingertips.Afterthat,itwaswar!!Stevestillwouldn’tdohishomework.Evenasthepunishmentsbecamemoresevere,heremainedstubborn.“Justtryit!ONEWEEK!”Hewasunmoved.“You’resmartenough!You’llseeachange!”Nothingfazedhim.“Giveyourselfachance!Don’tgiveuponyourlife!”Nothing.“Steve!Please!Icareaboutyou!”Wow!Suddenly,Stevegotit!!Someonecaredabouthim?Someone,totallyunattainableandperfect,CAREDABOUTHIM??!!Stevewenthomefromschool,thoughtful,thatafternoon.Walkingintothehouse,hetookonelookaround.Bothparentswerepassedout,invariousstagesofundress,andthestenchwasoverpowering!He,quickly,gathereduphiscampinggear,ajarofpeanutbutter,aloafofbread,abottleofwater,andthistime...hisschoolbooks.Grimfacedanddetermined,heheadedforthewoods.ThefollowingMondayhearrivedatschoolontime,andhewaitedforMissWhitetoentertheclassroom.Shewalkedin,allsparkleandsmiles!God,shewasbeautiful!Heyearnedforhersmiletoturnonhim.Itdidnot.MissWhite,immediately,gaveaquizontheweekendhomework.Stevehurriedthroughthetest,andwasthefirsttohandinhispaper.Withalookofsurprise,MissWhitetookhispaper.Obviouslypuzzled,shebegantolookitover.Stevewalkedbacktohisdesk,hisheartpoundingwithinhischest.Ashesatdown,hecouldn’tresistanotherlookatthelovelywoman.MissWhite’sfacewasintotalshock!SheglancedupatSteve,thendown,thenup.Suddenly,herfacebrokeintoaradiantsmile.Thesmartestboyintheseventhgradehadjustpassedhisfirsttest!FromthatmomentnothingwasthesameforSteve.Lifeathomeremainedthesame,butlifestillchanged.Hediscoveredthatnotonlycouldhelearn,buthewasgoodatit!Hediscoveredthathecouldunderstandandretainknowledge,andthathecouldtranslatethethingshelearnedintohisownlife.Stevebegantoexcel!Andhecontinuedthiscoursethroughouthisschoollife.Afterhigh-schoolSteveenlistedintheNavy,andhehadasuccessfulmilitarycareer.Duringthattime,hemettheloveofhislife,heraisedafamily,andhegraduatedfromcollegeMagnaCumLaude.DuringhisNavalcareer,heinspiredmanyyoungpeople,whowithouthim,mightnothavebelievedinthemselves.StevebeganasecondcareeraftertheNavy,andhecontinuestoinspireothers,asanadjunctprofessorinanearbycollegeMissWhiteleftagreatlegacy.Shesavedoneboywhohaschangedmanylives.Iknow,becauseIamtheloveofhislife.Yousee,it’ssimple,really.Achangetookplacewithintheheartofoneboy,allbecauseofoneteacher,whocared.史蒂夫已經12歲了，他的父母都是酒鬼，他就要徹底脫離自己的學校生活了。然而很明顯，他能夠閱讀，但他總不及格。從一年級開始，一年一年過去了，他依然不及格。史蒂夫長得很健壯，看上去比12歲的孩子要大。但他一直都被人忽略，直到有一天懷特小姐的到來。懷特小姐總是笑容可掬，年輕，而且有一頭迷人的紅頭發(fā)。她是史蒂夫喜歡的類型。這是他平生第一次，無法把眼睛從老師身上移開，然而，他還是不及格。他沒有做作業(yè)，他總是找懷特小姐的碴。每次她說出尖刻的話時，他都感到自己的心已經碎了。每次完不成作業(yè)被罰的時候，他都感到非常痛苦。但他依然不學習。在第一學期的期中，整個七年級要進行基礎技能測驗。史蒂夫匆匆完成了自己的測驗，并繼續(xù)一天天地幻想其他的事情。他的心并不在學校，而在他經常獨自躲藏的樹林，在那里，他試圖擺脫酒鬼之家的聲響和氣味。沒有人關心他到底安不安全。也沒有人知道他已經走了，因為所有的人都興奮地沒有精力顧及其他。不過奇怪地是，史蒂夫從沒有曠過一次課。一天，懷特小姐急躁的聲音打破了他的白日夢。“史蒂夫！”他感到很吃驚，轉過頭去看著她�！白⒁饬σ校 彼计吣昙墱y驗結果的時候，史蒂夫用那種青春期特有的崇敬盯著懷特小姐。她對全班說：“你們都考得很好。除了一個男生。告訴你們這個真讓我感到傷心。但是……”她停頓了一下，眼光轉向史蒂夫的座位，用犀利的目光在他的臉上搜尋著什么。“我們七年級最聰明的孩子，我的科目竟然不及格！”她盯著史蒂夫，全班同學都轉過頭來看著他。史蒂夫低下頭，盯著自己的指尖。然而，在那之后，戰(zhàn)爭依然繼續(xù)！史蒂夫依然不想做作業(yè)。即使懲罰更加嚴厲，他依然非常頑固�！熬驮囈幌�！一個星期也可以��！”而他依然無動于衷�！澳惴浅Ｂ斆�！你會有很大的變化！”任何話語都無法打動他�！敖o自己一個機會！不要放棄自己的生活。”依然無動于衷。“史蒂夫，求求你。我很關心你！”哦！突然，史蒂夫好像明白了！有人關心他？有人竟然不可思議地關心他？那天下午，史蒂夫滿懷思緒地回了家。走進屋子之后，他環(huán)顧了一下四周。發(fā)現(xiàn)父母裸露著身子已經睡了。屋子里的惡臭讓人無法忍受。他迅速找齊自己的露營裝備，一瓶花生醬，一塊面包，一瓶水，而且這次他還帶上了自己的課本。臉上帶著嚴肅和決心，他又去了樹林。接下來的周一早上，他準時到了學校，等著懷特小姐走進教室。她神采飛揚地走進來了，臉上帶著微笑。天哪！她真是太漂亮了！他希望她能對他微笑，但是沒有。懷特小姐立刻決定對周末的家庭作業(yè)進行測驗。史蒂夫很快完成了測驗，并且第一個交上了答卷。懷特小姐滿臉驚奇地收下了他的卷子。很明顯，她是滿懷疑惑的批閱試卷。史蒂夫回到自己的座位，心怦怦直跳。坐下之后，他禁不住再次看了一眼這位美麗的女士。懷特小姐的臉上充滿了驚奇。她瞟了一眼史蒂夫，然后又低下頭去，但又再次抬起頭來。突然，她的臉上綻放出了笑容。七年級最聰明的男孩終于第一次通過了測驗。從那一刻起，史蒂夫如同換了一個人。雖然家里的生活依舊，但他的生活確實發(fā)生了變化。他發(fā)現(xiàn)自己不僅能夠學習，而且能夠學得很好！他發(fā)現(xiàn)，自己能夠理解并牢牢記住知識，并能將學到的知識運用到自己的生活中。史蒂夫開始變得非常優(yōu)秀。而且在他的整個學生生涯中，他一直非常優(yōu)秀。高中畢業(yè)之后，史蒂夫應征加入了海軍，并且在軍隊中也非常成功。那段時間，他認識了自己生命中的最愛，有了自己的家庭，并從MagnaCumLaude大學畢業(yè)。在他的海軍生涯中，他激勵了很多年輕人。如果沒有他，這些人可能無法認識到自己的價值。從海軍退伍之后，史蒂夫開始了第二職業(yè)，他在附近的一所大學擔任副教授，并繼續(xù)啟迪他人。懷特小姐留下了寶貴的財產。她挽救了一個改變許多其他生命的男孩。我了解這些，因為我就是他生命中的最愛�？吹搅藛�？其實就是這么簡單。僅僅由于一個老師的關心，一個男孩的內心發(fā)生了巨大的變化。
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