用于便攜式設(shè)備的低功耗MCU系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法及應(yīng)用

1、    用于便攜式設(shè)備的低功耗MCU系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法及應(yīng)用摘要：實(shí)現(xiàn)了一種全集成可變帶寬中頻寬帶低通濾波器，討論分析了跨導(dǎo)放大器-電容(OTAC)連續(xù)時間型濾波器的結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)和具體實(shí)現(xiàn)，使用外部可編程電路對所設(shè)計(jì)濾波器帶寬進(jìn)行控制，并利用ADS軟件進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明，該濾波器帶寬的可調(diào)范圍為126 MHz，阻帶抑制率大于35 dB，帶內(nèi)波紋小于05 dB，采用18 V電源，TSMC 018m CMOS工藝庫仿真，功耗小于21 mW，頻響曲線接近理想狀態(tài)。關(guān)鍵詞：Butte1、便攜式設(shè)備對處理器提出的挑戰(zhàn)隨著電子便攜式設(shè)備在全球的風(fēng)行，人們對

2、電子便攜式設(shè)備的要求也越來越高，希望產(chǎn)品有更多的功能，如手機(jī)攝像機(jī)自動對焦與手機(jī)閃信與計(jì)步器；希望產(chǎn)品功耗更低，如無線設(shè)備、手持POS機(jī)和家庭醫(yī)療產(chǎn)品；希望產(chǎn)品體積更小，如運(yùn)動手表；希望產(chǎn)品的保密性好；處理能力強(qiáng)，如便攜式儀器和高精度運(yùn)動控制；希望價(jià)格更低和開發(fā)周期短。然而困惑的是，很多的便攜式設(shè)備往往會同時要有上面的多個要求，然而現(xiàn)實(shí)中很難做到：同時滿足高速處理、低功耗和價(jià)格？ARM高速，但是功耗而價(jià)格高；同時滿足高速處理和小封裝？希望封裝面積小到3×3mm，又要不犧牲速度；同時滿足小封裝和SOC？需要ADC、SPI和12個I/O，而尺寸，最好小于5×5mm；開發(fā)周期，A

3、RM性能完全合適，但ARM往往需要操作系統(tǒng)支持，開發(fā)周期長，而市場機(jī)遇稍縱即逝。為此，本文將從為電子便攜式設(shè)備開發(fā)解決上述這些難題出發(fā)，對如何設(shè)計(jì)一個低功耗的單片機(jī)系統(tǒng)與方法和MCU在低功耗方面的優(yōu)勢進(jìn)行分析，并小尺寸系列單片機(jī)的應(yīng)用為例作出介紹。2、如何設(shè)計(jì)一個低功耗的單片機(jī)系統(tǒng)問題提出：單片機(jī)系統(tǒng)的功耗是否只是由單片機(jī)的功耗決定？回答是，以單片機(jī)為核心構(gòu)成的系統(tǒng)，其系統(tǒng)的總能耗是由單片機(jī)能耗及其外圍電路能耗共同構(gòu)成。為了降低整個系統(tǒng)的功耗，除了要降低單片機(jī)自身的運(yùn)行功耗外，還要降低外圍電路的功耗。2.1如何設(shè)計(jì)低功耗單片機(jī)系統(tǒng)？要設(shè)計(jì)一個低功耗的單片機(jī)系統(tǒng)，需要從硬件和軟件兩方面入手。2.

4、11硬件設(shè)計(jì)*選用盡量簡單的CPU內(nèi)核。在選擇CPU內(nèi)核時切忌一味追求性能。選擇的原則應(yīng) 該是“夠用就好”。8位機(jī)夠用，就沒有必要選用16位機(jī)。一般來說，單片機(jī)的運(yùn)行速度越快，功耗也越大。一個復(fù)雜的CPU集成度高、功能強(qiáng)，但片內(nèi)晶體管多，總漏電流大，即使進(jìn)入STOP狀態(tài)，漏電流也變得不可忽視；而簡單的CPU內(nèi)核不僅功耗低，成本也低。*選用低電壓供電的系統(tǒng)。低電壓供電可以大大降低系統(tǒng)的工作電流。目前單片機(jī)從與TTL兼容的5V供電降低到3.3V、3V、2V乃至1.8V供電，降低單片機(jī)的供電電壓可以有效降低其功耗。供電電壓降低也是未來單片機(jī)發(fā)展的一個重要趨勢。*選擇帶有低功耗模式的系統(tǒng)。低功耗模式指

5、的是系統(tǒng)的Idel(閑置)、Stop(停止)和Suspen(暫停)模式。處于這類模式下的單片機(jī)功耗將大大小于運(yùn)行模式下的功耗。*選擇合適的時鐘方案。時鐘的選擇對于系統(tǒng)功耗相當(dāng)敏感，有兩方面的問題要注意：其一、系統(tǒng)總線頻率應(yīng)當(dāng)盡量低。單片機(jī)內(nèi)部的總電流消耗分為：運(yùn)行電流和漏電流。單片機(jī)集成度越高，環(huán)境溫度越高，漏電流也越大。單片機(jī)的運(yùn)行電流幾乎和其時鐘頻率成正比。降低時鐘頻率，就可以有效降低單片機(jī)的功耗。其二、關(guān)于時鐘方案。是否使用鎖相環(huán)，使用內(nèi)部振蕩器還是外部振蕩器?，F(xiàn)代單片機(jī)普遍使用鎖相環(huán)技術(shù)，使單片機(jī)的時鐘頻率可以由程序控制。單片機(jī)使用外部較低的振蕩器，通過軟件控制，系統(tǒng)時鐘可以在一個很寬

6、的范圍內(nèi)調(diào)整，得到比較高的總線時鐘。使用鎖相環(huán)會帶來額外的功耗。單就時鐘方案來講，使用外部晶振且不使用鎖相環(huán)是功率消耗最小的一種。有的單片機(jī)帶有內(nèi)部時鐘，也可使用外部時鐘。這可以根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的需要使用雙時鐘：一個高速時鐘和一個低速時鐘。處理事件時使用高速時鐘，空閑時使用低速時鐘。這鐘雙時鐘系統(tǒng)可以有效地降低功耗。2.12應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)對于一個低功耗系統(tǒng)的重要性常常被人們忽略。一個重要的原因是，軟件上的缺陷并不像硬件那樣容易發(fā)現(xiàn)，同時也沒有一個嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)來判斷一個軟件的低功耗特性。盡管如此，設(shè)計(jì)者如果能盡量將應(yīng)用的低功耗特性反映在軟件中，就可以避免那些“看不見”的功耗損失。*用“中斷”

7、代替“查詢”。在沒有要求低功耗的場合，程序使用中斷方式還是查詢方式并不重要。但在要求低功耗場合，這兩種方式相差甚遠(yuǎn)。使用中斷方式，CPU可以什么都不做，甚至可以進(jìn)入等待模式或停止模式；而查詢方式下，CPU必須不停地訪問I0寄存器，這會帶來很多額外的功耗。*用“宏”代替“子程序”。子程序調(diào)用的入棧出棧操作，要對RAM進(jìn)行兩次操作，會帶來更大的功耗。宏在編譯時展開，CPU按順序執(zhí)行指令。使用宏，會增加程序的代碼量，但對不在乎程序代碼量大的應(yīng)用，使用宏無疑會降低系統(tǒng)的功耗。*盡量減少CPU的運(yùn)算量。減少CPU的運(yùn)算工作量，可以有效地降低CPU的功耗。減少CPU運(yùn)算的工作可以從很多方面入手：其一，用查表的方法替代實(shí)時的計(jì)算。其二，不可避免的實(shí)時計(jì)算，算到精度夠了就結(jié)束，避免“過度”的計(jì)算。其三，盡量使用短的數(shù)據(jù)類型，例如，盡量使用字符型的8位數(shù)據(jù)替代16位的整型數(shù)據(jù)，盡量使用分?jǐn)?shù)運(yùn)算而避免浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算等。其四，讓IO模塊間歇運(yùn)行，即不用的IO模塊或間歇使用的UO模塊要及時關(guān)掉，以節(jié)省電能；不用的I/O引腳要設(shè)置成輸出或設(shè)置成輸入，用