集成電路中真正單片化的單片機(jī)解析方案

隨著集成電路技術(shù)和工藝的飛速發(fā)展，真正單片化的單片機(jī)已經(jīng)成為主流產(chǎn)品。它的絕在部分資源都在單片機(jī)芯片內(nèi)部;過去需要用外部擴(kuò)展器件才能實(shí)現(xiàn)的功能，如 ROM、RAM、A/D、D/A、數(shù)字量I/O、顯示驅(qū)動等功能，現(xiàn)在在單片機(jī)內(nèi)部就可以完成。單片機(jī)真正單片化，省去了大量的硬件開發(fā)調(diào)試工作，大大地提高了工作效率;系統(tǒng)先天的可靠性、抗干擾能力得到了顯著的改善。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試，實(shí)現(xiàn)同樣功能的系統(tǒng)，采用單片方式比總線擴(kuò)展方式具有更多的優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)不僅功能強(qiáng)、性能可靠、成本降低，而且進(jìn)一步微型化和便攜化。因此，使用電池作為系統(tǒng)的電源也越來越普遍。系統(tǒng)的最小電源消除和最大的電池壽命就成為主要的技術(shù)要求。例如1999年的多國儀器儀表展覽會上，不止一家國外公司展出了使用電池的工業(yè)流量計，5～10年都不必更換電池和進(jìn)行維護(hù)。所以低功耗單睡要同的應(yīng)用有著非常廣闊的天地。低功耗單片機(jī)應(yīng)用符合現(xiàn)代電子終端產(chǎn)品的要求：便攜、節(jié)能、可靠等。目前國際上先進(jìn)的單片機(jī)生產(chǎn)廠商，如日本NEC、富士通、愛普森和美國TI等公司都采用了低功耗設(shè)計。筆者在一些應(yīng)用中使用了日本NEC公司的78k0和78K0S系列的單片機(jī)，其休眠狀態(tài)下的功耗電流可達(dá)到 0.05～0.01μA。

1 單片機(jī)的低功耗設(shè)計技術(shù)

1.1 高集成度的完全單片化設(shè)計

將很多外圍硬件集成到了CPU芯片中，增大硬件冗余。內(nèi)部以低功耗、低電壓的原則設(shè)計，這給單片機(jī)的低功耗設(shè)計提供了很強(qiáng)的支持。

1.2 內(nèi)部電路可選擇性工作

通過特殊功能寄存器選擇使用不同的功能電路，即依靠軟件選擇其中不同的硬件;對于不使用的功能使其停止工作，以減少無效功耗。

1.3 寬電源電壓范圍

先進(jìn)的單片機(jī)芯片工藝特別決定了單片機(jī)在很寬的電源電壓范圍內(nèi)部能正常工作。例如，NEC公司的 78K0和78K0S系列的單片機(jī)，可以在 1.8V～5.5V電源電壓范圍內(nèi)正常工作。單片機(jī)供電電壓范圍的放寬，可以進(jìn)一步拓寬單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域，尤其是便攜式或掌上型儀器或裝置，可以放心地使用電池作為電源，而不必關(guān)心電過程電壓曲線是否平衡、是否會影響單片機(jī)正常工作，更不必因電池供電而專門增加穩(wěn)壓電路，從而可減少大約1/3的功率消耗。

1.4 具有高速和低速兩套時鐘

系統(tǒng)運(yùn)行頻率越高，電源功耗就會相應(yīng)增大。為更好地降低功耗，內(nèi)部集成了兩套獨(dú)立的時鐘系統(tǒng)，高速的主時鐘和32.768kHz的副時鐘。也可在滿足功能需要的情況下按一定比例降低CPU主時鐘頻率，以降低電源功耗。在不需要高速運(yùn)行的情況下，可選用副時鐘低速運(yùn)行，進(jìn)一步降低功耗。通過軟件對特殊功能寄存器賦值可改變CPU的時鐘頻率，或進(jìn)行主時鐘和副時鐘切換。

1.5 在線改變CPU的工作頻率

可根據(jù)CPU處理任務(wù)的不同，在外部振蕩器不變的情況下，通過程序改變處理器時鐘控制寄存器PCC的值，在線改變CPU的頻率。CPU在幾種不同頻率下工作的電源功耗比較如圖1所示。

1.6 后備功能

后備功能是為了進(jìn)一步降低系統(tǒng)功耗。CPU用主時鐘時有HALT(待機(jī))模式和STOP(休眠)模式，用副系統(tǒng)時鐘時有副時鐘運(yùn)行模式和HALT模式。如表1所示。

表1 NEC單片機(jī)后備模式

1.7 內(nèi)部鐘表定時器

NCE 單片機(jī)內(nèi)部提供了時鐘定時器，每隔0.5s產(chǎn)生一次中斷。在系統(tǒng)處于休眠狀態(tài)時，仍可定時被喚醒。對于單片機(jī)只須間歇工作、但又需要實(shí)時計時功能的應(yīng)用場合，提供了非常有效的節(jié)能方法。CPU在不工作時可進(jìn)入STOP模式或HALT模式，進(jìn)入低功耗的后備功能狀態(tài)。當(dāng)時鐘中斷到來時，CPU回到正常工作狀態(tài)，進(jìn)入時鐘中斷處理程序做時鐘更新處理，然后再進(jìn)入后備功能狀態(tài)。

2 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中的低功耗設(shè)計主要注意的問題

(1)系統(tǒng)中單片機(jī)以外的其它電路器件盡可能選用靜態(tài)功耗低的器件，如選用CMOS電路芯片。

(2)外部設(shè)備的選擇也要盡可能支持低功耗設(shè)計。

(3)設(shè)計外部中斷喚醒電路，使單片機(jī)在等待時可進(jìn)入休眠模式或待機(jī)模式，需要時由外部中斷信號喚醒。

(4)設(shè)計外部器件的電源控制電路，使外部器件或設(shè)備在不工作時關(guān)斷供電，減少無效功耗。

(5)設(shè)計充分利用系統(tǒng)低功耗特點(diǎn)的軟件。

3 在線改變CPU的時鐘頻率以降低功力量的C語言程序舉例

CPU在不需要高速運(yùn)行時，可設(shè)置在較低的時鐘頻率下工作，在運(yùn)行過程中可根據(jù)需要在線改變CPU的時鐘頻率。下面是一個通過按鍵產(chǎn)生外部中斷信號改變NCE單片機(jī)μPD780058的CPU時鐘頻率的程序，它使CPU在主、副時鐘切換運(yùn)行。通過I/O口P6的位0引腳連接1個LED小燈，每按下一次按鍵就使CPU的時鐘頻率改變。在主時鐘和副時鐘頻率下工作時，用同樣的軟件延時程序控制小燈點(diǎn)亮的時間，以此觀察CPU的運(yùn)行速度。

程序清單：

//**************宏定義**************

#define PCCMODEM 0x00 //CPU時鐘控制寄存器PCC

//定義為選主系統(tǒng)時鐘

#define PCCMODES 0xf0 //CPU時鐘控制寄存器PCC

//定義為選副系統(tǒng)時鐘

#define PORT60 1 /P6口位0賦初值/

#define PORTM600 //P6口位0設(shè)為輸出

#define INTM0M 0x00 //定義外部中斷INTP1的

//中斷觸發(fā)沿為下降沿

//*****單片機(jī)內(nèi)部功能使用的定義*****

#pragma sfr //使用特殊功能寄存器

#pragma HALT //使用HALT功能

#pragma interrupt INTP1 inter RB1 //使用中斷功能

#pragma DI //使用關(guān)中斷功能

#pragma EI //使用開中斷功能

//*************變量定義*************

unsigned int b; //定義軟件延時計數(shù)變量

char msflag; //定義主、副時鐘切換標(biāo)志

//**************主函數(shù)**************

void main()

{

PCC=PCCMODEM; //CPU用主系統(tǒng)時鐘

P6.0=PORTM60; //P6口的位0賦初值

PM6.0=PORTM60; //P6口的位0為輸出

INTM0=INTM0M; //INTP1下降沿觸發(fā)

PMK1=0; //清除INTP1中斷屏蔽

Msflag=0; //選用主副時鐘的標(biāo)志

EI(); //開中斷

While(1)

{

if(msflag= =0) //時鐘切換標(biāo)志為0時

msflag=1; //標(biāo)志變?yōu)?

else msflag=0; //否則標(biāo)志變?yōu)?

P6.0=0; //點(diǎn)亮LED燈

b=0; //軟件延時的計數(shù)值賦初值

while(b<=10000)

{

b++; //軟件延時(注意系統(tǒng)時鐘為)

//主時鐘與副時鐘延時

//時間的長短是不同的)

}

P6.0=1; //熄滅LED燈

HALT(); //進(jìn)入HALT狀態(tài)

}

}

//************中斷服務(wù)函數(shù)************

void inter(void)

{

if(msflag= =0) //若時鐘切換標(biāo)志為0

PCC=PCCMODES; //CPU使用副時鐘

Else //否則

PCC=PCCMODEM; //CPU使用主時鐘

}

低功耗單片機(jī)的應(yīng)用使電子產(chǎn)品、控制系統(tǒng)更符合當(dāng)今時鐘的要求，達(dá)到便攜、低功耗和高可靠性。加之用高級語言(如C語言)對單片機(jī)進(jìn)行開發(fā)的工具日臻完善。更為快速高效的開發(fā)應(yīng)用提供了良好的條件和環(huán)境。低功耗的節(jié)能單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)將會帶來很好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益