用于便携式设备的低功耗MCU系统设计方法及应用

1、便携式设备对处理器提出的挑战
　　
　　随着电子便携式设备在全球的风行，人们对电子便携式设备的要求也越来越高，希望产品有更多的功能，如手机摄像机自动对焦与手机闪信与计步器；希望产品功耗更低，如无线设备、手持POS机和家庭医疗产品；希望产品体积更小，如运动手表；希望产品的保密性好；处理能力强，如便携式仪器和高精度运动控制；希望价格更低和开发周期短。
　　
　　然而困惑的是，很多的便携式设备往往会同时要有上面的多个要求，然而现实中很难做到：同时满足高速处理、低功耗和价格？ARM高速，但是功耗而价格高；同时满足高速处理和小封装？希望封装面积小到3×3mm，又要不牺牲速度；同时满足小封装和SOC？需要ADC、SPI和12个I/O，而尺寸，最好小于5×5mm；开发周期，ARM性能完全合适，但ARM往往需要操作系统支持，开发周期长，而市场机遇稍纵即逝。
　　
　　为此，本文将从为电子便携式设备开发解决上述这些难题出发，对如何设计一个低功耗的单片机系统与方法和MCU在低功耗方面的优势进行分析，并小尺寸系列单片机的应用为例作出介绍。

　　2、如何设计一个低功耗的单片机系统
　　
　　问题提出：单片机系统的功耗是否只是由单片机的功耗决定？回答是，以单片机为核心构成的系统，其系统的总能耗是由单片机能耗及其外围电路能耗共同构成。为了降低整个系统的功耗，除了要降低单片机自身的运行功耗外，还要降低外围电路的功耗。

　　2.1如何设计低功耗单片机系统？
　　
　　要设计一个低功耗的单片机系统，需要从硬件和软件两方面入手。

　　2.11硬件设计
　　
　　*选用尽量简单的CPU内核。在选择CPU内核时切忌一味追求性能。选择的原则应 该是“够用就好”。8位机够用，就没有必要选用16位机。一般来说，单片机的运行速度越快，功耗也越大。一个复杂的CPU集成度高、功能强，但片内晶体管多，总漏电流大，即使进入STOP状态，漏电流也变得不可忽视；而简单的CPU内核不仅功耗低，成本也低。
　　
　　*选用低电压供电的系统。低电压供电可以大大降低系统的工作电流。目前单片机从与TTL兼容的5V供电降低到3.3V、3V、2V乃至1.8V供电，降低单片机的供电电压可以有效降低其功耗。供电电压降低也是未来单片机发展的一个重要趋势。
　　
　　*选择带有低功耗模式的系统。低功耗模式指的是系统的Idel(闲置)、Stop(停止)和Suspen(暂停)模式。处于这类模式下的单片机功耗将大大小于运行模式下的功耗。
　　
　　*选择合适的时钟方案。时钟的选择对于系统功耗相当敏感，有两方面的问题要
注意：
　　
　　其一、系统总线频率应当尽量低。单片机内部的总电流消耗分为：运行电流和漏电流。单片机集成度越高，环境温度越高，漏电流也越大。单片机的运行电流几乎和其时钟频率成正比。降低时钟频率，就可以有效降低单片机的功耗。
　　其二、关于时钟方案。是否使用锁相环，使用内部振荡器还是外部振荡器。现代单片机普遍使用锁相环技术，使单片机的时钟频率可以由程序控制。单片机使用外部较低的振荡器，通过软件控制，系统时钟可以在一个很宽的范围内调整，得到比较高的总线时钟。使用锁相环会带来额外的功耗。单就时钟方案来讲，使用外部晶振且不使用锁相环是功率消耗最小的一种。有的单片机带有内部时钟，也可使用外部时钟。这可以根据实际系统的需要使用双时钟：一个高速时钟和一个低速时钟。处理事件时使用高速时钟，空闲时使用低速时钟。这钟双时钟系统可以有效地降低功耗。

　　2.12应用软件设计
　　　
　　应用软件设计对于一个低功耗系统的重要性常常被人们忽略。一个重要的原因是，软件上的缺陷并不像硬件那样容易发现，同时也没有一个严格的标准来判断一个软件的低功耗特性。尽管如此，设计者如果能尽量将应用的低功耗特性反映在软件中，就可以避免那些“看不见”的功耗损失。
　　
　　*用“中断”代替“查询”。在没有要求低功耗的场合，程序使用中断方式还是查询方式并不重要。但在要求低功耗场合，这两种方式相差甚远。使用中断方式，CPU可以什么都不做，甚至可以进入等待模式或停止模式；而查询方式下，CPU必须不停地访问I／0寄存器，这会带来很多额外的功耗。

　　*用“宏”代替“子程序”。子程序调用的入栈出栈操作，要对RAM进行两次操作，会带来更大的功耗。宏在编译时展开，CPU按顺序执行指令。使用宏，会增加程序的代码量，但对不在乎程序代码量大的应用，使用宏无疑会降低系统的功耗。

　　*尽量减少CPU的运算量。减少CPU的运算工作量，可以有效地降低CPU的功耗。减少CPU运算的工作可以从很多方面入手：其一，用查表的方法替代实时的计算。其二，不可避免的实时计算，算到精度够了就结束，避免“过度”的计算。其三，尽量使用短的数据类型，例如，尽量使用字符型的8位数据替代16位的整型数据，尽量使用分数运算而避免浮点数运算等。其四，让I／O模块间歇运行，即不用的I／O模块或间歇使用的UO模块要及时关掉，以节省电能；不用的I/O引脚要设置成输出或设置成输入，用上拉电阻拉高。