簡述嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)低能耗技術(shù)

范恩昊

[摘 要] 在許多行業(yè)及領(lǐng)域，嵌入式單片機(jī)都有著廣泛應(yīng)用，也發(fā)揮著不容忽視的作用?？沙掷m(xù)發(fā)展理念持續(xù)深化，使嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)節(jié)能備受關(guān)注，低能耗技術(shù)成為嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)研究的一個(gè)熱點(diǎn)問題。結(jié)合相關(guān)概念，對嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)低能耗技術(shù)進(jìn)行了分析，并就如何降低嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)能耗提出了幾點(diǎn)有效措施，結(jié)合具體應(yīng)用實(shí)例，希望能夠?yàn)橄嚓P(guān)研究提供參考依據(jù)。

[關(guān) 鍵 詞] 嵌入式系統(tǒng)；單片機(jī)；低能耗技術(shù)

[中圖分類號] TP368.1 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A [文章編號] 2096-0603（2018）17-0134-02

一、相關(guān)概念

嵌入式單片機(jī)的本身依然是單片機(jī)，就是將單片機(jī)應(yīng)用到嵌入式系統(tǒng)中。

（一）嵌入式系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)屬于專用系統(tǒng)，從廣義上講，任何一個(gè)具備可編程計(jì)算機(jī)的設(shè)備都屬于嵌入式系統(tǒng)。簡單來講，嵌入式系統(tǒng)就是通過溝通各種各樣的形態(tài)，為了滿足實(shí)際應(yīng)用的需求，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)平臺，兼顧并滿足可靠性、開發(fā)與維護(hù)成本、體積、功耗以及系統(tǒng)功能的一種專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

（二）單片機(jī)

單片機(jī)指微控制器，是通過將微型計(jì)算機(jī)主要部分集成到芯片中的單芯片微型計(jì)算機(jī)[1]。

二、嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)低能耗技術(shù)

嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)低能耗技術(shù)主要是針對系統(tǒng)構(gòu)件能耗的控制，具體來講，應(yīng)該包括：

（一）單片機(jī)低能耗技術(shù)

依照嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)電路特性計(jì)算系統(tǒng)能耗，存在WS=CU2f，C表示負(fù)載電容、U表示電源電壓、f表示時(shí)鐘頻率。結(jié)合公式分析，通過降低供電電源電壓的方式，能夠有效降低系統(tǒng)能耗。單片機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的能耗主要取決于系統(tǒng)的運(yùn)行以及響應(yīng)速度，在滿足以上兩點(diǎn)的前提下，通過降低CPU頻率、采用更加先進(jìn)的時(shí)鐘管理技術(shù)以及休眠技術(shù)，來滿足低功耗的單片機(jī)系統(tǒng)。例如，在MSO430、EM78、PICI系列單片機(jī)中，都設(shè)置有休眠模塊，能夠降低系統(tǒng)運(yùn)行能耗。

（二）存儲器低能耗技術(shù)

可以優(yōu)先選擇HCMOS存儲器，這種存儲器工作方式更加優(yōu)秀，處于工作狀態(tài)時(shí)才會被選中，形成一定工作電流來實(shí)現(xiàn)低功耗讀寫，不工作時(shí)，存儲器不會被選中，也就不會消耗能源。

（三）復(fù)位監(jiān)控電路低能耗技術(shù)

復(fù)位監(jiān)控電路能夠提升嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)的可靠性，不過從目前來看，很多單片機(jī)系統(tǒng)復(fù)位監(jiān)控電路都會長時(shí)間處于工作狀態(tài)，會導(dǎo)致能耗增大，需要做好低能耗處理。例如，MAXIM公司設(shè)計(jì)了一款復(fù)位監(jiān)控電路，內(nèi)部COMS電路采用低功耗型，如MAX6328、MAX6348等，系統(tǒng)處于靜態(tài)工作狀況時(shí)，電流最低為500 nA，能耗較低，也可以保證電源電壓復(fù)位輸出。

（四）CMOS電路低能耗技術(shù)

依照COMS電流特點(diǎn)及要求，從避免電路深入引腳浮空的角度，輸入引腳不能累積電荷，否則可能導(dǎo)致能耗增大。為了保證輸入電流平穩(wěn)，必須將輸入信號幅度控制在供電電壓范圍內(nèi)。在低功耗單片機(jī)系統(tǒng)中，應(yīng)該盡量避免采用總線驅(qū)動，而是以CMOS電路來降低能耗。

（五）轉(zhuǎn)換器低能耗技術(shù)

嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)中，現(xiàn)場模擬信號采集和模擬量控制需要依靠前向通道A/D轉(zhuǎn)換器和后向通道D/A轉(zhuǎn)換器。在實(shí)際設(shè)計(jì)系統(tǒng)選擇單片機(jī)時(shí)，擁有A/D、D/A轉(zhuǎn)換功能的單片機(jī)是我們優(yōu)先考慮的，可以以較低的代價(jià)來減低能耗。在此前提下，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)能需要保證達(dá)到一定的精度，一般以行業(yè)或者國家標(biāo)準(zhǔn)為主。在選擇轉(zhuǎn)換器時(shí)，同樣應(yīng)該關(guān)注低能耗，確保其具備關(guān)斷功能，單電源或低電源供電，以最大限度降低能耗。

（六）通訊接口低能耗技術(shù)

嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)與上位機(jī)需要經(jīng)數(shù)據(jù)通訊接口完成數(shù)據(jù)傳輸，比較常見的數(shù)據(jù)通訊接口包括RS-485、RS-232以及UARTRS-422等，通過對數(shù)據(jù)通信接口供電電壓控制，能夠降低系統(tǒng)整體能耗。在選擇數(shù)據(jù)通訊接口時(shí)，可以采用MAXIM公司開發(fā)的RS232，將用電電壓從12V降低到5V，最低甚至可以達(dá)到1.8V，加上其本身具備的自動關(guān)斷功能，可以將電源電流降低到1μA，能耗極小。

（七）軟件低能耗技術(shù)

在對嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該在保證系統(tǒng)功能的前提下，盡量避免采用軟件循環(huán)延時(shí)，而是代之以定時(shí)器中斷方式，這樣能夠縮短CPU工作時(shí)間。待機(jī)狀態(tài)下，內(nèi)部定時(shí)器和計(jì)數(shù)器能夠保持正常運(yùn)行，達(dá)到計(jì)時(shí)與計(jì)數(shù)目的。顯示器應(yīng)該選擇基于鎖存器的靜態(tài)顯示模式，避免動態(tài)掃描顯示，同樣能夠降低能耗。

（八）顯示系統(tǒng)低能耗技術(shù)

作為嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)基本組成部分，顯示系統(tǒng)能夠?qū)⑾到y(tǒng)輸入?yún)?shù)、運(yùn)行狀態(tài)和測量結(jié)果等顯示出來，提升人機(jī)對話的方便性和快捷性。為了降低系統(tǒng)能耗，可以選擇液晶顯示，適當(dāng)縮小顯示系統(tǒng)體積。一般情況下，液晶顯示器工作電壓在3～6V左右，顯示系統(tǒng)每平方厘米能耗僅為20～70W。

三、嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)能耗降低措施

（一）提高設(shè)計(jì)集成度

對嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該通過提高集成度的方式，減低系統(tǒng)能耗。這種節(jié)能措施的基本原理，是通過提高設(shè)計(jì)集成度，最大限度地降低芯片外圍電路功耗，進(jìn)而降低芯片本身功耗。

（二）做好邏輯性劃分

在設(shè)計(jì)人員為某實(shí)際需求設(shè)計(jì)對應(yīng)的單片機(jī)系統(tǒng)時(shí)，對嵌入式單片刻系統(tǒng)的性能要求、單片機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的能耗要充分考慮，以此為基礎(chǔ)對系統(tǒng)電路做合理科學(xué)的規(guī)劃設(shè)計(jì)，確保有不同形式的組合邏輯。一般來說，在嵌入式單片機(jī)的內(nèi)部電路中，常采用引入寄存器的方式來輔助?？梢愿觾?yōu)化在不同工作狀態(tài)的選擇，從而使電路運(yùn)行更加高效。

（三）增加工作電壓寬度

嵌入式單片機(jī)有額定工作電壓的限制，在實(shí)際系統(tǒng)中可以引入匹配的電壓穩(wěn)定設(shè)備，該設(shè)備設(shè)置在系統(tǒng)電源與單片機(jī)之間。適當(dāng)提高單片機(jī)工作電壓寬度，拓寬其電壓范圍，將設(shè)置穩(wěn)壓器所帶來的無功功率降低，減少整個(gè)系統(tǒng)的能耗，使單片機(jī)系統(tǒng)能耗受到的影響降至最低。

（四）引入雙時(shí)鐘模式

在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，通過降低系統(tǒng)運(yùn)行頻率來減少產(chǎn)生的能耗是很常用的手段，嵌入式單片機(jī)同樣如此。因?yàn)槟芎牡漠a(chǎn)生與運(yùn)行頻率是成正比的。不過在實(shí)際應(yīng)用過程中，為了滿足生產(chǎn)需求，可以根據(jù)嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行特點(diǎn)，采用雙時(shí)鐘的模式，工作中以實(shí)際情況來進(jìn)行頻率的切換，優(yōu)化高頻與低頻時(shí)鐘之間的選擇，降低系統(tǒng)運(yùn)行頻率，對嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行能耗進(jìn)行控制。

四、實(shí)例分析

以智能暖氣表為例，對嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)低能耗技術(shù)應(yīng)用情況進(jìn)行簡單分析。在對嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，可以選擇EM78P458單片機(jī)，將其調(diào)整為低頻低電壓工作模式，設(shè)置休眠時(shí)間，睡眠模式下能耗僅為1A，3V/32kHz運(yùn)行狀態(tài)下，系統(tǒng)能耗為15A。與其他單片機(jī)相比，這種單片機(jī)的性能更加穩(wěn)定，不需要設(shè)置外擴(kuò)ROM電路，在單片機(jī)內(nèi)部自帶OPT型ROM，配合LOM101顯示器，當(dāng)其處于省電模式時(shí)，能耗甚至低于1A。利用鉑電阻進(jìn)行溫度測量，依照電容充放電基本原理，能夠得到鉑電阻準(zhǔn)確電阻值。嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)在智能暖氣表中的應(yīng)用，主要是通過流量傳感器進(jìn)行流量測量，配合單片機(jī)中斷方式，利用內(nèi)部存儲器計(jì)數(shù)，經(jīng)準(zhǔn)確計(jì)算，可以得到被測流量值，通過這樣的方式，能夠?qū)η度胧絾纹瑱C(jī)系統(tǒng)測量線路進(jìn)行簡化，也可以省略A/D轉(zhuǎn)換器，系統(tǒng)能耗大大降低，基本原理如下圖所示。

具體測量流程如下：

平時(shí)單片機(jī)系統(tǒng)處于睡眠狀態(tài)，流量傳感器輸出信號在經(jīng)過處理后，會喚醒單片機(jī)進(jìn)行溫度測量，P60輸出高電平，系統(tǒng)充電，458內(nèi)部計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，電容C上充電電壓達(dá)到CIN-規(guī)定數(shù)值后，458內(nèi)部比較器翻轉(zhuǎn)，比較器中斷，對計(jì)數(shù)值進(jìn)行讀取。在EM78P458單片機(jī)中，采用的雖然是8位計(jì)數(shù)器，但是因?yàn)椴捎昧擞?jì)數(shù)比較兩級終端，實(shí)際上能夠?qū)崿F(xiàn)16位計(jì)數(shù)，能夠提升測量精度。K1-K4開關(guān)可以利用低功耗CMOS芯片4502實(shí)現(xiàn)。運(yùn)行中，單片機(jī)會控制K1開關(guān)閉合，測量R0，對其計(jì)數(shù)值T0進(jìn)行讀取，然后控制K4開關(guān)閉合，電容放電，再以同樣方式，控制K2和K3開關(guān)閉合，對R1和R2進(jìn)行測量，將讀取的計(jì)數(shù)值分別記為T1、T2，經(jīng)計(jì)算后，可以得到被測熱電阻R1和R2，查看暖氣表顯示數(shù)據(jù)，可以得到被測溫度值，最終計(jì)算出用戶實(shí)際用熱量，在顯示器LOM101中顯示出來，再經(jīng)串行口實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)通訊。

五、結(jié)語

總而言之，信息技術(shù)飛速發(fā)展背景下，嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)在越來越多的行業(yè)和領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，發(fā)揮著非常顯著的效果。不過，在實(shí)際應(yīng)用中，嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)存在能耗偏高的問題，雖然不會影響其功能發(fā)揮，但是并不符合可持續(xù)發(fā)展理念，也會導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行成本增大?；诖?，在嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，應(yīng)該重視低能耗技術(shù)應(yīng)用，采取切實(shí)可行的措施和方法，降低系統(tǒng)運(yùn)行能耗，提升系統(tǒng)中各模塊的利用率，為單片機(jī)系統(tǒng)的推廣和普及提供技術(shù)支撐。

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