PIC單片機(jī)低功耗設(shè)計(jì)

吳清榮，丁躍軍

（河南工業(yè)技師學(xué)院， 鄭州 450007）

0 引言

目前，電子產(chǎn)品的日趨小型化和智能化，對(duì)單片機(jī)的低功耗應(yīng)用提出了更高的要求，尤其是便攜式產(chǎn)品、野外檢測(cè)儀器儀表、海河航標(biāo)燈和玩具產(chǎn)品，對(duì)低功耗的要求更為突出。設(shè)計(jì)一個(gè)性能良好的低功耗產(chǎn)品，需要從硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)等多方面綜合考慮，是一項(xiàng)較為復(fù)雜的系統(tǒng)工作，本文闡述了低功耗設(shè)計(jì)的幾種具體措施。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面

1.1 選擇合適的模塊

PIC系列單片機(jī)雖然功耗都很低，但不同的模塊電能消耗仍然不同,既便是在同一個(gè)系列里，選擇的芯片型號(hào)不同，它們的電能消耗量也不同! 選型時(shí)，要注意資料中詳細(xì)的參數(shù)說(shuō)明，一般型號(hào)后綴為L(zhǎng)C的芯片能耗比后綴為C的能耗要小，目前，Microahip公司最新推出了18個(gè)引腳的低功耗芯片，如PIC18F1220、PIC18F1320和nW級(jí)的芯片如PIC16F627A等，可以根據(jù)產(chǎn)品的實(shí)際需求，合理地來(lái)選擇芯片的型號(hào)。

1.2 選擇合適的工作條件

一般單片機(jī)睡眠模式下運(yùn)行要比正常模式下運(yùn)行耗電小得多，所以如果其它條件允許，應(yīng)盡量讓芯片處于睡眠狀態(tài)；單片機(jī)在低電壓下工作時(shí)比較省電，在選用單片機(jī)時(shí)盡可能選擇較低的工作電壓；另外，單片機(jī)MCU的電流和振蕩頻率成正比，所以，在速度允許的情況下，應(yīng)盡可能選擇振蕩頻率比較低的芯片。

1.3 選擇合適的振蕩方式

晶體振蕩器、諧振器和RC振蕩器，有著不同的喚醒時(shí)間。一般來(lái)說(shuō)，晶體振蕩器的喚醒時(shí)間最長(zhǎng)為8.5mS左右，諧振器的喚醒時(shí)間約為390μS，而RC振蕩器的喚醒時(shí)間最短，約為1.15μS左右。單片機(jī)在工作時(shí)，如果喚醒時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，在喚醒過(guò)程中存在一個(gè)預(yù)工作階段，此時(shí)處理器已經(jīng)開(kāi)始消耗電能，但是還沒(méi)有運(yùn)行程序，這就會(huì)帶來(lái)更多的電能消耗。如果所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，喚醒后的工作時(shí)間很短，一般應(yīng)采用RC振蕩器較為合理。

晶體振蕩器、諧振器和RC振蕩器，有著不同的電耗，即使在相同頻率下，它們的電耗也不同。一般說(shuō)來(lái)，晶體振蕩器的工作電耗最小，RC振蕩的工作電耗最大。三者比較結(jié)果如表1所示。

表1 晶體振蕩器、諧振器和RC振蕩器的比較

在不能長(zhǎng)期工作在休眠狀態(tài)的場(chǎng)合，如計(jì)時(shí)時(shí)鐘，一般應(yīng)采用晶體振蕩器以獲得節(jié)能效果。為了節(jié)能我們有時(shí)候還在晶體振蕩器的回路中串上一個(gè)小電阻RS，如圖1所示，這是因?yàn)榫w的驅(qū)動(dòng)功率為： P= U2/Re，U：芯片向晶體提供的電壓；Re：晶體的等效電阻；在晶體振蕩器回路中串上一個(gè)小電阻RS后，加大晶體的等效電阻。這樣，不僅可以減少在晶體上的功率消耗、還可以防止晶體過(guò)驅(qū)動(dòng)、穩(wěn)定晶體的振蕩頻率以及延長(zhǎng)晶體壽命。RS的取值范圍是0~10KΩ，主要基于Timer1振蕩器，所有內(nèi)建Timer1芯片都可以用外部晶體來(lái)實(shí)現(xiàn)RTC。如：PIC16F72、PIC16F73、PIC16F877、PIC18F452和PIC18F85等。

圖1 晶體振蕩器

1.4 合理處理I/O管腳

I/O 管腳的處理，在低功耗系統(tǒng)里非常重要。設(shè)置為輸出的管腳可以驅(qū)動(dòng)20~25mA電流。所以檢查你的設(shè)計(jì)，優(yōu)化每個(gè)輸出管腳上的電流消耗是非常重要的，即使是弱上拉的管腳,依然可以輸出 400uA電流，為達(dá)到節(jié)能目的，可以禁止內(nèi)部上拉，使用外部較大的電阻做上拉。必要時(shí)還可以用一個(gè)I/O口來(lái)控制外部上拉，以便在不需要檢測(cè)輸入時(shí)或在休眠狀態(tài)下進(jìn)一步節(jié)能。如圖二中的輸入口I1、I2和I3的外部電路。I/O口管腳可以吸收1uA電流，而MCLR，RA4/T0CKI和OSC1可能吸收5uA電流。在干擾的環(huán)境下，讓I/O管腳懸空(輸入、高阻)，可能因內(nèi)部鎖存器頻繁翻轉(zhuǎn)，極大地增加電流消耗，所以對(duì)于沒(méi)有用的管腳，都設(shè)置為輸出(高或者低均可)。

1.5 Timer1異步時(shí)鐘方式下使用

在需要實(shí)時(shí)時(shí)鐘的場(chǎng)合，在Timer1上接入一個(gè)32.768kHz 晶振，就可以實(shí)現(xiàn)成本低和電耗低。Timer1可以在不用外部時(shí)鐘芯片、允許芯片進(jìn)入睡眠模式下，繼續(xù)走時(shí)鐘(時(shí)間/日期)。

2 應(yīng)用休眠省電模式

執(zhí)行一條SLEEP指令后，便進(jìn)入了休眠（SLEEP）方式。在這種方式中，為了使耗電量降至最低，把所有I/O引腳接至VDD或VSS，以確保沒(méi)有外部電路從I/O引腳上引出電流，關(guān)閉A/D轉(zhuǎn)換，禁止使用外部時(shí)鐘，引腳必須處于一個(gè)邏輯高電平狀態(tài)。

單片機(jī)從耗電的角度出發(fā)常常會(huì)進(jìn)入休眠狀態(tài)，但由于某個(gè)特殊的原因，又會(huì)及時(shí)從休眠狀態(tài)中喚醒。

1）如果芯片出現(xiàn)以下事件，單片機(jī)便可以從休眠狀態(tài)進(jìn)入喚醒狀態(tài)：

（1）將外部的復(fù)位信號(hào)輸入到引腳 ；

（2）監(jiān)視定時(shí)器激活（如果WDT使能）；

（3）來(lái)自引腳INT的中斷，RB端口的電平變位，或者其他一些外圍設(shè)備中斷。

當(dāng)休眠狀態(tài)被喚醒，設(shè)置成電源開(kāi)啟標(biāo)志位被清零。如果WDT發(fā)生了定時(shí)時(shí)間到而引起喚醒狀態(tài)， 位被清零。

2）如果以下外圍設(shè)備出現(xiàn)中斷請(qǐng)求，也可使單片機(jī)從休眠狀態(tài)中喚醒：

（1）并行從動(dòng)端口讀/寫(xiě)操作；

（2）在異步計(jì)數(shù)方式下，定時(shí)器TMR1中斷；

（3）CCP捕捉方式中斷；

（4）特殊事件觸發(fā)在異步方式下，定時(shí)器1采用外部時(shí)鐘；

（5）SSP（起始／停止）位探測(cè)中斷；

（6）在從動(dòng)方式下，SSP發(fā)送或接收中斷（SPI／I2C）；

（7）USAR的RX/TX（同步從動(dòng)方式）；

（8）當(dāng)A/D時(shí)鐘源為RC時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換中斷；（9）EEPROM寫(xiě)入操作完成。

當(dāng)執(zhí)行SLEEP指令時(shí)，下一個(gè)指令（PC+1）被預(yù)先取出。為了使器件能通過(guò)某一中斷事件而激活，與之對(duì)應(yīng)的中斷允許位必須被置位。喚醒狀態(tài)與GIE位的狀態(tài)無(wú)關(guān)，如果GIE位被清零，器件將繼續(xù)執(zhí)行SLEEP指令后面的指令；如果GIE位被置位，器件將執(zhí)行SLEEP指令后面的指令，然后轉(zhuǎn)移到中斷地址（0004H）。若用戶不希望執(zhí)行SLEEP指令后面的指令，那么在SLEEP指令后面必須要有一個(gè)NOP指令。

3 案例分析

設(shè)計(jì)一個(gè)低功耗系統(tǒng)產(chǎn)品，是一個(gè)綜合規(guī)劃的內(nèi)容，需要考慮的因素很多。如圖2所示，給出了一個(gè)具體硬件實(shí)施方案：

單片機(jī)的系統(tǒng)時(shí)鐘采用外接R1、C1阻容振蕩方式提供。既可以節(jié)省成本，又可以快速啟動(dòng)單片機(jī)，減少喚醒時(shí)的能耗。

日期、小時(shí)、分鐘、秒的計(jì)時(shí)采用定時(shí)器/計(jì)數(shù)器TMR1完成。TMR1是具有獨(dú)立的低功耗、低頻率振蕩器，既便是在單片機(jī)處于睡眠狀態(tài)，TMR1依然可以精確計(jì)時(shí)并能在計(jì)時(shí)溢出時(shí)產(chǎn)生中斷請(qǐng)求，喚醒單片機(jī)。石英晶體XTL采用32768Hz的低頻晶體，在晶體回路中串有電阻R5，以便進(jìn)一步降低能耗。

圖2 低功耗硬件設(shè)計(jì)方案

芯片采用5V電源供電，掉電保持電源BT1采用2.4V的鋰電池。BT1接在一個(gè)模擬I/O口上，R6為充電限流電阻。單片機(jī)可以通過(guò)該電阻以脈沖方式對(duì)電池充電，而停止充電時(shí)，可以通過(guò)該口以模擬輸入方式，檢測(cè)電源電壓并調(diào)整充電脈沖的寬度，即通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)智能PWM充電。在外部電源掉電時(shí)，電池BT1可以經(jīng)電阻R6和I/O口輸入端保護(hù)二極管D向單片機(jī)供電。由于這時(shí)的供電電流僅為微安級(jí)，因此電阻R6上的壓降可以忽略不計(jì)，D1的作用是防止電池BT1向其它芯片或電路放電。如果掉電時(shí)間不是很長(zhǎng)的話，可用漏電較小的膽電容代替電池；如果掉電時(shí)間較長(zhǎng)的話，可用CSC-4法拉級(jí)大電容代替電池，持續(xù)時(shí)間可以從幾分鐘到幾天。

輸入口I1、I2、I3均接有120KΩ的上拉電阻R2、R3、R4，但該上拉電阻不是接到電源正極，而是接到輸出端口O1上。單片機(jī)處于工作狀態(tài)時(shí)，O1口輸出高電平；單片機(jī)進(jìn)入睡眠狀態(tài)時(shí)，將O1口置成低電平或高阻狀態(tài)。注意，在這里一定要把內(nèi)部上拉屏蔽掉。

輸出口O2接有一只二極管D2。二極管D2的作用是防止在系統(tǒng)掉電后高電平輸出時(shí)，消耗較多的維持電能。當(dāng)O2口輸出低電平時(shí)，二極管D2導(dǎo)通，三極管基極被嵌位而截止；當(dāng)O2口輸出高電平時(shí)，二極管D2截止，電源經(jīng)R7向三極管提供基極偏流，三極管飽和導(dǎo)通，繼電器線圈得電，常開(kāi)觸點(diǎn)閉合。

4 結(jié)論

總之，PIC單片機(jī)工作時(shí)要最大限度地降低功耗，就要根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)合，從硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)上綜合考慮，并采用相應(yīng)的措施，以達(dá)到降低功耗之目的。

[1] 劉啟中,李榮正.PIC單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京:航空航天大學(xué)出版社,2003.

[2] 丁躍軍,來(lái)清民.PIC單片機(jī)基礎(chǔ)教程[M].北京:航空航天大學(xué)出版社,2005.

[3] 張明峰.PIC單片機(jī)入門(mén)與實(shí)戰(zhàn)[M].北京:航空航天大學(xué)出版社,2004.

[4] 李建忠.單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].西安:電子科技大學(xué)出版社,2006.