低功耗單片機的創(chuàng)新套件設(shè)計

中國電子科技集團公司第四十七研究所 陳曉棠

隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，在人們生活各個領(lǐng)域中被廣泛的應用，單片機系統(tǒng)基礎(chǔ)上研發(fā)的設(shè)備也被廣泛應用，一定程度對單片機系統(tǒng)設(shè)計創(chuàng)新提出了較高的要求，受到越來越多的人們關(guān)注。單片機套件在單片機設(shè)計中重要的組成部分，具有較高的兼顧性，其衍生出來的電子產(chǎn)品也具有一定的便攜性，備受歡迎。本文基于MSP430單片機系統(tǒng)上，對低功耗單片機進行分析，闡述了單片機系統(tǒng)運行特點，在此基礎(chǔ)上，從硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩方面對單片機創(chuàng)新套件進行探討，明確單片機低能耗使用方案，促使單片機運行效率得以提升，促使企業(yè)經(jīng)濟發(fā)展。

1 單片機低功耗技術(shù)的分析

1.1 單片機的集成度

目前，在芯片設(shè)計的過程中，高集成度設(shè)計理念應用比較普遍，高集成度設(shè)計可以促使系統(tǒng)外圍電路設(shè)計不斷改進，進而起到降低單片機系統(tǒng)耗能的作用。這種芯片設(shè)計方案，在單片機實際使用中，起到優(yōu)化芯片功耗性能，為此，在開展單機片設(shè)計活動時，可以充分考慮應用高集成度設(shè)計理念嗎，以此實現(xiàn)低功耗的設(shè)計目的。

1.2 擴寬電源電壓實際范圍

在對單片機進行制作的過程中，可以選擇比較先進的工藝進行加工，促使單片機工作電源電壓更加寬廣，進而促使單片機穩(wěn)定運行。實際中，如果單片機電源電壓可以在一定范圍內(nèi)進行擴寬，那么在其他領(lǐng)域也可以實現(xiàn)擴寬范圍的目的，特別是一些便攜式設(shè)備，在此理論基礎(chǔ)上，可以將電池作為設(shè)備運行電源，解決了電池放點效應的問題，并且不需要為了穩(wěn)定電壓進行單獨設(shè)計，提高降低功耗效果。

1.3 可以同時配置高低速時鐘

單片機系統(tǒng)工作中，若是增加工作頻率情況字，其需要的功耗也會逐漸增加，為了實現(xiàn)低功耗的目的，在單片機系統(tǒng)內(nèi)部可以配置高速主時鐘、低速副時鐘兩個獨立系統(tǒng)，在這種情況下，人們就可以根據(jù)實際需求適當降低CPU主時鐘系統(tǒng)工作頻率，進而降低功耗。在單片機工作時間比較空閑的時候，單片機工作狀態(tài)會進入低速模式。要想切實實現(xiàn)低功耗目的，可以通過對寄存器進行賦值，以此調(diào)整時鐘頻率，也可以通過調(diào)整主、副時鐘方式來實現(xiàn)低功耗的目的。

1.4 合理使用系統(tǒng)內(nèi)部定時器

一般來講，NEC單片機內(nèi)部都會設(shè)置時鐘定時器，這個定時器中斷時間為0.5s/次，采取這種方式進行設(shè)置的目的在于單片機系統(tǒng)在休眠狀態(tài)下也可以將定時喚醒功能發(fā)揮出來，能夠為需要應用在線計時、且處于間歇模式下的單片機提供更為環(huán)保的節(jié)能方式。具體來講：若CPU運行狀態(tài)處于休眠模式，單片機運行狀態(tài)就會轉(zhuǎn)為STOP模式，以此起到減少電源功率消耗的目的，待時鐘處于中斷模式下，CPU即轉(zhuǎn)為運行模式。

2 單片機系統(tǒng)低功耗套件設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

在進行單片機低功耗的設(shè)計過程中，硬件系統(tǒng)是一項重要的組成部分，如圖1所示是單片機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架圖。

圖1 套件硬件框圖

通常情況下設(shè)計方案如下：第一，設(shè)計供電電壓和調(diào)整時鐘頻率過程中，若MCU是由多個CMOS門電路共用組成的，就需要對其進行深入分析，計算方式如下：P=Pstart+PQ+Pdyn，其中Pstart是一種靜態(tài)功耗，主要由于反向漏電流所引起的。PQ和Pdyn是一種是動態(tài)功耗，前者是由P管和N管之間電流短路所引起的，后者主要是的由于開關(guān)電流引發(fā)的。時鐘頻率增加的時候功耗也會不斷增加。第二，在設(shè)計I/O時，應當在系統(tǒng)默認的基礎(chǔ)上，將系統(tǒng)I/O的端口狀態(tài)設(shè)計成輸入模式，以此避免MSP43FR系統(tǒng)上拉口和下拉口處于運行狀態(tài)。在I/O口處于不穩(wěn)定狀態(tài)下，很容易產(chǎn)生寄生電流，為此，在設(shè)計硬件的過程中，相關(guān)工作人員應當根據(jù)系統(tǒng)的實際使用情況以及生產(chǎn)需求，對I/O口進行科學合理的設(shè)計，確保端口斷流平穩(wěn)基于此，防止寄生電流出現(xiàn)，以此加強硬件各參數(shù)的運行效果。第三，在設(shè)計顯示屏驅(qū)動系統(tǒng)時，為了有效保障電路系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、可靠的運行，就需要協(xié)調(diào)運行驅(qū)動電路，MSP430FR系統(tǒng)中LED點陣顯示屏構(gòu)成一般是由多個88點陣組成，在設(shè)計陰極電路時，遵循從上之下的原則進行設(shè)計，實現(xiàn)其循環(huán)掃描的目的，進而確保MSP430FR系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。第四，系統(tǒng)外部設(shè)計，需要根據(jù)硬件設(shè)計的基本特點，深入分析單片機運行設(shè)備，結(jié)合低功耗設(shè)備實際使用情況進行分析，科學合理調(diào)整各種器件運行功能，進而保證設(shè)計方案的合理性、可靠性，進而提升設(shè)備底功耗的效果。比如，在設(shè)計DMA模塊過程中，DMA模塊與系統(tǒng)硬件進行結(jié)合時，其電流、能耗時間、功耗數(shù)值分別是2.057mA、272.5μs、0.561mA/ms，由此可知，將DMA模塊在MSP 403 FR系統(tǒng)設(shè)計中應用，能夠有效縮短能耗獲取的時間，進而提升數(shù)據(jù)應用在效率，提高CPU系統(tǒng)使用率。

2.2 軟件設(shè)計

在設(shè)計低功耗單片機時，除了硬件設(shè)計以外，軟件設(shè)計也是一項重要組成部分，能夠從整體上有效降低設(shè)備CPU能耗，并且通過對工作系統(tǒng)進行設(shè)定來降低電流消耗，確保CPU運行狀態(tài)處于正常工作模式，以此避免系統(tǒng)出現(xiàn)休眠的情況，在此基礎(chǔ)上，降低單片機整體耗能，如圖2所示。

圖2 套件軟件框圖

在進行軟件設(shè)計過程中，應當做到以下幾點要求：第一，ULP Advisor的分析，借助分析工具對代碼進行分析，工作人員通過編寫代碼的方式來實現(xiàn)MSP430FR系統(tǒng)能耗整體性降低的目的，進而提升電氣設(shè)備軟件使用的效果。第二，設(shè)計I/O運行模式時，工作人員在開展設(shè)計工作時應當在電源關(guān)閉狀態(tài)下進行，結(jié)合單片機實際運行情況制定設(shè)備使用功率，有效掌控I/O模式工作狀態(tài)，以此保證系統(tǒng)通信方式，結(jié)合系統(tǒng)實際工作情況對驅(qū)動設(shè)備進行調(diào)整，進而提高軟件系統(tǒng)工作質(zhì)量和效率。第三，降低軟件CPU計算量，在對單片機進行分析的基礎(chǔ)上，為了能夠有效的降低設(shè)備能耗，CPU的能耗就需要作為重點分析對象，實際設(shè)計中，工作人員應當將CUP計算量降低，并且促使Flash系統(tǒng)中與CPU計算結(jié)果充分融合，通過對查詢方式和軟件各種計算參數(shù)進行明確的方法來實現(xiàn)系統(tǒng)低運算量的目的，進而為低能耗單片機使用提供支撐。第四，能量跟蹤功耗分析，設(shè)計工作人員應當結(jié)合單片機實際使用后情況和特點開展設(shè)計工作，基于此明確測量和分析方法及流程，逐漸對回路能耗測量進行調(diào)整，以此保證其測量的準確度。這個過程中，應當重視軟件系統(tǒng)使用設(shè)備，可以通過Energy Trace軟件，基于Debug模式上，實時分析單片機運行能耗，利用log技術(shù)對分析信息進行展示，以此提升軟件信息使用效果。在系統(tǒng)使用中，可以通過設(shè)定優(yōu)化代碼的方式來降低系統(tǒng)能耗，為低功耗單片機運行提供保障。

結(jié)論：現(xiàn)階段，在單片機系統(tǒng)設(shè)計中，低功耗單片機的創(chuàng)新套件設(shè)計已經(jīng)成為了主要是研究方向，強低功耗單片機研究具有現(xiàn)實意義。為了促使單片機低能耗的效果最佳，設(shè)備從設(shè)計到維護都應當結(jié)合其運行特點，通過硬件設(shè)計和軟件設(shè)計實現(xiàn)單片機系統(tǒng)低能耗的目的。在此基礎(chǔ)上制定單片機的創(chuàng)新套件設(shè)計方案，進而提升生產(chǎn)效果，促使產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟效益得以提升。