PIC单片机低功耗设计

2011-02-09吴清荣丁跃军

制造业自动化 2011年5期

吴清荣，丁跃军

（河南工业技师学院，郑州 450007）

0 引言

目前，电子产品的日趋小型化和智能化，对单片机的低功耗应用提出了更高的要求，尤其是便携式产品、野外检测仪器仪表、海河航标灯和玩具产品，对低功耗的要求更为突出。设计一个性能良好的低功耗产品，需要从硬件设计、软件设计等多方面综合考虑，是一项较为复杂的系统工作，本文阐述了低功耗设计的几种具体措施。

1 系统设计方面

1.1 选择合适的模块

PIC系列单片机虽然功耗都很低，但不同的模块电能消耗仍然不同,既便是在同一个系列里，选择的芯片型号不同，它们的电能消耗量也不同! 选型时，要注意资料中详细的参数说明，一般型号后缀为LC的芯片能耗比后缀为C的能耗要小，目前，Microahip公司最新推出了18个引脚的低功耗芯片，如PIC18F1220、PIC18F1320和nW级的芯片如PIC16F627A等，可以根据产品的实际需求，合理地来选择芯片的型号。

1.2 选择合适的工作条件

一般单片机睡眠模式下运行要比正常模式下运行耗电小得多，所以如果其它条件允许，应尽量让芯片处于睡眠状态；单片机在低电压下工作时比较省电，在选用单片机时尽可能选择较低的工作电压；另外，单片机MCU的电流和振荡频率成正比，所以，在速度允许的情况下，应尽可能选择振荡频率比较低的芯片。

1.3 选择合适的振荡方式

晶体振荡器、谐振器和RC振荡器，有着不同的唤醒时间。一般来说，晶体振荡器的唤醒时间最长为8.5mS左右，谐振器的唤醒时间约为390µS，而RC振荡器的唤醒时间最短，约为1.15µS左右。单片机在工作时，如果唤醒时间过长，在唤醒过程中存在一个预工作阶段，此时处理器已经开始消耗电能，但是还没有运行程序，这就会带来更多的电能消耗。如果所设计的产品，唤醒后的工作时间很短，一般应采用RC振荡器较为合理。

晶体振荡器、谐振器和RC振荡器，有着不同的电耗，即使在相同频率下，它们的电耗也不同。一般说来，晶体振荡器的工作电耗最小，RC振荡的工作电耗最大。三者比较结果如表1所示。

表1 晶体振荡器、谐振器和RC振荡器的比较

在不能长期工作在休眠状态的场合，如计时时钟，一般应采用晶体振荡器以获得节能效果。为了节能我们有时候还在晶体振荡器的回路中串上一个小电阻RS，如图1所示，这是因为晶体的驱动功率为： P= U2/Re，U：芯片向晶体提供的电压；Re：晶体的等效电阻；在晶体振荡器回路中串上一个小电阻RS后，加大晶体的等效电阻。这样，不仅可以减少在晶体上的功率消耗、还可以防止晶体过驱动、稳定晶体的振荡频率以及延长晶体寿命。RS的取值范围是0~10KΩ，主要基于Timer1振荡器，所有内建Timer1芯片都可以用外部晶体来实现RTC。如：PIC16F72、PIC16F73、PIC16F877、PIC18F452和PIC18F85等。

图1 晶体振荡器

1.4 合理处理I/O管脚

I/O 管脚的处理，在低功耗系统里非常重要。设置为输出的管脚可以驱动20~25mA电流。所以检查你的设计，优化每个输出管脚上的电流消耗是非常重要的，即使是弱上拉的管脚,依然可以输出 400uA电流，为达到节能目的，可以禁止内部上拉，使用外部较大的电阻做上拉。必要时还可以用一个I/O口来控制外部上拉，以便在不需要检测输入时或在休眠状态下进一步节能。如图二中的输入口I1、I2和I3的外部电路。I/O口管脚可以吸收1uA电流，而MCLR，RA4/T0CKI和OSC1可能吸收5uA电流。在干扰的环境下，让I/O管脚悬空(输入、高阻)，可能因内部锁存器频繁翻转，极大地增加电流消耗，所以对于没有用的管脚，都设置为输出(高或者低均可)。

1.5 Timer1异步时钟方式下使用

在需要实时时钟的场合，在Timer1上接入一个32.768kHz 晶振，就可以实现成本低和电耗低。Timer1可以在不用外部时钟芯片、允许芯片进入睡眠模式下，继续走时钟(时间/日期)。

2 应用休眠省电模式

执行一条SLEEP指令后，便进入了休眠（SLEEP）方式。在这种方式中，为了使耗电量降至最低，把所有I/O引脚接至VDD或VSS，以确保没有外部电路从I/O引脚上引出电流，关闭A/D转换，禁止使用外部时钟，引脚必须处于一个逻辑高电平状态。

单片机从耗电的角度出发常常会进入休眠状态，但由于某个特殊的原因，又会及时从休眠状态中唤醒。

1）如果芯片出现以下事件，单片机便可以从休眠状态进入唤醒状态：

（1）将外部的复位信号输入到引脚；

（2）监视定时器激活（如果WDT使能）；

（3）来自引脚INT的中断，RB端口的电平变位，或者其他一些外围设备中断。

当休眠状态被唤醒，设置成电源开启标志位被清零。如果WDT发生了定时时间到而引起唤醒状态，位被清零。

2）如果以下外围设备出现中断请求，也可使单片机从休眠状态中唤醒：

（1）并行从动端口读/写操作；

（2）在异步计数方式下，定时器TMR1中断；

（3）CCP捕捉方式中断；

（4）特殊事件触发在异步方式下，定时器1采用外部时钟；

（5）SSP（起始／停止）位探测中断；

（6）在从动方式下，SSP发送或接收中断（SPI／I2C）；

（7）USAR的RX/TX（同步从动方式）；

（8）当A/D时钟源为RC时，A/D转换中断；（9）EEPROM写入操作完成。

当执行SLEEP指令时，下一个指令（PC+1）被预先取出。为了使器件能通过某一中断事件而激活，与之对应的中断允许位必须被置位。唤醒状态与GIE位的状态无关，如果GIE位被清零，器件将继续执行SLEEP指令后面的指令；如果GIE位被置位，器件将执行SLEEP指令后面的指令，然后转移到中断地址（0004H）。若用户不希望执行SLEEP指令后面的指令，那么在SLEEP指令后面必须要有一个NOP指令。

3 案例分析

设计一个低功耗系统产品，是一个综合规划的内容，需要考虑的因素很多。如图2所示，给出了一个具体硬件实施方案：

单片机的系统时钟采用外接R1、C1阻容振荡方式提供。既可以节省成本，又可以快速启动单片机，减少唤醒时的能耗。

日期、小时、分钟、秒的计时采用定时器/计数器TMR1完成。TMR1是具有独立的低功耗、低频率振荡器，既便是在单片机处于睡眠状态，TMR1依然可以精确计时并能在计时溢出时产生中断请求，唤醒单片机。石英晶体XTL采用32768Hz的低频晶体，在晶体回路中串有电阻R5，以便进一步降低能耗。

图2 低功耗硬件设计方案

芯片采用5V电源供电，掉电保持电源BT1采用2.4V的锂电池。BT1接在一个模拟I/O口上，R6为充电限流电阻。单片机可以通过该电阻以脉冲方式对电池充电，而停止充电时，可以通过该口以模拟输入方式，检测电源电压并调整充电脉冲的宽度，即通过软件实现智能PWM充电。在外部电源掉电时，电池BT1可以经电阻R6和I/O口输入端保护二极管D向单片机供电。由于这时的供电电流仅为微安级，因此电阻R6上的压降可以忽略不计，D1的作用是防止电池BT1向其它芯片或电路放电。如果掉电时间不是很长的话，可用漏电较小的胆电容代替电池；如果掉电时间较长的话，可用CSC-4法拉级大电容代替电池，持续时间可以从几分钟到几天。

输入口I1、I2、I3均接有120KΩ的上拉电阻R2、R3、R4，但该上拉电阻不是接到电源正极，而是接到输出端口O1上。单片机处于工作状态时，O1口输出高电平；单片机进入睡眠状态时，将O1口置成低电平或高阻状态。注意，在这里一定要把内部上拉屏蔽掉。

输出口O2接有一只二极管D2。二极管D2的作用是防止在系统掉电后高电平输出时，消耗较多的维持电能。当O2口输出低电平时，二极管D2导通，三极管基极被嵌位而截止；当O2口输出高电平时，二极管D2截止，电源经R7向三极管提供基极偏流，三极管饱和导通，继电器线圈得电，常开触点闭合。