摘要：通過(guò)一個(gè)使用鈕扣電池的PDA產(chǎn)品的設(shè)計(jì)實(shí)踐,介紹80C51系列單片機(jī)的低功耗設(shè)計(jì)理論、原理和使用電池的便攜式產(chǎn)品的低功耗設(shè)計(jì)方法及技巧。

    關(guān)鍵詞：單片機(jī) 80C51 PDA 功耗 液晶

前言

80C51單片機(jī)由于功能全面、開(kāi)發(fā)工具較為完善、衍生產(chǎn)品豐富、大量的設(shè)計(jì)資源可以繼承和共享,得到廣泛的應(yīng)用。我們?cè)O(shè)計(jì)的一款手持線PDA產(chǎn)品,也選擇80C51單片機(jī)作為主、輔CPU,還具備點(diǎn)陣液晶顯示屏、導(dǎo)電橡膠鍵盤、雙IC卡接口、EEPROM存儲(chǔ)器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘和串行通信口。由于使用80C51單片機(jī)開(kāi)發(fā),高級(jí)語(yǔ)言編程,大大降低了設(shè)計(jì)的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn),產(chǎn)品在較短的時(shí)間內(nèi)就推向了市場(chǎng)。

但是,同一些低速的微控制器（如4位單片機(jī)）和高速的RISC處理器相比,80C51單片機(jī)在功耗上沒(méi)有優(yōu)勢(shì)。為了在PDA類產(chǎn)品中發(fā)揮80C51單片機(jī)的上述特長(zhǎng),我們通過(guò)采取軟、硬件配合的一系列措施,加強(qiáng)低電壓、低功耗設(shè)計(jì),取得了良好的效果。該機(jī)使用一顆3V鈕扣式鋰電池,開(kāi)機(jī)時(shí)工作電池小于4mA,瞬間最大工作電流小于20mA,瞬間最大工作電流小于20mA,關(guān)機(jī)電流小于2μA。一顆電池可以使用較長(zhǎng)的時(shí)間,達(dá)到滿意的設(shè)計(jì)指標(biāo)。

一、低電壓低功耗設(shè)計(jì)理論

在一個(gè)器件中,功耗通常用電流消耗來(lái)表示。下式表明消耗的電池與器件特性之間的關(guān)系：

Icc=C∫Vda≈ΔV·C·f    （1）

式中：Icc是器件消耗的電流;Δ是電壓變化的幅值;C是器件電容和輸出容性負(fù)載的大小;f是器件運(yùn)行頻率。

從公式（1）可以得到降低系統(tǒng)功耗的理論依據(jù)。將器件供電電壓從5V降低3V,可以至少降低40%的功耗。降低器件的工作頻率,也能成比例地降低功耗。

80C51的器件電流包括兩部分：核心電流和I/O電流,即：

Icc=ICORE+II/O    (2)

核心電流是內(nèi)部晶體管開(kāi)關(guān)和內(nèi)部電容充放電所消耗的電流,占有器件電流的較大比例。

ICORE=Vcc·CEQ·f    (3)

式中：Vcc是器件工作電壓;CEQ是內(nèi)部結(jié)點(diǎn)和走線的電容,它是器件的固有屬性,可由式（3）在一定的電流、電壓和頻率測(cè)試值下計(jì)算出來(lái);f是核心工作頻率。

I/O電流主要是地址/數(shù)據(jù)總線、RD、WR和ALE信號(hào)消耗的電流,在器件電流中占的比例較小,其數(shù)值有以下經(jīng)驗(yàn)公式：

II/O=IREAD·（0.8）+IWRITE·（0.2）+ICONTROL    （4）

IREAD、IWRITE分別是讀寫狀態(tài)的I/O電流;ICONTROL是控制信號(hào)RD、WR、ALE的電流。以寫狀態(tài)I/O電流為例：

IWRITE=（V·C·f）·(1/n)·(X+Y)    (5)

式中：V=Vcc;C是每個(gè)引腳的負(fù)載電容和電路板的線路電容,大約2pF/in(in為英寸);f是CPU工作頻率;n=24,每個(gè)總線周期所花費(fèi)的機(jī)器周期數(shù);X是尋址階段變化的引腳數(shù);Y是傳輸數(shù)據(jù)階段變化引腳數(shù)。

二、PDA類產(chǎn)品中CPU的選擇

近年來(lái)80C51衍生產(chǎn)品涌現(xiàn)出許多低電壓、低功耗品種,各具特色。如：ATMEL公司AT89LV5X系列,程序存儲(chǔ)器4KB～20KB;PHILIPS公司LPC系列,高速低耗,片內(nèi)集成的多種低功耗功能,極有階段,但程序存儲(chǔ)器空間只有2KB或4KB;臺(tái)灣華邦公司W(wǎng)78LE和W77LE系列,有8～64KB程序空間和普通/高速多種型號(hào)可以選擇。選擇合適的CPU還有與后介紹的各項(xiàng)低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)的使用有關(guān),與軟件規(guī)劃和正確編程有關(guān)。

在開(kāi)發(fā)過(guò)程中,我們經(jīng)過(guò)試用和比較,發(fā)現(xiàn)適合PDA類產(chǎn)品應(yīng)用、性能價(jià)格比最高的選擇是華邦公司的W78LE516。W78LE516是華邦公司2000年發(fā)由的新產(chǎn)品,它有以下特點(diǎn)適合PDA類產(chǎn)品：

·工作電壓2.4～5.5V,適合便攜式產(chǎn)品的供電方式;

·全靜態(tài)設(shè)計(jì),工作頻率從0到最大40MHz,適合低功耗產(chǎn)品的特殊要求;

·64KB可多次編程的片內(nèi)應(yīng)用程序存儲(chǔ)器,非常適合于較大的程序和高級(jí)語(yǔ)言編程;

·4KB片內(nèi)引導(dǎo)程序存儲(chǔ)器,用于實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序的在線編程;

·比80C52多一倍的512字節(jié)片內(nèi)RAM,其有256字節(jié)AUX RAM;

·PLCC和QFP封裝比通常的80C51多4個(gè)I/O口,P4口具有多種功能;

·完善的低功耗模式,特別是中斷能夠喚醒掉電模式;

·可靠的加密編程,保護(hù)開(kāi)發(fā)者的知識(shí)產(chǎn)權(quán)和勞動(dòng)成果。

三、晶振頻率是決定功耗的基本環(huán)節(jié)

在5V電壓下運(yùn)行于12MHz的80C51,工作電流達(dá)到十幾mA,無(wú)論如何難以在電流供電環(huán)境中使用。從公式（3）和圖1可以看出,工作電流與晶振頻率成嚴(yán)格的線性關(guān)系,空閑、掉電模式的電流也有類似的線性關(guān)系。因此,盡可能地降低晶振頻率能夠有效地降低整機(jī)電流;但是,降低晶振頻率往往會(huì)受到系統(tǒng)運(yùn)行速度的制約,需要綜合考慮各部分的工作速度和整機(jī)信息算是的速度,選擇一個(gè)合適的最小晶振頻率。例如,128X64點(diǎn)陣液晶采用并行總線訪問(wèn)時(shí),整屏漢字顯示刷新需要80C51單片機(jī)2MHz的時(shí)鐘頻率才不會(huì)感覺(jué)響應(yīng)遲鈍;如果采用串行方式,顯示還會(huì)更慢;串行EEPROM是串行訪問(wèn)數(shù)據(jù)的,還有起始停止位、地址選擇、應(yīng)答位等開(kāi)銷,讀寫時(shí)間較長(zhǎng);復(fù)雜算法對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行速度也有較高要求�？紤]到串行通信波特率精確計(jì)算,我們最終確定晶振頻率為3.686MHz,最大通信波特率可達(dá)到19200bps。在這一時(shí)鐘頻率下,78LE516的運(yùn)行電流大約為3mA。

四.電壓與CPU功耗成正比

從式（3）還可以看到,降低80C51的供電電壓能夠成比例地降低功耗。由圖1可知,選擇3V供電電壓要比5V供電電壓的功耗下降一半。隨著低電壓CPU的選擇,其它部分也要選擇低電壓的型號(hào)。我們選擇的器件全部可以工作到2.7V,最終確定工作電壓為3V,由穩(wěn)壓電路提供穩(wěn)定的輸出。此外,值得一提的是,3.3V也是一個(gè)較好的選擇,因?yàn)?.3V是W78LE516在線編程（ISP）的電壓下降,ISP是一個(gè)很有價(jià)值的功能,并且3.3V電壓一睥器件也較容易得到。

五、讓空閑模式和掉電模式占用更多的時(shí)間

80C51有三種工作模式：運(yùn)行模式、空閑模式和掉電模式。正確編程以便使80C51在較多的時(shí)間內(nèi)工作在后面兩種模式下,是PDA類產(chǎn)品降低功耗的有效途徑。對(duì)于W78LE516,2.4V供電電壓和12MHz時(shí)鐘頻率下,三種模式的電流消耗如表1所列。

表1