單片機系統的低功耗設計策略
作 者：清華大學 陳萌萌 邵貝貝
摘要：嵌入式系統的低功耗設計需要全面分析各方面因素，統籌規劃。在設計之初，各個因素往往是相互制約、相互影響的，壹個降低系統功耗的措施有時會帶來其他方面的“負效應”。因此，降低系統整體功耗，需要仔細分析和計算。本文從硬件和應用軟件設計兩個方面，闡述壹個以單片機為核心的嵌入式系統低功耗設計時所需考慮的壹些問題。
關鍵詞：低功耗設計 硬件設計 應用軟件設計 低功耗模式
在嵌入式應用中，系統的功耗越來越受到人們的重視，這壹點對於需要電池供電的便攜式系統尤其明顯。降低系統功耗，延長電池的壽命，就是降低系統的運行成本。對於以單片機為核心的嵌入式應用，系統功耗的最小化需要從軟、硬件設計兩方面入手。
隨著越來越多的嵌入式應用使用了實時操作系統，如何在操作系統層面上降低系統功耗也成為壹個值得關註的問題。限於篇幅，本文僅從硬件設計和應用軟件設計兩個方面討論。
1 硬件設計
選用具有低功耗特性的單片機可以大大降低系統功耗。可以從供電電壓、單片機內部結構設計、系統時鐘設計和低功耗模式等幾方面考察壹款單片機的低功耗特性。
1.1 選用盡量簡單的CPU內核
在選擇CPU內核時切忌壹味追求性能。8位機夠用，就沒有必要選用16位機，選擇的原則應該是“夠用就好”。現在單片機的運行速度越來越快，但性能的提升往往帶來功耗的增加。壹個復雜的CPU集成度高、功能強，但片內晶體管多，總漏電流大，即使進入STOP狀態，漏電流也變得不可忽視；而簡單的CPU內核不僅功耗低，成本也低。
1.2 選擇低電壓供電的系統
降低單片機的供電電壓可以有效地降低其功耗。當前，單片機從與TTL兼容的5 V供電降低到3.3 V、3 V、2 V乃至1.8 V供電。供電電壓降下來，要歸功於半導體工藝的發展。從原來的3 μm工藝到現在的0.25、0.18、0.13 μm工藝， CMOS電路的門限電平閾值不斷降低。低電壓供電可以大大降低系統的工作電流，但是由於晶體管的尺寸不斷減小，管子的漏電流有增大的趨勢，這也是對降低功耗不利的壹個方面。
目前，單片機系統的電源電壓仍以5 V為主，而過去5年中，3 V供電的單片機系統數量增加了1倍，2 V供電的系統也在不斷增加。再過五年，低電壓供電的單片機數量可能會超過5 V電壓供電的單片機。如此看來，供電電壓降低將是未來單片機發展的壹個重要趨勢。
1.3 選擇帶有低功耗模式的系統
低功耗模式指的是系統的等待和停止模式。處於這類模式下的單片機功耗將大大小於運行模式下的功耗。過去傳統的單片機，在運行模式下有wait和stop兩條指令，可以使單片機進入等待或停止狀態，以達到省電的目的。
等待模式下，CPU停止工作，但系統時鐘並不停止，單片機的外圍I/O模塊也不停止工作；系統功耗壹般降低有限，相當於工作模式的50%～70%。
停止模式下，系統時鐘也將停止，由外部事件中斷重新啟動時鐘系統時鐘，進而喚醒CPU繼續工作，CPU消耗電流可降到μA級。在停止模式下，CPU本身實際上已經不消耗什麽電流，要想進壹步減小系統功耗，就要盡量將單片機的各個I/O模塊關掉。隨著I/O模塊的逐個關閉，系統的功耗越來越小，進入停止模式的深度也越來越深。進入深度停止模式無異於關機，這時的單片機耗電可以小於20 nA。其中特別要提示的是，片內RAM停止供電後，RAM中存儲的數據會丟失，也就是說，喚醒CPU後要重新對系統作初始化。因此在讓系統進入深度停止狀態前，要將重要系統參數保存在非易失性存儲器中，如EEPROM中。深度停止模式關掉了所有的I/O，可能的喚醒方式也很有限，壹般只能是復位或IRQ中斷等。
保留的I/O模塊越多，系統允許的喚醒中斷源也就越多。單片機的功耗將根據保留喚醒方式的不同，降至1μA至幾十μA之間。例如，用戶可以保留外部鍵盤中斷，保留異步串行口（SCI）接收數據中斷等來喚醒CPU。保留的喚醒方式越多，系統耗電也就會多壹些。其他可能的喚醒方式還有實時鐘喚醒、看門狗喚醒等。停機狀態較淺的情況下，外部晶振電路還是工作的。
圖1以Freescale的HCS08單片機為例，給出不同運行模式下的系統功耗。HCS08是8位單片機，有多個系列，各系列I/O模塊數目有所不同，但低功耗模式下的電流消耗大致相同。
圖1HCS08單片機各模式下的耗電
以R系列單片機為例：在室溫（25℃）下，不包括I/O口的負載，以2 V供電，將可編程鎖相環時鐘設為16 MHz（總線時鐘8 MHz），典型電流值為2.6 mA，當溫度升高到85℃時，供電電流也升高到3.6 mA；而采用3 V供電，這壹組數據升高至3.8 mA和4.8 mA。用2 V供電，直接使用外部晶振2 MHz（總線時鐘1 MHz）時，典型運行電流降至450 μA。在等待狀態下，因時鐘並沒有停止，耗電情況和時鐘頻率有很大關系，節省的功耗有限；而進入輕度停止（stop3），以外部中斷喚醒，電流消耗在0. 5 μA左右。在中度停止態（stop2），功耗可進壹步降低。使用內部1 kHz的時鐘，保持1個運行的時鐘，周期性喚醒CPU，所增加的電流約為0.3 μA。在深度停止態（stop1），RAM的數據也不再保留，只能通過外部復位重啟系統，此時的電流消耗可降到20 nA。以上數據都是在室溫下測量所得。當環境溫度升高到85℃時，電流消耗可能增加3～5倍。
1.4選擇合適的時鐘方案
時鐘的選擇對於系統功耗相當敏感，設計者需要註意兩個方面的問題：
第壹是系統總線頻率應當盡量低。單片機內部的總電流消耗可分為兩部分——運行電流和漏電流。理想的CMOS開關電路，在保持輸出狀態不變時，是不消耗功率的。例如，典型的CMOS反相器電路，如圖2所示，當輸入端為零時，輸出端為1，P晶體管導通，N晶體管截止，沒有電流流過。而實際上，由於N晶體管存在壹定漏電流，且隨集成度提高，管基越薄，漏電流會加大。溫度升高，CMOS翻轉閾電壓會降低，而漏電流則隨環境溫度的增高變大。在單片機運行時，開關電路不斷由“1”變“0”、由“0”變“1”，消耗的功率是由單片機運行引起的，我們稱之為“運行電流”。如圖2所示，在兩只晶體管互相變換導通、截止狀態時，由於兩只管子的開關延遲時間不可能完全壹致，在某壹瞬間會有兩只管子同時導通的情況，此時電源到地之間會有壹個瞬間較大的電流，這是單片機運行電流的主要來源。可以看出，運行電流幾乎是和單片機的時鐘頻率成正比的，因此盡量降低系統時鐘的運行頻率可以有效地降低系統功耗。
圖2典型的CMOS反相器
第二是時鐘方案，也就是是否使用鎖相環、使用外部晶振還是內部晶振等問題。新壹代的單片機，如飛思卡爾的HCS08系列單片機，片內帶有內部晶振，可以直接作為時鐘源。使用片內晶振的優點是可以省掉片外晶振，降低系統的硬件成本；缺點是片內晶振的精度不高（誤差壹般在25%左右，即使校準之後也可能有2%的相對誤差），而且會增加系統的功耗。
現代單片機普遍采用鎖相環技術，使單片機的時鐘頻率可由程序控制。鎖相環允許用戶在片外使用頻率較低的晶振，可以很大地減小板級噪聲；而且，由於時鐘頻率可由程序控制，系統時鐘可以在壹個很寬的範圍內調整，總線頻率往往能升得很高。但是，使用鎖相環也會帶來額外的功率消耗。
單就時鐘方案來講，使用外部晶振且不使用鎖相環是功率消耗最小的壹種。
2 應用軟件方面的考慮
之所以使用“應用軟件”的說法，是為了區分於“系統軟件”或者“實時操作系統”。軟件對於壹個低功耗系統的重要性常常被人們忽略。壹個重要的原因是，軟件上的缺陷並不像硬件那樣容易發現，同時也沒有壹個嚴格的標準來判斷壹個軟件的低功耗特性。盡管如此，設計者仍需盡量將應用的低功耗特性反映在軟件中，以避免那些“看不見”的功耗損失。
2.1 用“中斷”代替“查詢”
壹個程序使用中斷方式還是查詢方式對於壹些簡單的應用並不那麽重要，但在其低功耗特性上卻相去甚遠。使用中斷方式，CPU可以什麽都不做，甚至可以進入等待模式或停止模式；而查詢方式下，CPU必須不停地訪問I/O寄存器，這會帶來很多額外的功耗。
2.2 用“宏”代替“子程序”
程序員必須清楚，讀RAM會比讀Flash帶來更大的功耗。正是因為如此，低功耗性能突出的ARM在CPU設計上僅允許壹次子程序調用。因為CPU進入子程序時，會首先將當前CPU寄存器推入堆棧（RAM），在離開時又將CPU寄存器彈出堆棧，這樣至少帶來兩次對RAM的操作。因此，程序員可以考慮用宏定義來代替子程序調用。對於程序員，調用壹個子程序還是壹個宏在程序寫法上並沒有什麽不同，但宏會在編譯時展開，CPU只是順序執行指令，避免了調用子程序。唯壹的問題似乎是代碼量的增加。目前，單片機的片內Flash越來越大，對於壹些不在乎程序代碼量大壹些的應用，這種做法無疑會降低系統的功耗。
2.3 盡量減少CPU的運算量
減少CPU運算的工作可以從很多方面入手：將壹些運算的結果預先算好，放在Flash中，用查表的方法替代實時的計算，減少CPU的運算工作量，可以有效地降低CPU的功耗（很多單片機都有快速有效的查表指令和尋址方式，用以優化查表算法）；不可避免的實時計算，算到精度夠了就結束，避免“過度”的計算；盡量使用短的數據類型，例如，盡量使用字符型的8位數據替代16位的整型數據，盡量使用分數運算而避免浮點數運算等。
2.4 讓I/O模塊間歇運行
不用的I/O模塊或間歇使用的I/O模塊要及時關掉，以節省電能。RS232的驅動需要相當的功率，可以用單片機的壹個I/O引腳來控制，在不需要通信時，將驅動關掉。不用的I/O引腳要設置成輸出或設置成輸入，用上拉電阻拉高。因為如果引腳沒有初始化，可能會增大單片機的漏電流。特別要註意有些簡單封裝的單片機沒有把個別I/O引腳引出來，對這些看不見的I/O引腳也不應忘記初始化。
3 結論
壹個成功的低功耗設計應該是硬件設計和軟件設計的結合。從硬件設計開始，就應該充分意識到壹個低功耗應用的特性，選擇壹款合適的單片機，通過對其特性的了解，設計系統方案；在軟件設計上，要考慮到低功耗編程的特殊性，並盡量使用單片機的低功耗模式。
限於篇幅，僅僅討論了低功耗設計中的壹些常見問題，更多的問題只能靠設計者去實際分析和解決了。
參考文獻
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（收稿日期：2005-09-26）
2006.3.23 14:39作者:森
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LRE技術在數據通信組網中的應用
分類:技術文摘
/ART_8800014533_400010_500006_TS.HTM
LRE技術在數據通信組網中的應用
LRE技術簡介
長距離以太網(LRE) 是Analogix自主創新的壹項以太網革新技術。該技術在保證傳輸速率的前提下，將傳統以太網的最大傳輸距離由標準的100米提高到1000米 (10M)或者300米(100M)。ANX58xx系列芯片是Analogix推出的長距離以太網PHY或者Converter，芯片全面兼容 IEEE802.3以太網標準，可以作為常規的10Base-T，100Base-TX和100Base-FX的以太網PHY使用；同時，芯片在完全兼容 IEEE802.3標準自協商協議的基礎上，擴充了長距離模式，使以太網的傳輸距離突破了1000米，傳輸介質可適用於5類線、3類線、市話音頻電纜等。 LRE芯片與普通PHY相比，具有傳輸距離長，抗幹擾能力強等明顯的優點，具有更廣泛的應用。本文將重點描述LRE技術在數據通信領域的各種應用。
LRE技術在“最後壹公裏”接入中的應用
寬帶用戶的迅猛發展，主要得益於以太網技術的廣泛應用和網絡設備成本的不斷降低，以太網交換設備的應用已不僅僅局限在“局域網”，在“城域網”領域也得到規模應用。目前以太網已經成為企事業用戶的主導接入方式，全球企事業用戶的80％以上都采用以太網接入技術。在“最後壹公裏”接入技術中，以太網技術通常應用在居民小區、高檔住宅樓和商業大廈，采用FTTx+LAN的接入方式，即將光纖建設到小區或大樓，再通過快速以太網連接到用戶。用戶側的接入設備(如以太網交換機，寬窄帶綜合接入設備等)壹般位於小區或商業大樓內，向用戶提供業務接口，實現寬帶的接入。
在小區內或者商業區內，如何將光纖接入點與住宅和樓宇連接起來，是網絡提供商非常關註的部分，因為這個區域的網絡布局，布線拓撲結構，設備選型直接影響到整個網絡運行的性能和成本以及項目的布線施工等。通常這個區域在網絡規劃時是以接入點為中心，盡量將網絡連接的距離設計到100米內，以減少網絡中光纖互連的數量。重要原因是：傳統的銅線以太網標準傳輸有壹個最大距離限制100米。LRE技術可以大大延長這個距離，最大程度上取代小區或者商業區內之間互連的光纖，從而在大大降低了網絡系統的投資和施工周期，為網絡提供商提供性價比很高的組網方案。圖1主要說明了LRE在“最後壹公裏”接入中的應用。
據統計，95％的小區住宅樓之間或樓宇之間的網絡互連距離在200米內，98％的樓道之間或樓宇單元之間的網絡互連距離在100米之內。也就是說95％的小區住宅之間或樓宇之間的光纖可以由5類銅線替代。圖2是某小區接入的網絡拓撲圖實例。圖中的連線和數字表示的是小區內住宅樓之間以及樓道之間的連接方式以及距離。紅線代表超過100米的5類線纜布線部分，采用4對5類雙絞線，白線代表100米內的5類線纜布線部分，采用25對5類雙絞線。綜合節約的設備成本，布線施工成本，整個項目節省總費用的30％以上。
LRE技術在樓宇寬帶接入中的應用
通常在商業樓宇中，以太網接入是首選方式。對於比較高的樓宇，網絡連接距離超過100米時，則必須使用Switch/Repeater等設備延長。LRE可以應用於類似布線的樓宇內，以減少多級Repeat，簡化網絡結構，減少故障點，降低成本，同時大大提高網絡的可靠性(圖3)。
LER技術在綜合接入中的應用
IAD (Integrated Access Device，綜合接入設備)在軟交換體系中位於接入層，其主要功能是將各種網絡終端統壹接入，能同時提供話音、數據、多媒體等多種業務的綜合接入功能。網絡終端與IAD接口業務中，通常支持POTS，ISDN，DDN等窄帶業務和ADSL， VDSL，SHDSL，以太網等寬帶業務。其中寬帶業務中以太網接入雖然擁有接口通用，高寬帶等眾多優點，但由於銅線傳輸距離的約束，這種方式沒有像 xDSL等接入方式那樣廣泛地使用。LRE技術的采用，可以大大延長以太網的傳輸距離，簡化網絡結構，拓廣IAD接入的範圍。LRE技術可以極大地簡化綜合接入的布線，可以將PSTN等窄帶業務與以太網寬帶業務捆綁在壹起，只通過壹根5類線，完成範圍在1000米範圍內的語音和10M帶寬的綜合接入。圖4 是LRE在綜合接入應用網絡示意圖。
AT89C52的智能無線安防報警器
分類:技術文摘
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AT89C52的智能無線安防報警器
摘 要： 以MCS-51系列單片機AT89C52為核心，結合外圍無線編碼接收電路、DTMF發送接收電路、數字語音錄放電路、通話電路，以及其他的外圍輔助電路，構成了壹款高性能的智能無線安防報警器。配合各種無線傳感器，可實現防盜、防火等安防功能。它能智能地區分各種警情、自動數字語音電話報警，可接收遠端的電話遙控指令，有大功率繼電輸出口。
關鍵詞： 安防；報警器；AT89C52；電話報警
引言
現在安防報警系統越來越受到人們的重視，人們對報警器功能和性能方面的要求也越來越高。本文提出壹種基於AT89C52的智能無線安防報警器：
·能與標準保安探頭進行無線連接，實現大範圍安防監控，並可隨意擴展。
·多防區功能。能夠區分各種警情，並能夠用語音播出警情類別。
·自動電話報警，向遠方用戶提供警情語音和現場聲響，並接收用戶指令進行相應操作。
·多功能自由切換，低誤報率，高可靠性。
·使用方便，有較高的性價比。
本報警器串接在外線和用戶的普通電話機中間。報警號碼的輸入、報警語音的錄制、無線傳感器的錄入及其他主機參數的設定都是通過電話機完成，平時不影響電話機的工作，用戶用遙控器對主機進行布防或撤防。當主機接收到來自無線探頭發過來的編碼信號時，主機將編碼與原來存入的編碼進行對照，並查詢系統參數，決定是否報警和采取何種方式報警。它可以自動撥出用戶設置的報警電話，通過語音告知警情，用戶可監聽現場聲響，還可通過電話指令啟動警號和其他執行機構(如防煤氣泄露，可啟動排風扇)，並決定主機進入布防還是撤防狀態。用戶還可以主動從異地打電話到主機，對主機布防或撤防。