80C51便攜式產(chǎn)品中的低功耗設計

摘要：通過一個使用鈕扣電池的PDA產(chǎn)品的設計實踐，介紹80C51系列單片機的低功耗設計理論、原理和使用電池的便攜式產(chǎn)品的低功耗設計方法及技巧。

前言

80C51單片機由于功能全面、開發(fā)工具較為完善、衍生產(chǎn)品豐富、大量的設計資源可以繼承和共享，得到廣泛的應用。我們設計的一款手持線PDA產(chǎn)品，也選擇80C51單片機作為主、輔CPU，還具備點陣液晶顯示屏、導電橡膠鍵盤、雙IC卡接口、EEPROM存儲器、實時時鐘和串行通信口。由于使用80C51單片機開發(fā)，高級語言編程，大大降低了設計的技術風險，產(chǎn)品在較短的時間內(nèi)就推向了市場。

但是，同一些低速的微控制器（如4位單片機）和高速的RISC處理器相比，80C51單片機在功耗上沒有優(yōu)勢。為了在PDA類產(chǎn)品中發(fā)揮80C51單片機的上述特長，我們通過采取軟、硬件配合的一系列措施，加強低電壓、低功耗設計，取得了良好的效果。該機使用一顆3V鈕扣式鋰電池，開機時工作電池小于4mA，瞬間最大工作電流小于20mA,瞬間最大工作電流小于20mA，關機電流小于2μA。一顆電池可以使用較長的時間，達到滿意的設計指標。

一、低電壓低功耗設計理論

在一個器件中，功耗通常用電流消耗來表示。下式表明消耗的電池與器件特性之間的關系：

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載的大��；f是器件運行頻率。

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)部晶體管開關和內(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、電壓和頻率測試值下計算出來；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是每個引腳的負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，每個總線周期所花費的機器周期數(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，但程序存儲器空間只有2KB或4KB；臺灣華邦公司W(wǎng)78LE和W77LE系列，有8～64KB程序空間和普通/高速多種型號可以選擇。選擇合適的CPU還有與后介紹的各項低功耗設計技術的使用有關，與軟件規(guī)劃和正確編程有關。

在開發(fā)過程中，我們經(jīng)過試用和比較，發(fā)現(xiàn)適合PDA類產(chǎn)品應用、性能價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)設計，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)應用程序存儲器，非常適合于較大的程序和高級語言編程；

·4KB片內(nèi)引導程序存儲器，用于實現(xiàn)應用程序的在線編程；

·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，保護開發(fā)者的知識產(chǎn)權和勞動成果。

三、晶振頻率是決定功耗的基本環(huán)節(jié)

在5V電壓下運行于12MHz的80C51，工作電流達到十幾mA，無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格的線性關系，空閑、掉電模式的電流也有類似的線性關系。因此，盡可能地降低晶振頻率能夠有效地降低整機電流；但是，降低晶振頻率往往會受到系統(tǒng)運行速度的制約，需要綜合考慮各部分的工作速度和整機信息算是的速度，選擇一個合適的最小晶振頻率。例如，128X64點陣液晶采用并行總線訪問時，整屏漢字顯示刷新需要80C51單片機2MHz的時鐘頻率才不會感覺響應遲鈍；如果采用串行方式，顯示還會更慢；串行EEPROM是串行訪問數(shù)據(jù)的，還有起始停止位、地址選擇、應答位等開銷，讀寫時間較長；復雜算法對系統(tǒng)運行速度也有較高要求。考慮到串行通信波特率精確計算，我們最終確定晶振頻率為3.686MHz，最大通信波特率可達到19200bps。在這一時鐘頻率下，78LE516的運行電流大約為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。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

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