中國電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所 陳曉棠

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，在人們生活各個(gè)領(lǐng)域中被廣泛的應(yīng)用，單片機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)上研發(fā)的設(shè)備也被廣泛應(yīng)用，一定程度對單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jī)套件在單片機(jī)設(shè)計(jì)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(jī)系統(tǒng)上，對低功耗單片機(jī)進(jìn)行分析，闡述了單片機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上，從硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩方面對單片機(jī)創(chuàng)新套件進(jìn)行探討，明確單片機(jī)低能耗使用方案，促使單片機(jī)運(yùn)行效率得以提升，促使企業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

1 單片機(jī)低功耗技術(shù)的分析

1.1 單片機(jī)的集成度

目前，在芯片設(shè)計(jì)的過程中，高集成度設(shè)計(jì)理念應(yīng)用比較普遍，高集成度設(shè)計(jì)可以促使系統(tǒng)外圍電路設(shè)計(jì)不斷改進(jìn)，進(jìn)而起到降低單片機(jī)系統(tǒng)耗能的作用。這種芯片設(shè)計(jì)方案，在單片機(jī)實(shí)際使用中，起到優(yōu)化芯片功耗性能，為此，在開展單機(jī)片設(shè)計(jì)活動(dòng)時(shí)，可以充分考慮應(yīng)用高集成度設(shè)計(jì)理念嗎，以此實(shí)現(xiàn)低功耗的設(shè)計(jì)目的。

1.2 擴(kuò)寬電源電壓實(shí)際范圍

在對單片機(jī)進(jìn)行制作的過程中，可以選擇比較先進(jìn)的工藝進(jìn)行加工，促使單片機(jī)工作電源電壓更加寬廣，進(jìn)而促使單片機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。實(shí)際中，如果單片機(jī)電源電壓可以在一定范圍內(nèi)進(jìn)行擴(kuò)寬，那么在其他領(lǐng)域也可以實(shí)現(xiàn)擴(kuò)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(yùn)行電源，解決了電池放點(diǎn)效應(yīng)的問題，并且不需要為了穩(wěn)定電壓進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)，提高降低功耗效果。

1.3 可以同時(shí)配置高低速時(shí)鐘

單片機(jī)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(huì)逐漸增加，為了實(shí)現(xiàn)低功耗的目的，在單片機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部可以配置高速主時(shí)鐘、低速副時(shí)鐘兩個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)，在這種情況下，人們就可以根據(jù)實(shí)際需求適當(dāng)降低CPU主時(shí)鐘系統(tǒng)工作頻率，進(jìn)而降低功耗。在單片機(jī)工作時(shí)間比較空閑的時(shí)候，單片機(jī)工作狀態(tài)會(huì)進(jìn)入低速模式。要想切實(shí)實(shí)現(xiàn)低功耗目的，可以通過對寄存器進(jìn)行賦值，以此調(diào)整時(shí)鐘頻率，也可以通過調(diào)整主、副時(shí)鐘方式來實(shí)現(xiàn)低功耗的目的。

1.4 合理使用系統(tǒng)內(nèi)部定時(shí)器

一般來講，NEC單片機(jī)內(nèi)部都會(huì)設(shè)置時(shí)鐘定時(shí)器，這個(gè)定時(shí)器中斷時(shí)間為0.5s/次，采取這種方式進(jìn)行設(shè)置的目的在于單片機(jī)系統(tǒng)在休眠狀態(tài)下也可以將定時(shí)喚醒功能發(fā)揮出來，能夠?yàn)樾枰獞?yīng)用在線計(jì)時(shí)、且處于間歇模式下的單片機(jī)提供更為環(huán)保的節(jié)能方式。具體來講：若CPU運(yùn)行狀態(tài)處于休眠模式，單片機(jī)運(yùn)行狀態(tài)就會(huì)轉(zhuǎn)為STOP模式，以此起到減少電源功率消耗的目的，待時(shí)鐘處于中斷模式下，CPU即轉(zhuǎn)為運(yùn)行模式。

2 單片機(jī)系統(tǒng)低功耗套件設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

在進(jìn)行單片機(jī)低功耗的設(shè)計(jì)過程中，硬件系統(tǒng)是一項(xiàng)重要的組成部分，如圖1所示是單片機(jī)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(jì)方案如下：第一，設(shè)計(jì)供電電壓和調(diào)整時(shí)鐘頻率過程中，若MCU是由多個(gè)CMOS門電路共用組成的，就需要對其進(jìn)行深入分析，計(jì)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(dòng)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(shí)鐘頻率增加的時(shí)候功耗也會(huì)不斷增加。第二，在設(shè)計(jì)I/O時(shí)，應(yīng)當(dāng)在系統(tǒng)默認(rèn)的基礎(chǔ)上，將系統(tǒng)I/O的端口狀態(tài)設(shè)計(jì)成輸入模式，以此避免MSP43FR系統(tǒng)上拉口和下拉口處于運(yùn)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(jì)硬件的過程中，相關(guān)工作人員應(yīng)當(dāng)根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際使用情況以及生產(chǎn)需求，對I/O口進(jìn)行科學(xué)合理的設(shè)計(jì)，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(qiáng)硬件各參數(shù)的運(yùn)行效果。第三，在設(shè)計(jì)顯示屏驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，為了有效保障電路系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、可靠的運(yùn)行，就需要協(xié)調(diào)運(yùn)行驅(qū)動(dòng)電路，MSP430FR系統(tǒng)中LED點(diǎn)陣顯示屏構(gòu)成一般是由多個(gè)88點(diǎn)陣組成，在設(shè)計(jì)陰極電路時(shí)，遵循從上之下的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)其循環(huán)掃描的目的，進(jìn)而確保MSP430FR系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。第四，系統(tǒng)外部設(shè)計(jì)，需要根據(jù)硬件設(shè)計(jì)的基本特點(diǎn)，深入分析單片機(jī)運(yùn)行設(shè)備，結(jié)合低功耗設(shè)備實(shí)際使用情況進(jìn)行分析，科學(xué)合理調(diào)整各種器件運(yùn)行功能，進(jìn)而保證設(shè)計(jì)方案的合理性、可靠性，進(jìn)而提升設(shè)備底功耗的效果。比如，在設(shè)計(jì)DMA模塊過程中，DMA模塊與系統(tǒng)硬件進(jìn)行結(jié)合時(shí)，其電流、能耗時(shí)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(jì)中應(yīng)用，能夠有效縮短能耗獲取的時(shí)間，進(jìn)而提升數(shù)據(jù)應(yīng)用在效率，提高CPU系統(tǒng)使用率。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)低功耗單片機(jī)時(shí)，除了硬件設(shè)計(jì)以外，軟件設(shè)計(jì)也是一項(xiàng)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(jìn)行設(shè)定來降低電流消耗，確保CPU運(yùn)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(jī)整體耗能，如圖2所示。

圖2 套件軟件框圖

在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)當(dāng)做到以下幾點(diǎn)要求：第一，ULP Advisor的分析，借助分析工具對代碼進(jìn)行分析，工作人員通過編寫代碼的方式來實(shí)現(xiàn)MSP430FR系統(tǒng)能耗整體性降低的目的，進(jìn)而提升電氣設(shè)備軟件使用的效果。第二，設(shè)計(jì)I/O運(yùn)行模式時(shí)，工作人員在開展設(shè)計(jì)工作時(shí)應(yīng)當(dāng)在電源關(guān)閉狀態(tài)下進(jìn)行，結(jié)合單片機(jī)實(shí)際運(yùn)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(shí)際工作情況對驅(qū)動(dòng)設(shè)備進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而提高軟件系統(tǒng)工作質(zhì)量和效率。第三，降低軟件CPU計(jì)算量，在對單片機(jī)進(jìn)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(diǎn)分析對象，實(shí)際設(shè)計(jì)中，工作人員應(yīng)當(dāng)將CUP計(jì)算量降低，并且促使Flash系統(tǒng)中與CPU計(jì)算結(jié)果充分融合，通過對查詢方式和軟件各種計(jì)算參數(shù)進(jìn)行明確的方法來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)低運(yùn)算量的目的，進(jìn)而為低能耗單片機(jī)使用提供支撐。第四，能量跟蹤功耗分析，設(shè)計(jì)工作人員應(yīng)當(dāng)結(jié)合單片機(jī)實(shí)際使用后情況和特點(diǎn)開展設(shè)計(jì)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(jìn)行調(diào)整，以此保證其測量的準(zhǔn)確度。這個(gè)過程中，應(yīng)當(dāng)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(shí)時(shí)分析單片機(jī)運(yùn)行能耗，利用log技術(shù)對分析信息進(jìn)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(jī)運(yùn)行提供保障。

結(jié)論：現(xiàn)階段，在單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，低功耗單片機(jī)的創(chuàng)新套件設(shè)計(jì)已經(jīng)成為了主要是研究方向，強(qiáng)低功耗單片機(jī)研究具有現(xiàn)實(shí)意義。為了促使單片機(jī)低能耗的效果最佳，設(shè)備從設(shè)計(jì)到維護(hù)都應(yīng)當(dāng)結(jié)合其運(yùn)行特點(diǎn)，通過硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)單片機(jī)系統(tǒng)低能耗的目的。在此基礎(chǔ)上制定單片機(jī)的創(chuàng)新套件設(shè)計(jì)方案，進(jìn)而提升生產(chǎn)效果，促使產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益得以提升。