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电池供电单片机的低功耗设计


电池供电单片机的低功耗设计
张 亮 许建明
湖南 邵阳 422000) (邵阳学院 信息工程系

摘 要: 电池是日常生活和工作实践中重要的要素,对于电池供电系统中最重要的供电单片机如何降低能耗进行分析,对于电池供电单片机低功耗设计的成 就是一种肯定,更是为其发展打下基础,对于环保节能可持续发展的落实至关重要。 关键词: 单片机;系统;低功耗;电池 中图分类号:TN379 文献标识码:A 文章编号:1671-7597(2011)0410068-01

当前所利用的能源中,电力是很重要的组成部分。随着社会经济的进 步,人们的物质生活水平得到很大提高,对生活质量的要求使得方便快捷 的家用电器不断的深入日常生活,其中许多产品都需要电池提供电能行使 其职能。据统计,仅我国每年1400家电池专门产业的生产量已经达到 140亿只,占世界总水平的百分之四十八。巨大的电池使用量暴露出了极 大的问题,电池中所含重金属以及废弃酸碱等电解质类溶液的危害随电池 功耗而增加。可见,设计低功耗的电池供电单片机势在必行对节能环保可 持续发展至关重要。本文将首先从分析单片机整机系统功耗的影响因素入 手,阐述电池单片机低功耗设计的原理以及未来低功耗设计深入电池单片 机实现可持续发展的长远目标。 1 单片机系统耗能因素分析 单片机系统采用嵌入式模式,包括软硬件两方面的因素影响其功耗, 要达到降低单片机系统功耗的目的,必须兼顾软硬件因素的分析。从充分 的分析单片机电路设计上的关键步骤以及元器件选择上的各种可能入手, 设定适当的电路结构规划设计以及对店员功耗影响较大的元器件的合理选 择,并科学的确定单片机整体的合理工作模式,对于降低单片机系统功耗 关系重大。 有效地分析这些复杂这些复杂因素,必须以相同的供电条件为基础, 分析影响单片机系统功耗高低的重要因素。首先,必须考虑单片机本身的功 能消耗量,这是单片机整个系统最基础的组成部分。第二,重要原配件部 分,主要包括液晶显示功能消耗和存储器功能消耗两部分,同时存储器部分 也是影响单片机能耗的最关键因素。第三,相关外围设备的耗能,包括数字 电路以及模拟电路,这是可以人为控制的最简单直接也最复杂的环节。第 四,单片机整体的详细分析数据,包括对整机所需要的供电电压的宽度、系 统的详细工作效率、精简部分在电路中的工作模式以及整体系统中开关量的 详细数据,。单片机整机是一个非常精小细致的部分,在电池中尤其如此, 必须保证所有数据的精准明确,才能真正的做好低耗能设计。 2 电池单片机低耗能设计的原理分析 2.1 通过元器件选择设计低功耗单片机。 随着科学技术水平的不断进 步,各种不同规模的低耗能单片机不断的研发出来。一般来说,这些低耗 能单片机具备一定的共同特性,比如工作电压和频率都控制在很低的范 围,并且设计单片机空闲时段的休眠功能,这样达到低功耗的设计目的。 但是,在最低工作电压和频率的情况下,由于存在诸多因素,比如使最小 额工作效率不能进一步降低,而形成技术瓶颈。这些因素主要包括串行通 讯和计数器的测量频率、单片机实施监控和运行的时间以及外部电路是时 间序列。在目前的RC系统震荡电路中我们可以通过工作区段的划分实现 单片机工作效率的变换,在对频率要求较高的区段,以减小电池阻力的形 式达到提高电池单片机工作效率的目的,而对效率数值要求较低的区段, 加大电阻达到目的,这样的方式简单有效。 另一方面,对于不经常处于工作状态的元器件部分,最关键的是对影 响能耗程度的液晶显示器和存储器设备进行有效管理,保证其在非工作状 态下断点,在断开电路的时段减小能耗,也是很有效的办法。同时,在这 些部件的选择上,多选择工作时要求电压低的部件可以有效的降低功耗。 外围部分的电路器件尽量的降低输出功耗的时间,形成低电平输出模式, 就可以使得器功耗大大低于电平输出较高时段的消耗。所以,在进行电路 设计的时候,必须认真分析各器件处于低电平输出模式的时间长度,精确

其详细数据,对WR、RD等高电平信号再设计电路时,尽量做到规划其 最短的有效运行时间但不是忽略其重要作用,保证输出部分不是处于长时 间的低电平而不是断电模式,控制单片机的整体功耗。必须保证与门和或 门部分输入端是高电平模式,而输出端也是时间严密的高电平,而多余的 部分属于“非门”系列,必须保证输入端为低电平而输出端与之相反。这 样就可以在情况允许的情况下,选择电流漏较小的元器件加大有效上拉电 阻值,达到低能耗设计的目的。 2.2 控制整体电路工作模式绝对降低单片机整机功耗。 元器件的选择 必然有利于降低能耗,但同时,更重要的影响部分在于工作模式下电路的 整体功耗对单片机整体额功耗影响才是最关键的环节。电路的功耗分为动 态和静态两种:动态功耗是指电路处于工作模式下出现的一定功耗,主要 因开关和短路的功耗引起,这两部分通过对用电器件的功能管理可以降低 主要动态耗能。而处于非工作状态的电路则形成静态功耗,由所有元器件 的内部诸如短路漏电等形成。有效地控制静动态状况下的能耗形成原因, 就可以达到降低功耗的目的。在这方面,目前比较有效的方法是设定合适 的时钟方案,通过控制镜相环以及外部晶振的工作状态来形成时钟源,达 到有效的降低系统总线路功耗的目的。 2.3 通过应用软件避免不必要的功耗。软件程序的设定对于单片机的 影响是无形却巨大的,合理的使用软件,用中断工作代替查询等待,将子程 序规划到宏,减小CPU运算,并且使模块可以间歇运行这类的软件方法, 对降低单片机的功耗效用很好。在电池单片机中,复杂的软件应用主要在于 设计部分,而只要一次精准的软件设计就可以达到所有生产的电池的低功 耗,是最有效而长久的方法,但是,这对技术水平的要求也相当高。 3 电池单片机低功耗设计的实现 对于电池的供电单片机而言,静态功耗较多,所以从这点切入,有效 控制电池内部的短路或漏电,减小静态功耗,就可以达到降低单片机能耗的 目的保证电池寿命延长,附和当前节约资源环保可持续发展的理念。鉴于电 池单片机的静态电流形成因素较多,包括未曾完全关断或者连通状态的电阻 及内部晶管和电池内部上下拉动电阻的状态。所以,要实现电池单片机的低 功耗设计,必须考虑这些因素。设计上,应该尽量避免上下拉电阻不必要的 使用,尽量使元器件维系在恒定电流模式,并设计电机的休眠功能。同时可 以在条件允许的前提下断开电压,降低能耗。只要合理的设计减小静态功 耗,实现电池单片机的低功耗设计是可行的。这不仅是电池寿命的延长,更 是从根本上改善电池消耗量大的关键,从而实现电池污染的减小,电能消耗 的降低,附和节能减排的可持续发展理念,必须给予重视。

参考文献: [1]田志华,电池供电单片机的低功耗设计[J].技术交流,2006.10. [2]詹林,单片机原理与应用[M].高教出版社,2008.4. [3]陈萌萌,单片机系统的低功耗设计策略[D].清华大学,2006.3. [4]丁 艳 双 , 单 片 机 应 用 系 统 的 低 功 耗 设 计 [R].中 国 新 技 术 新 产 品 , 2009.7.24. 作者简介: 张亮(1988-),邵阳学院电子科学与技术专业学生;许建明(1977-), 硕士研究生,邵阳学院信息工程系教师。

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