《单片机原理及应用》第十一章低功耗单片机系统的设计.ppt

* 第11章 低功耗单片机系统的设计 许多现代电子设备，如家用电器、视频音像系统中，普遍采用遥控操作，在不使用时，大都处于待机状况下。据有关部门统计，目前，许多家用电器在备用状态下耗费的电量已超过实际使用中消耗的电量。据报道，美国家用电器每年在备用状态下浪费的能源达10亿美元。采用低功耗设计不仅能减少使用中的功耗，而且可以大大减少备用状态下的功耗。许多低功耗设计大多采用最大静态化设计，在节省能源的同时，也减少电磁污染。 低功耗设计技术有利于电子系统向便携化发展。便携式电脑、笔记本电脑便是低功耗系统设计的成果。现代电子系统便携化拓宽了它的应用领域。 低功耗系统设计不可避免要走全CMOS化道路和功耗管理的道路。在数字电路中，CMOS电路有较大的噪声容限；在功耗管理中，常采用的休眠、掉电以及电源关闭等方式；在这些方式下，系统对外界噪声失敏，大大减少了系统因噪声干扰产生的出错概率。低功耗系统设计应该成为电子系统设计工程师的一项基本设计技能。 低功耗系统设计涉及方面很多，其中有硬件设计方面的内容，也有软件设计方面的内容。硬件设计主要是器件选择和电路设计，软件设计主要是根据系统的运行状况对系统中的器件进行功耗管理，包括CPU自身的功耗管理。 第11章 低功耗单片机系统的设计 11.1 低功耗单片机系统的特点 低功耗单片机系统由于应用在一些特定的场合，因而具有以下特点： 1．首先要求仪器体积小，重量轻，便于携带。现代微电子学的迅猛发展，各种电路的集成度越来越大，而且各种高效专用集成电路的大量问世，使仪器、仪表的电子元件的个数大大地减少，仪器的体积也就越来越小，重量越来越轻。 2．通常用于不适宜用交流供电的场合，各种电池（瓶）就成为它主要的供电手段。现代各种小体积高容量电池的涌现，各种高效率直流—直流电源变换器（DC—DC电源变换器）集成电路的出现，以及各种低压供电的集成电路的使用，采用电池供电的仪器仪表也就越来越多。 3．采用了低功耗电路设计方法，以低功耗为主要技术指标。它除了选用各种低功耗的器件和芯片外，在满足速度等指标的前提下，进行降低功耗的硬件电路设计和软件设计，以使单片机系统运行的功耗尽可能小。 4．采用LCD液晶显示器。系统只能采用微功耗的LCD液晶显示器。现在市场上各种面积的笔划式液晶显示器和点阵式字符或图形液晶显示器，可以满足各种智能仪器仪表的需要。 第11章 低功耗单片机系统的设计 11.2 低功耗单片机系统的器件选择 低功耗系统设计中，器件选择是基础。选择的器件不仅要求本质功耗低，而且具有良好的功耗控制功能。 早期CMOS电路由于运行速度慢，无法取代TTL电路。高速CMOS电路出现后，74HC、74AHC的基本性能已超过TTL电路，表11-1中列举了74HC、74AHC与74LS、74ALS集成电路的主要参数。从表中可以看出，高速CMOS器件的静态功耗比TTL器件的静态功耗要低6~7个数量级，CMOS器件的静态功耗几乎可以忽略不计；高速CMOS器件的动态功耗也只有TTL器件动态功耗的十分之一。表中74AHC是74HC的增强型；74ALS是74LS的增强型。选择CMOS数字逻辑器件不仅能满足本质低功耗及功耗管理要求，而且还可提高系统的抗干扰能力，并且良好的输出驱动能力和微小的输入驱动电流，使系统的驱动设计变得十分简单。 表11-1 74HC×××与74LS×××的主要特性比较 第11章 低功耗单片机系统的设计 目前单片机已普遍采用高速CMOS工艺，应用系统设计时，不再选用非高速CMOS单片机。在设计低功耗单片机系统时，主要考虑单片机的本质功耗与功耗管理性能；单片机的外围器件也要考虑其功耗与功耗管理性能，一般采用高速CMOS工艺的外围器件。 目前低功耗的单片机有INTEL公司的80C31/80C51/87C51 八位单片机，80C196十六位单片机；PHILIPS公司的80C51衍生系列八位单片机；MOTOROLA公司的MC68HC05系列八位单片机及MC68HC11系列八位单片微机；NS公司的COP4000系列四位单片机；COP8000系列八位单片机；HPC系列十六位单片机；MI-CROSHIP公司的PIC系列八位单片机；TI公司的MSP430系列十六位单片机以及MSP430FLx子系列十六位单片机。 常用的低功耗外围器件有74HC、74AHC、4000系列，以及HCMOS的存储器和带C标的接口电路，HCMOS的存储器包括ROM芯片2