基于单片机的嵌入式系统的低功耗设计问题.pdfVIP

第27卷第4期 海南大学学报自然科学版 V01．27No．4 NATURALSCIENCE OFHAINANUNIVERSITY Dec．2009 2009年12月 JOURNAL 文章编号：1004—1729(2009)04—0382—04 基于单片机的嵌入式系统的低功耗设计问题 董 艺 (安徽电子信息职业技术学院信息系，安徽蚌埠233030) 摘要：对嵌入式系统实现低功耗的理论基础进行了分析，并提出了在低功耗系统设计的硬件和软件方面 可以采取的措施． 关键词：低功耗；嵌入式系统；单片机 316 A 中图分类号：1P 文献标志码i 以单片机为核心的嵌入式系统有时需要在供电困难的环境中使用，比如野外、井下、空中等；此外，对 于一些小型的便携式仪器仪表也需要用电池供电．因此，在这些场合工作的嵌入式系统如何实现低功耗 设计就显得尤为重要，以下就对该问题做详细的探讨． 1 嵌入式系统实现低功耗的理论基础分析 低功耗嵌入式系统之所以比普通嵌入式系统的功耗低，CMOS器件的使用起到了关键性的作用，因 此，有必要先分析一下CMOS数字集成电路的部分特点． 1．1 功耗很低CMOS电路工作时的全部功耗为动态功耗和静态功耗两部分之和…．动态功耗不仅取决 于负载，而且就电路内部而言，它与电源电压、集成度、输出电平以及工作频率都有密切联系．CHMOS或 F·c。·％．式中，P。为动态功耗，P为总功耗，P。为静态功耗；P。为瞬时导通功耗；P，为输出电容充放电 功耗；％为工作电源电压；匕为静态时由电源流向电路内部的电流；t。为脉冲电流的时间平均值；F为输 入脉冲重复频率；C，为电路输出端的负载电容．式(1)为总功耗表达式；式(2)为总的静态功耗表达式，其 中，静态功耗电流值匕常用于评价电路的静态功耗大小，它以电路中流经各PN结的反向漏电流为主。而 且它与电源电压％有关，随着％的增大，匕亦增大；式(3)为总的动态功耗表达式．动态功耗体现了电路 进行逻辑状态转换过程中内部消耗的功率．对CMOS电路来说，动态功耗反映了输入信号出现变化时所 形成的功耗增量．动态功耗表现在以下两方面：第一是瞬时导通功耗，即在信号状态转换过程中，某一回 路的P沟道和N沟道晶体管同时导通，由电源流经2个导通沟道的 y { { 电流所消耗的功率．当输入脉冲电压的幅度大于PMOS和NMOS两十。 } { 矿 ／ 。 个开启电压的绝对值之和时，将在上升沿和下降沿产生瞬时导通功 ? ＼ 耗，如图1所示．图1中，假设2个MOS晶体管的开启电压分别为 八 八 K。和k，并且满足％E。+I％I的关系，输入电压由逻辑低电平 过渡到逻辑高电平，在t，至t：期间，既满足KK。，也满足(屹一 K)I％l的条件，那么从％到圪之间有瞬时导通电流气流过，而 这些瞬时导通电流在整个信号周期内的过渡过程时间的平均值形 收稿日期：2009—10—31 作者简介：董艺(1979一)，男，安徽蚌埠人，安徽电子信息职业技术学院信息系讲师． 万方数据 第4期 董艺：基于单片机的嵌入式系统的低功耗设计问题 383 成乞，从而有：(4)巳=％·屯．由此可见，P。随着电源电压％或脉冲频率F的增加而增加，并且与脉冲 电流的波形有关，如果电流波形峰值大，过渡过程中导通持续时间长，则P。增大．影响电流脉冲波形形状 的因素比较多，例如，输入电压K跳变过程较慢，则脉冲电