低功耗單片機的創(chuàng)新套件設計

中國電子科技集團公司第四十七研究所 陳曉棠

隨著科學技術的不斷發(fā)展，在人們生活各個領域中被廣泛的應用，單片機系統基礎上研發(fā)的設備也被廣泛應用，一定程度對單片機系統設計創(chuàng)新提出了較高的要求，受到越來越多的人們關注。單片機套件在單片機設計中重要的組成部分，具有較高的兼顧性，其衍生出來的電子產品也具有一定的便攜性，備受歡迎。本文基于MSP430單片機系統上，對低功耗單片機進行分析，闡述了單片機系統運行特點，在此基礎上，從硬件設計和軟件設計兩方面對單片機創(chuàng)新套件進行探討，明確單片機低能耗使用方案，促使單片機運行效率得以提升，促使企業(yè)經濟發(fā)展。

1 單片機低功耗技術的分析

1.1 單片機的集成度

目前，在芯片設計的過程中，高集成度設計理念應用比較普遍，高集成度設計可以促使系統外圍電路設計不斷改進，進而起到降低單片機系統耗能的作用。這種芯片設計方案，在單片機實際使用中，起到優(yōu)化芯片功耗性能，為此，在開展單機片設計活動時，可以充分考慮應用高集成度設計理念嗎，以此實現低功耗的設計目的。

1.2 擴寬電源電壓實際范圍

在對單片機進行制作的過程中，可以選擇比較先進的工藝進行加工，促使單片機工作電源電壓更加寬廣，進而促使單片機穩(wěn)定運行。實際中，如果單片機電源電壓可以在一定范圍內進行擴寬，那么在其他領域也可以實現擴寬范圍的目的，特別是一些便攜式設備，在此理論基礎上，可以將電池作為設備運行電源，解決了電池放點效應的問題，并且不需要為了穩(wěn)定電壓進行單獨設計，提高降低功耗效果。

1.3 可以同時配置高低速時鐘

單片機系統工作中，若是增加工作頻率情況字，其需要的功耗也會逐漸增加，為了實現低功耗的目的，在單片機系統內部可以配置高速主時鐘、低速副時鐘兩個獨立系統，在這種情況下，人們就可以根據實際需求適當降低CPU主時鐘系統工作頻率，進而降低功耗。在單片機工作時間比較空閑的時候，單片機工作狀態(tài)會進入低速模式。要想切實實現低功耗目的，可以通過對寄存器進行賦值，以此調整時鐘頻率，也可以通過調整主、副時鐘方式來實現低功耗的目的。

1.4 合理使用系統內部定時器

一般來講，NEC單片機內部都會設置時鐘定時器，這個定時器中斷時間為0.5s/次，采取這種方式進行設置的目的在于單片機系統在休眠狀態(tài)下也可以將定時喚醒功能發(fā)揮出來，能夠為需要應用在線計時、且處于間歇模式下的單片機提供更為環(huán)保的節(jié)能方式。具體來講：若CPU運行狀態(tài)處于休眠模式，單片機運行狀態(tài)就會轉為STOP模式，以此起到減少電源功率消耗的目的，待時鐘處于中斷模式下，CPU即轉為運行模式。

2 單片機系統低功耗套件設計

2.1 硬件設計

在進行單片機低功耗的設計過程中，硬件系統是一項重要的組成部分，如圖1所示是單片機系統結構框架圖。

圖1 套件硬件框圖

通常情況下設計方案如下：第一，設計供電電壓和調整時鐘頻率過程中，若MCU是由多個CMOS門電路共用組成的，就需要對其進行深入分析，計算方式如下：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電流引發(fā)的。時鐘頻率增加的時候功耗也會不斷增加。第二，在設計I/O時，應當在系統默認的基礎上，將系統I/O的端口狀態(tài)設計成輸入模式，以此避免MSP43FR系統上拉口和下拉口處于運行狀態(tài)。在I/O口處于不穩(wěn)定狀態(tài)下，很容易產生寄生電流，為此，在設計硬件的過程中，相關工作人員應當根據系統的實際使用情況以及生產需求，對I/O口進行科學合理的設計，確保端口斷流平穩(wěn)基于此，防止寄生電流出現，以此加強硬件各參數的運行效果。第三，在設計顯示屏驅動系統時，為了有效保障電路系統能夠穩(wěn)定、可靠的運行，就需要協調運行驅動電路，MSP430FR系統中LED點陣顯示屏構成一般是由多個88點陣組成，在設計陰極電路時，遵循從上之下的原則進行設計，實現其循環(huán)掃描的目的，進而確保MSP430FR系統運行的穩(wěn)定性。第四，系統外部設計，需要根據硬件設計的基本特點，深入分析單片機運行設備，結合低功耗設備實際使用情況進行分析，科學合理調整各種器件運行功能，進而保證設計方案的合理性、可靠性，進而提升設備底功耗的效果。比如，在設計DMA模塊過程中，DMA模塊與系統硬件進行結合時，其電流、能耗時間、功耗數值分別是2.057mA、272.5μs、0.561mA/ms，由此可知，將DMA模塊在MSP 403 FR系統設計中應用，能夠有效縮短能耗獲取的時間，進而提升數據應用在效率，提高CPU系統使用率。

2.2 軟件設計

在設計低功耗單片機時，除了硬件設計以外，軟件設計也是一項重要組成部分，能夠從整體上有效降低設備CPU能耗，并且通過對工作系統進行設定來降低電流消耗，確保CPU運行狀態(tài)處于正常工作模式，以此避免系統出現休眠的情況，在此基礎上，降低單片機整體耗能，如圖2所示。

圖2 套件軟件框圖

在進行軟件設計過程中，應當做到以下幾點要求：第一，ULP Advisor的分析，借助分析工具對代碼進行分析，工作人員通過編寫代碼的方式來實現MSP430FR系統能耗整體性降低的目的，進而提升電氣設備軟件使用的效果。第二，設計I/O運行模式時，工作人員在開展設計工作時應當在電源關閉狀態(tài)下進行，結合單片機實際運行情況制定設備使用功率，有效掌控I/O模式工作狀態(tài)，以此保證系統通信方式，結合系統實際工作情況對驅動設備進行調整，進而提高軟件系統工作質量和效率。第三，降低軟件CPU計算量，在對單片機進行分析的基礎上，為了能夠有效的降低設備能耗，CPU的能耗就需要作為重點分析對象，實際設計中，工作人員應當將CUP計算量降低，并且促使Flash系統中與CPU計算結果充分融合，通過對查詢方式和軟件各種計算參數進行明確的方法來實現系統低運算量的目的，進而為低能耗單片機使用提供支撐。第四，能量跟蹤功耗分析，設計工作人員應當結合單片機實際使用后情況和特點開展設計工作，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行調整，以此保證其測量的準確度。這個過程中，應當重視軟件系統使用設備，可以通過Energy Trace軟件，基于Debug模式上，實時分析單片機運行能耗，利用log技術對分析信息進行展示，以此提升軟件信息使用效果。在系統使用中，可以通過設定優(yōu)化代碼的方式來降低系統能耗，為低功耗單片機運行提供保障。

結論：現階段，在單片機系統設計中，低功耗單片機的創(chuàng)新套件設計已經成為了主要是研究方向，強低功耗單片機研究具有現實意義。為了促使單片機低能耗的效果最佳，設備從設計到維護都應當結合其運行特點，通過硬件設計和軟件設計實現單片機系統低能耗的目的。在此基礎上制定單片機的創(chuàng)新套件設計方案，進而提升生產效果，促使產業(yè)經濟效益得以提升。