海軍工程大學 趙志宏 李小珉 陳冬

    引言

    在控制終端系統(tǒng)設(shè)計中，當系統(tǒng)要求整體功耗偏低時，c8051系列單片機是一個最佳的選擇，它們擁有靈活的時鐘硬件，使系統(tǒng)能夠方便地在高效運作模式與低功耗模式間進行轉(zhuǎn)換，智能的電源管理模式能夠在正常工作及待機狀態(tài)自由切換，從而降低整個系統(tǒng)的能量損耗，當工作頻率低于10khz時，時鐘丟失檢測器（mcd）能夠引發(fā)系統(tǒng)產(chǎn)生復位，確保系統(tǒng)工作的安全可靠。

    1 c8051f各部分組件的功耗

    當一個系統(tǒng)對功耗要求嚴格時，可以在硬件電路建立前首先粗略計算一下整個系統(tǒng)所需的功耗，由于c8051f系列單片機為數(shù)�；旌蟬oc系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)整個設(shè)計的大部分功能，因此整個設(shè)計系統(tǒng)的功耗將主要集中在c8015f系列單片機的能量消耗上。

    整個單片機系統(tǒng)的功耗應該由4部分組成，振蕩器功耗、數(shù)字設(shè)備功耗、模擬外設(shè)功耗及i/o端口功耗，振蕩器功耗包括內(nèi)部振蕩器的功耗以及外部振蕩器功耗，數(shù)字設(shè)備能量消耗主要由cpu的工作模式，工作電壓及系統(tǒng)時鐘頻率決定，溫度與數(shù)字外圍設(shè)備對數(shù)字設(shè)備的功耗影響很小，模擬外圍設(shè)備功耗主要包含adc，電壓基準vref、溫度傳感器、偏壓發(fā)生器及內(nèi)部振蕩器，比較器也有少量的能量功耗。

    1.1 振蕩器功耗分析

    外部振蕩器具有很好的可配置性，為系統(tǒng)設(shè)計者提供了多種選擇。時基信號可以從外部cmos電平時鐘源、晶振或陶瓷諧振器、rc組合電路或外部電容獲得，每一種方法都有各自的優(yōu)勢，由于振蕩器可以靈巧地在各種方式中轉(zhuǎn)換，因此可以通過改變振蕩器來降低功耗，對外部振蕩器來說，外部cmos時鐘，電容和rc網(wǎng)絡都能夠提供較低的振蕩頻率。

    （1）外部cmos時鐘

    當工作于外部振蕩器cmos時鐘模式時，外部振蕩器驅(qū)動被關(guān)閉，電路功耗電流微小可以近似忽略，xtal2輸出的時基信號可以用作cpu、計時器、pca或其他外圍設(shè)備的時鐘源，注意，即使在某一端口應用了高頻信號，功耗仍只有少量的增加。

    （2）外部晶振

    外部晶振提供了最精確的時間基準，但隨之而來的功耗在同一頻率下也更高，外部晶振依賴于晶振頻率和振蕩器驅(qū)動電路（xfcn）。

    （3）外部電容c模式

    外部電容模式通過將一個電容連接到xtal2為系統(tǒng)提供低功耗時鐘，這是精度最差的一種時基方式，但同時也是最靈活的一種方式，只用一個電容元件就可以提供8種不同的工作頻率，最高頻率幾乎可達最低頻率的3000倍，可以通過改變在oscxcn寄存器中的xfcn位改變其振蕩的頻率，并直接影響其輸出的電流，外部電容方式下的時基精度主要由電容的誤差和流過xtal2的內(nèi)部電流源的精度決定。

    （4）外部振蕩rc模式

    rc模式與電容模式十分相似，區(qū)別在于外部電容方式下電容的充電電流由接到xtal2的內(nèi)部可編程電流源提供，并且在rc模式下充放電電路除了包含電容外還要通過一個外部電阻器。rc模式振蕩電路的平均功耗由通過電阻器的平均電流所決定，電阻器上的壓降成指數(shù)倍大小，其波形可以簡化為三角波來估計平均值。

    通常，設(shè)計者可以通過合理地選擇時鐘源達到降低功耗的目的，內(nèi)部振蕩器消耗數(shù)字電源電流的典型值為200μa，用于驅(qū)動外部振蕩器的電流是變化的，對于一個外部振蕩源（如晶振），驅(qū)動電流（由模擬電源提供）用軟件通過配置外部振蕩器控制寄存器oscxcn的xfcn位來設(shè)置，在驅(qū)動電流較大時用戶可以使用內(nèi)部振蕩器以降低功耗。

    1.2 數(shù)字設(shè)備的功耗分析

    數(shù)字設(shè)備的能量消耗主要是由cpu電流的大小來衡量的，cpu的電源模式是決定cpu電流大小、工作電壓及系統(tǒng)時鐘頻率的關(guān)鍵因素，通常，溫度和數(shù)字外圍設(shè)備對數(shù)字設(shè)備的功耗只有很小的影響。

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