系统详解Silabs MCU低功耗优势及经典案例

　　尽量减少CPU的运算量

　　减少CPU的运算工作量，可以有效地降低CPU的功耗。减少CPU运算的工作可以从很多方面入手：

　　A）用查表的方法替代实时的计算；

　　B）不可避免的实时计算，算到精度够了就结束，避免“过度”的计算；

　　C）尽量使用短的数据类型，例如，尽量使用字符型的8位数据替代16位的整型数据，尽量使用分数运算而避免浮点数运算等。

　　让I/O模块间歇运行

　　A）不用的I/O模块要关掉，间歇使用的I/O模块要及时关掉，以节省电能。

　　B）不用的I/O引脚要设置成输出或设置成输入，用上拉电阻拉高。

　　总之，在单片机系统设计过程中，深入理解单片机低功耗的特性，并在硬件和应用软件的设计过程中充分利用单片机的低功耗特性，来设计出符合低功耗要求的产品。

　　SilabsMCU在低功耗方面的优势

　 　Silabs的C8051F系列单片机是从传统的8051单片机衍生出来的一种新型高速单片机。它属于CISC指令系统，但由于采用“流水线”结构方式 处理指令，70％的指令的执行时间为1个或2个系统时钟，指令执行的峰值速度为MIPS级别。虽然它的运行速度很高，但是在低功耗设计方面具有独特的优 势。这主要体现在：

供电电压范围宽

　　SilabsMCU的供电电压范围为2～5.25V。

　　宽的供电电压范围不仅为单片机系统设计带来方便，而且低的供电电压可以有效地降低整个单片机系统的功耗。

　　有多种低功耗模式

　 　SilabsMCU有Idle、Stop和Suspend三种低功耗模式。各种模式下片上资源状态、功耗及唤醒的情况如表1所示。在Stop和 Suspend模式下，MCU的功耗可以降低到nA级。在Suspend模式下，有多种唤醒源，当被唤醒时（非复位源唤醒），CPU不会对系统复位。在 Stop模式下，SilabsMCU有丰富的复位源使CPU被唤醒，如图1所示。

　　有多种时钟方案供选择

　 　SilabsMCU都设计有两套时钟方案供选择。用户可以根据实际需要选择内部振荡器或外部振荡器，或者同时选择内、外振荡器。内部振荡器可以通过相关 寄存器设置来选择不同的频率。其频率范围为：80KHz～100MHz。更为重要的是在MCU运行中，可以实时高速地进行内、外时钟切换。时钟切换速度 快，切换产生的功耗小。这种特性，对于间歇工作的单片机系统低功耗设计，特别有帮助。

　　灵活的I/O设计

　　SilabsMCU的I/O口资源丰富，配置灵活。有三种配置方式：漏极开路、推挽输出和弱上拉方式。用户可以根据实际需要通过相关寄存器的设置来禁止或使能这些方式。其中将端口配置成漏极开路方式是最省电的方式。

　　高速实时的中断响应

　　SilabsMCU响应中断的时间非常快，一般只需要5个系统时钟周期。中断响应速度快，CPU花费在等待方面的时间少，这可以节省不少的等待功耗。

　　运算速度快，处理数据能力强

　 　虽然Silabs的C8051F系列单片机属于CISC指令系统，但由于它采用了“流水线”结构方式处理指令，70％的指令的执行时间为1个或2个系统 时钟，突破了传统的8051单片机运行效率低的弱点，特别是它执行乘法指令只要4个系统时钟，执行除法指令只要8个系统时钟。与那些RISC指令系统的单 片机和那些速度低的CISC单片机相比，这不仅仅带来了数据运算的高效率，同时也极大地降低了系统的功耗。因此，使用每MIPS功耗来衡量Silabs的 C8051F系列单片机的功耗，无论是处理一般事件，还是做数据运算，它都是非常低的，具有明显的优势。图2是和其他MCU做除法运算的速度对比。从对比 中我们可以看出SilabsMCU具有高速处理数据能力的同时也带来了更低的功耗。

　　总之，深入理解SilabsMCU低功耗的特性，根据实际情况，灵活运用，就可以设计出满足要求的低功耗产品。

　　SilabsMCU低功耗实现方法

　 　这里举一个运动装置的应用，采用3V电池供电，间歇工作，要求平均功耗不大于200mA。使用SilabsMCUC8051F333成功地实现了低功耗 的应用。选择双时钟系统，即处理数据时使用内部高速振荡器25MHz，空闲时使用外部晶振32.768KHz（如图3所示），并进入Idle模式。

　　没有使用到的片上模拟和数字外设全部关闭，没有用到的I/O全部设置成漏极开路方式。

　　下面我们分析一下在不同情况下，CPU的功耗情况。

　　在温度-40℃～85℃范围内，工作电压3V，系统时钟25MHz的情况下，CPU的功耗典型值是7.8mA。其电气特性参数表如表2所示。

　　我们还可以大概估算出在不同频率下CPU的功耗。当F>15MHz时，可以用下面的公式来估算：

　　IDD=IDD1-（F1-F）×IDD2（1）

　　其中IDD1是在不同电压、最高频率下正常工作时的最小功耗，F1是最高工作频率，IDD2是F>15MHz，不同电压下的IDD频率敏感度。例如，VDD=3.0V；F=20MHz时，根据图2可以算出：

　　IDD=7.8mA-（25MHz-20MHz）×0.21mA/MHz=6.75mA

　　当F≤15MHz时，CPU的功耗可以用下面的公式来估算：

　　IDD=F÷1MHz×IDD2（2）

　　例如，VDD=3.0V；F=32.768KHz时，根据图2可以算出：

　IDD=32.768KHz÷1MHz×0.38mA/MHz=12.45184mA

　　在温度-40℃～85℃范围内，工作电压3V，系统时钟32.768KHz的情况下，CPU的功耗可以通过Idle模式下的电气特性参数来计算。Idle模式下的电气特性参数表如表3所示。

　　根据公式（2），Idle模式下的功耗为：

　　IDD=32.768KHz÷1MHz×0.20mA/MHz=6.5536mA

　　从上面的分析我们可以看出，使用外部低频振荡器，并进入Idle模式，CPU的功耗可以降的很低。如果能用上Stop模式，功耗可以降低到0.1mA以下。在模拟该运动装置真实使用环境的条件下，经过使用仪器测试，平均功耗降低到了150mA以下。该产品目前已经批量上市了。

　　结语

　　C8051F系列单片机封装小，高集成度，低功耗特性好。只要根据项目的实际情况，认真细致地分析产品的低功耗要求，灵活应用SilabsMCU的低功耗特性，从硬件和应用软件两方面入手，就可以设计出满足不同要求的低功耗产品。