MCU基本技术原理及应用方案集锦

　　CC2560 功能方框图

　　应用：建筑照明、用于 HMI 和 POS 的单板计算机

　　详细资料：CC2560蓝牙Smart Ready控制器

　　1、便携式设备对处理器提出的挑战

　　随着电子便携式设备在全球的风行，人们对电子 便携式设备的要求也越来越高，希望产品有更多的功能，如手机摄像机自动对焦与手机闪信与计步器；希望产品功耗更低，如无线设备、手持POS机和家庭医疗产品；希望产品体积更小，如运动手表；希望产品的保密性好；处理能力强，如便携式仪器和高精度运动控制；希望价格更低和开发周期短。

　 　然而困惑的是，很多的便携式设备往往会同时要有上面的多个要求，然而现实中很难做到：同时满足高速处理、低功耗和价格？ARM高速，但是功耗而价格高； 同时满足高速处理和小封装？希望封装面积小到3×3mm，又要不牺牲速度；同时满足小封装和SOC？需要ADC、SPI和12个I/O，而尺寸，最好小于 5×5mm；开发周期，ARM性能完全合适，但ARM往往需要操作系统支持，开发周期长，而市场机遇稍纵即逝。

　　为此，本文将从为电子便携式设备开发解决上述这些难题出发，对如何设计一个低功耗的单片机系统与方法和MCU在低功耗方面的优势进行分析，并小尺寸系列单片机的应用为例作出介绍。

　　2、如何设计一个低功耗的单片机系统

　　问题提出：单片机系统的功耗是否只是由单片机的功耗决定？回答是，以单片机为核心构成的系统，其系统的总能耗是由单片机能耗及其外围电路能耗共同构成。为了降低整个系统的功耗，除了要降低单片机自身的运行功耗外，还要降低外围电路的功耗。

　　2.1如何设计低功耗单片机系统？

　　要设计一个低功耗的单片机系统，需要从硬件和软件两方面入手。

　　2.11硬件设计

　 　*选用尽量简单的CPU内核。在选择CPU内核时切忌一味追求性能。选择的原则应 该是“够用就好”。8位机够用，就没有必要选用16位机。一般来说，单片机的运行速度越快，功耗也越大。一个复杂的CPU集成度高、功能强，但片内晶体管 多，总漏电流大，即使进入STOP状态，漏电流也变得不可忽视；而简单的CPU内核不仅功耗低，成本也低。

　　*选用低电压供电的系统。低电压供电可以大大降低系统的工作电流。目前单片机从与TTL兼容的5V供电降低到3.3V、3V、2V乃至1.8V供电，降低单片机的供电电压可以有效降低其功耗。供电电压降低也是未来单片机发展的一个重要趋势。

　　*选择带有低功耗模式的系统。低功耗模式指的是系统的Idel（闲置）、Stop（停止）和Suspen（暂停）模式。处于这类模式下的单片机功耗将大大小于运行模式下的功耗。

　　*选择合适的时钟方案。时钟的选择对于系统功耗相当敏感，有两方面的问题要注意：

　　其一、系统总线频率应当尽量低。单片机内部的总电流消耗分为：运行电流和漏电流。单片机集成度越高，环境温度越高，漏电流也越大。单片机的运行电流几乎和其时钟频率成正比。降低时钟频率，就可以有效降低单片机的功耗。

　 　其二、关于时钟方案。是否使用锁相环，使用内部振荡器还是外部振荡器。现代单片机普遍使用锁相环技术，使单片机的时钟频率可以由程序控制。单片机使用外 部较低的振荡器，通过软件控制，系统时钟可以在一个很宽的范围内调整，得到比较高的总线时钟。使用锁相环会带来额外的功耗。单就时钟方案来讲，使用外部晶 振且不使用锁相环是功率消耗最小的一种。有的单片机带有内部时钟，也可使用外部时钟。这可以根据实际系统的需要使用双时钟：一个高速时钟和一个低速时钟。 处理事件时使用高速时钟，空闲时使用低速时钟。这钟双时钟系统可以有效地降低功耗。

　　2.12应用软件设计

　 　应用软件设计对于一个低功耗系统的重要性常常被人们忽略。一个重要的原因是，软件上的缺陷并不像硬件那样容易发现，同时也没有一个严格的标准来判断一个 软件的低功耗特性。尽管如此，设计者如果能尽量将应用的低功耗特性反映在软件中，就可以避免那些“看不见”的功耗损失。

　　*用“中断”代 替“查询”。在没有要求低功耗的场合，程序使用中断方式还是查询方式并不重要。但在要求低功耗场合，这两种方式相差甚远。使用中断方式，CPU可以什么都 不做，甚至可以进入等待模式或停止模式；而查询方式下，CPU必须不停地访问I／0寄存器，这会带来很多额外的功耗。

　　*用“宏”代替“子程序”。子程序调用的入栈出栈操作，要对RAM进行两次操作，会带来更大的功耗。宏在编译时展开，CPU按顺序执行指令。使用宏，会增加程序的代码量，但对不在乎程序代码量大的应用，使用宏无疑会降低系统的功耗。

　 　*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：其一，用查表的方法替代实 时的计算。其二，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。其三，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。其四，让I／O模块间歇运行，即不用的I／O模块或间歇使用的UO模块要及时关掉，以节省电能；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。

　　3、单片机（MCU）在低功耗方面的优势。

　　当今面临的问题是，使用者或市场均对单片机（MCU）低功耗有严酷的要求，那么将如何来设计MCU来满足市场？应该说，当今众多厂商的MCU均有在低功耗面的优势，值此仅以Silabs MCU为例作分析说明MCU在低功耗方面的优势。

　　*供电电压低。MCU供电电压为2.0～5.25V。供电电压低可以有效降低整个单片机系统的功耗。

　　*有多种低功耗模式。MCU的低功耗模式有Idle模式和Stop模式。为了更进一步地降低MCU的功耗，提高市场竞争力，从2006年下半年己推出的MCU都将带有Suspend模式。这种模式下的功耗为纳安级。

　 　*有多种时钟方案供选择。MCU内置振荡器有高速震荡模式和低速震荡模式可供选择。每种模式下的频率又有多种选择。而且还可以外接振荡器。更重要的是， 在MCU运行中，这些时钟模式可以实时切换。这很方便客户进行低功耗控制。例如：在处理数据时，系统运行在高速状态；空闲时运行在低速状态。

　　*高速实时的中断响应。MCU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。

　 　*灵活的I/O设置。MCU的I／0口资源丰富，配置灵活。有三种配置方式：漏极开路、推拉输出和弱上拉方式。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。另外，MCU片上没有用到的其他外设可以通过软件来关闭。总之，根据项目的要求， 灵活运用MCU的各种低功耗特性，通过软件的控制，就可以很好地实现低功耗的要求。

　　使用每MIPS功耗来衡量MCU的低功耗性能是相对 比较准确。比如执行一个需要10K条指令的任务，甲MCU的工作电流为3mA，速度为10MIPS，则甲MCU需要工作lmS完成该任务，消耗 3mA*1ms*Vcc，然后甲MCU就可以进入低功耗模式了。而乙MCU的工作电流为1mA，速度为2MIPS，则乙MCU需要工作5mS完成，这样乙 MCU完成该任务的消耗为1mA*5mS*Vcc。电流大但是速度快的MCU可能更省电！

　　4、MCU在低功耗方面的设计方法怎样？

　　一般来说，MCU的运行的速度越高，供电电压越高，功耗也就越高。要降低单片机系统的功耗，就要降低单片机系统的供电电压，降低MCU运行的频率。

　 　举例分析说明：客户要做一个无线计时类产品，使用电池做供电电源，要求平均功耗不超过200uA。该产品是间歇工作的：当收到数据时激活，快速处理数 据；当空闲时进入休眠状态，来降低功耗，己有不少制造商可达150μA以满兰客户要求。例如，C8051F333型MCU。

　　4.1看一下C8051F333的电气参数就知道了

　　*正常模式，CPU从Flash取指令。

　 　IDD（当Vdd=3.6v F=25MHz时）为10.7mA-11.7mA；IDD （当Vdd=3.0v F=25MHz时）为7.mA-8.3mA；IDD （当Vdd=3.6v F=1MHz时）为0.38mA；IDD （当Vdd=3.0v F=80Hz时）为31μA。

　　*Idel模式，CPU停止工作。

　　IDD（当Vdd=3.6v F=25MHz时）为4.mA-5.2mA；IDD （当Vdd=3.0v F=25MHz时）为3.8mA-4.1mA；IDD （当Vdd=3.6v F=1MHz时）为0.2mA；IDD （当Vdd=3.0v F=80Hz时）为16μA。

　　光看上面两个模式的数据，肯定不行。因 为要满足系统的运行速度，又要满足低功耗≥1MHZ的频率，则功耗都要超过客户的要求。而正确答案是：在不降低MCU运行速度（MCU处理数据时的运行频 率是24.5MHZ）的情况下，客户使用C8051F333成功实现了低功耗的要求：比150μA还低， 真可谓鱼和熊掌兼得。

　　4.2它是怎样实现的？

　 　见图1所示。使用了内外两种晶振。工作时使用内部高速晶振24.5MH2，空闲时切换到外部低速晶振32.768KH2，并且进入Idle模式。并且把 没有用到的外设全部关闭，就这么简单。由此看出，功耗是一个系统的问题，单片机系统的功耗是由MCU和其外围电路的功耗共同决定的，低功耗是无数个细节省 出来的。

　　5、小尺寸单片机在便携式设备中的应用

　　面对如今便携式设备提出的挑战单片机，如何应对挑战？而用小尺寸单片机是在一种理想的举措应对，值此以C8051F小尺寸单片机为例，分析其在便携式设备中的应用。为此先介绍C8151F小尺寸单片机应用特征。

　　5.1C8051F小尺寸单片机应用特征

　　概括为：小封装，低功耗， 宽电压工作范围（2.7V-3.6V）， 高速、高集成度与高保密性。

　　5.2应用

　　以TFT屏背光管理、闪信应用为例说明。

　　5.21C8051F30X在彩色TFT屏背光中的应用

　 　随着便携式电子设备的普及，人们对其彩色显示屏的要求也越来越高，LED正在被逐步应用于LCD的背光。传统的LED背光是采用白色LED作为背光源， 有以下的缺点：一般背光需要多个白色LED，但白色LED有个体差异，一致性不好，容易导致彩色显示屏色彩不均匀，失真等现象；白色LED容易老化，使彩 色显示屏的亮度降低。产品如果有这些问题，容易给消费者留下不好的印象，消弱产品的竞争力。

　　那应该如何去解决这些问题？而采用C8051F30X的彩色TFT屏背光方案就很好地解决了这些问题，其功能框图（见图2所示）如下：

　　*技术特征

　 　背光采用红、绿、蓝三色LED，发出的光组成白光。因为每种颜色的LED采用串联连接方式，所以使用了AMS高性能的LED Driver AS3691；通过Avago的CoIor Sensor芯片HDJD-S722-QR999，检测R、G和B三色的亮度；C8051F30X根据HOJD-S722-QR999送过来的信号，产生 相应的PWM来控制R、G和B三色的亮度，使白光的效果始终在最佳状；同时C8051F30X通过一个 接口与主CPU通讯，接收主CPU对亮度调整的控制命令。

　　*对MCU的要求

　　屏的尺寸现在都很紧凑，同时厚度很薄，对 MCU的尺寸要求很高，C8051F30X尺寸只有3×3mm，厚度只有0.9mm；要求具备PWM输出，多路输入的ADC和通讯接 口；C8051F30X支持3个PWM输出，多路复用的AD输入，支持UART和 通讯接口，3×3mm的封装上可以提供8个用户I/O口。

　　*方案特点

　 　很好地解决了传统的白光LED个体差异问题，使彩色显示屏的色彩始终处在均匀状态；很好地解决了白光LED老化带来的亮度降低问 题；C8051F30X、AS3691和HDJD-S722-QR999封装小，容易和TFT显示屏做成一个模块；C8051F30X有Idee和 Stop两种低功耗模式，特别是Stop模式，其功耗小于0.1uA。当系统进入Stop模式时，可以使外围电路关闭，进入省电状态，当需要显示时，由主 控制器唤醒。

　　5.22 C8051F313在手机闪信和计步器中的应用

　　随着手机 的普及，人们对手机的功能要求也越来越高。那些具有彰显个性的手机越来越深受人们的喜爱，特别是年轻一族的喜爱;手机功能的增多，意味着手机体积的增大和 功耗的增加，这与人们对手机小巧和待机时间长的要求又成了矛盾；要解决这些矛盾，手机设计者不得不追求元器件的小型化、低功耗和高性 能；MCUC8051F313在手机闪信和计步器中的应用就是一个典型例子。图3为C8051F313在手机闪信和计步器功能应用示意框图。

　　*关于计步器

　　计步器原理：人在行走或者跑步的加速度与时间轴大致成为一个正弦波；利用加速度，可以计算走了多少步，还可根据步幅进而估算所走的距离。

　　计步器功能的实现：采用MCUC8051F313和MEMS IC加速度传感器MAX6500；C8051F313采样MAX6500两路加速度传感器的输入，分析加速度，计算出走了多少步；根据步行者的步幅，还可以估算出所走的距离。

　　*关于手机闪信

　　手机闪信原理：利用手机上的闪灯，在光线较暗的环境下，通过快速左右摇动手机，利用人类视网膜延时现象，造成视觉残像，从而形成连续的光影信号，令受信者视觉产生连续信息。

　 　手机闪信功能的实现：采用MCUC8051F313和MEMSIC加速度传感器MAX6500；C8051F313接收要显示的信息，并驱动相应的 LED；MAX6500检测加速度在X轴和Y轴的分量变化（力的大小和方向），并送给C8051F313；C8051F313分析MAX6500检测到的 加速度信号，对要显示的字符方向实现自动翻转。

　　*手机闪信和计步器对MCU的要求

　　体积要求苛刻：手机对MCU提出的 要求极其苛刻，要在尽可能小的尺寸上提供最多的1/0口；C8051F313在5×5mm的封装上提供了25个I/O和模拟输入16个I/O口用来驱动 16个LED；2个模拟输入用来采样加速度传感器输出；1个标准2线的控制器用来与Baseband CPU进行通讯。

　　严格的低功耗设计：在STOP模式下功耗小于1μA；良好的I/O口设计确保待机时I/O对外阻抗很高，在兆欧级以上，有效切断I/O口待机功耗。

　　完善的大批量生产要求：一旦生产，编程数量将非常巨大，具有完善的量产编程方案，快速的手持编程器，无需PC参与，无需操作员熟悉编程方法，具有boot程序，在手机开机时自动加载应用程序，通过C2编程接口进行编程。又具有良好的保密功能。

　　描述

　　此解决方案使用近场通信 （NFC） 技术实现了无电池键盘。此解决方案的核心部分是可以由主机微控制器读写的 TI 动态 NFC 标签。支持 NFC 的手机可以快速发现并识别该键盘，然后在键盘和应用程序之间建立连接。此设计是无电池系统（即，无需电池即可工作），客户可以利用该系统构建具有优化尺寸 的产品（例如薄键盘）以及重量更轻的产品（例如易于携带）。

　　特性

　　无电池解决方案

　　标准 PC/AT 键盘字符集

　　大于 400 个字符/分钟的输入能力

　　MSP430 MCU 和 RF430CL330 标签的功耗都约为 20 mW

　　用于能量收集的低成本 PCB 线圈天线

　　提供 Android 测试工具和 InputMethod 应用程序

　　原理框图

无电池近场通信 (NFC) 键盘原理图

　　硬件框图

无电池近场通信 (NFC) 键盘硬件框图

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　　功能框图

MSP430FR573x MSP430FR572x 混合信号微控制器功能框图

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