PIC單片機低功耗設計

吳清榮，丁躍軍

（河南工業技師學院， 鄭州 450007）

0 引言

目前，電子產品的日趨小型化和智能化，對單片機的低功耗應用提出了更高的要求，尤其是便攜式產品、野外檢測儀器儀表、海河航標燈和玩具產品，對低功耗的要求更為突出。設計一個性能良好的低功耗產品，需要從硬件設計、軟件設計等多方面綜合考慮，是一項較為復雜的系統工作，本文闡述了低功耗設計的幾種具體措施。

1 系統設計方面

1.1 選擇合適的模塊

PIC系列單片機雖然功耗都很低，但不同的模塊電能消耗仍然不同,既便是在同一個系列里，選擇的芯片型號不同，它們的電能消耗量也不同! 選型時，要注意資料中詳細的參數說明，一般型號后綴為LC的芯片能耗比后綴為C的能耗要小，目前，Microahip公司最新推出了18個引腳的低功耗芯片，如PIC18F1220、PIC18F1320和nW級的芯片如PIC16F627A等，可以根據產品的實際需求，合理地來選擇芯片的型號。

1.2 選擇合適的工作條件

一般單片機睡眠模式下運行要比正常模式下運行耗電小得多，所以如果其它條件允許，應盡量讓芯片處于睡眠狀態；單片機在低電壓下工作時比較省電，在選用單片機時盡可能選擇較低的工作電壓；另外，單片機MCU的電流和振蕩頻率成正比，所以，在速度允許的情況下，應盡可能選擇振蕩頻率比較低的芯片。

1.3 選擇合適的振蕩方式

晶體振蕩器、諧振器和RC振蕩器，有著不同的喚醒時間。一般來說，晶體振蕩器的喚醒時間最長為8.5mS左右，諧振器的喚醒時間約為390μS，而RC振蕩器的喚醒時間最短，約為1.15μS左右。單片機在工作時，如果喚醒時間過長，在喚醒過程中存在一個預工作階段，此時處理器已經開始消耗電能，但是還沒有運行程序，這就會帶來更多的電能消耗。如果所設計的產品，喚醒后的工作時間很短，一般應采用RC振蕩器較為合理。

晶體振蕩器、諧振器和RC振蕩器，有著不同的電耗，即使在相同頻率下，它們的電耗也不同。一般說來，晶體振蕩器的工作電耗最小，RC振蕩的工作電耗最大。三者比較結果如表1所示。

表1 晶體振蕩器、諧振器和RC振蕩器的比較

在不能長期工作在休眠狀態的場合，如計時時鐘，一般應采用晶體振蕩器以獲得節能效果。為了節能我們有時候還在晶體振蕩器的回路中串上一個小電阻RS，如圖1所示，這是因為晶體的驅動功率為： P= U2/Re，U：芯片向晶體提供的電壓；Re：晶體的等效電阻；在晶體振蕩器回路中串上一個小電阻RS后，加大晶體的等效電阻。這樣，不僅可以減少在晶體上的功率消耗、還可以防止晶體過驅動、穩定晶體的振蕩頻率以及延長晶體壽命。RS的取值范圍是0~10KΩ，主要基于Timer1振蕩器，所有內建Timer1芯片都可以用外部晶體來實現RTC。如：PIC16F72、PIC16F73、PIC16F877、PIC18F452和PIC18F85等。

圖1 晶體振蕩器

1.4 合理處理I/O管腳

I/O 管腳的處理，在低功耗系統里非常重要。設置為輸出的管腳可以驅動20~25mA電流。所以檢查你的設計，優化每個輸出管腳上的電流消耗是非常重要的，即使是弱上拉的管腳,依然可以輸出 400uA電流，為達到節能目的，可以禁止內部上拉，使用外部較大的電阻做上拉。必要時還可以用一個I/O口來控制外部上拉，以便在不需要檢測輸入時或在休眠狀態下進一步節能。如圖二中的輸入口I1、I2和I3的外部電路。I/O口管腳可以吸收1uA電流，而MCLR，RA4/T0CKI和OSC1可能吸收5uA電流。在干擾的環境下，讓I/O管腳懸空(輸入、高阻)，可能因內部鎖存器頻繁翻轉，極大地增加電流消耗，所以對于沒有用的管腳，都設置為輸出(高或者低均可)。

1.5 Timer1異步時鐘方式下使用

在需要實時時鐘的場合，在Timer1上接入一個32.768kHz 晶振，就可以實現成本低和電耗低。Timer1可以在不用外部時鐘芯片、允許芯片進入睡眠模式下，繼續走時鐘(時間/日期)。

2 應用休眠省電模式

執行一條SLEEP指令后，便進入了休眠（SLEEP）方式。在這種方式中，為了使耗電量降至最低，把所有I/O引腳接至VDD或VSS，以確保沒有外部電路從I/O引腳上引出電流，關閉A/D轉換，禁止使用外部時鐘，引腳必須處于一個邏輯高電平狀態。

單片機從耗電的角度出發常常會進入休眠狀態，但由于某個特殊的原因，又會及時從休眠狀態中喚醒。

1）如果芯片出現以下事件，單片機便可以從休眠狀態進入喚醒狀態：

（1）將外部的復位信號輸入到引腳 ；

（2）監視定時器激活（如果WDT使能）；

（3）來自引腳INT的中斷，RB端口的電平變位，或者其他一些外圍設備中斷。

當休眠狀態被喚醒，設置成電源開啟標志位被清零。如果WDT發生了定時時間到而引起喚醒狀態， 位被清零。

2）如果以下外圍設備出現中斷請求，也可使單片機從休眠狀態中喚醒：

（1）并行從動端口讀/寫操作；

（2）在異步計數方式下，定時器TMR1中斷；

（3）CCP捕捉方式中斷；

（4）特殊事件觸發在異步方式下，定時器1采用外部時鐘；

（5）SSP（起始／停止）位探測中斷；

（6）在從動方式下，SSP發送或接收中斷（SPI／I2C）；

（7）USAR的RX/TX（同步從動方式）；

（8）當A/D時鐘源為RC時，A/D轉換中斷；（9）EEPROM寫入操作完成。

當執行SLEEP指令時，下一個指令（PC+1）被預先取出。為了使器件能通過某一中斷事件而激活，與之對應的中斷允許位必須被置位。喚醒狀態與GIE位的狀態無關，如果GIE位被清零，器件將繼續執行SLEEP指令后面的指令；如果GIE位被置位，器件將執行SLEEP指令后面的指令，然后轉移到中斷地址（0004H）。若用戶不希望執行SLEEP指令后面的指令，那么在SLEEP指令后面必須要有一個NOP指令。

3 案例分析

設計一個低功耗系統產品，是一個綜合規劃的內容，需要考慮的因素很多。如圖2所示，給出了一個具體硬件實施方案：

單片機的系統時鐘采用外接R1、C1阻容振蕩方式提供。既可以節省成本，又可以快速啟動單片機，減少喚醒時的能耗。

日期、小時、分鐘、秒的計時采用定時器/計數器TMR1完成。TMR1是具有獨立的低功耗、低頻率振蕩器，既便是在單片機處于睡眠狀態，TMR1依然可以精確計時并能在計時溢出時產生中斷請求，喚醒單片機。石英晶體XTL采用32768Hz的低頻晶體，在晶體回路中串有電阻R5，以便進一步降低能耗。

圖2 低功耗硬件設計方案

芯片采用5V電源供電，掉電保持電源BT1采用2.4V的鋰電池。BT1接在一個模擬I/O口上，R6為充電限流電阻。單片機可以通過該電阻以脈沖方式對電池充電，而停止充電時，可以通過該口以模擬輸入方式，檢測電源電壓并調整充電脈沖的寬度，即通過軟件實現智能PWM充電。在外部電源掉電時，電池BT1可以經電阻R6和I/O口輸入端保護二極管D向單片機供電。由于這時的供電電流僅為微安級，因此電阻R6上的壓降可以忽略不計，D1的作用是防止電池BT1向其它芯片或電路放電。如果掉電時間不是很長的話，可用漏電較小的膽電容代替電池；如果掉電時間較長的話，可用CSC-4法拉級大電容代替電池，持續時間可以從幾分鐘到幾天。

輸入口I1、I2、I3均接有120KΩ的上拉電阻R2、R3、R4，但該上拉電阻不是接到電源正極，而是接到輸出端口O1上。單片機處于工作狀態時，O1口輸出高電平；單片機進入睡眠狀態時，將O1口置成低電平或高阻狀態。注意，在這里一定要把內部上拉屏蔽掉。

輸出口O2接有一只二極管D2。二極管D2的作用是防止在系統掉電后高電平輸出時，消耗較多的維持電能。當O2口輸出低電平時，二極管D2導通，三極管基極被嵌位而截止；當O2口輸出高電平時，二極管D2截止，電源經R7向三極管提供基極偏流，三極管飽和導通，繼電器線圈得電，常開觸點閉合。

4 結論

總之，PIC單片機工作時要最大限度地降低功耗，就要根據具體的應用場合，從硬件設計和軟件設計上綜合考慮，并采用相應的措施，以達到降低功耗之目的。

[1] 劉啟中,李榮正.PIC單片機原理及應用[M].北京:航空航天大學出版社,2003.

[2] 丁躍軍,來清民.PIC單片機基礎教程[M].北京:航空航天大學出版社,2005.

[3] 張明峰.PIC單片機入門與實戰[M].北京:航空航天大學出版社,2004.

[4] 李建忠.單片機原理及應用[M].西安:電子科技大學出版社,2006.