安防之家讯：1 C8051F各部分组件的功耗
当一个系统对功耗要求严格时，可以在硬件电路建立前首先粗略计算一下整个系统所需的功耗。由于C8051F系列单片机为数模混合SOC系统，能够实现整个设计的大部分功能，因此整个设计系统的功耗将主要集中在C805IF系列单片机的能量消耗上。
整个单片机系统的功耗应该由4部分组成：振荡器功耗、数字设备功耗、模拟外设功耗及I／O端口功耗。振荡器功耗包括内部振荡器的功耗以及外部振荡器功耗。数字设备能量消耗主要由CPU的工作模式、工作电压及系统时钟频率决定。温度与数字外围设备对数字设备的功耗影响很小。模拟外围设备功耗主要包含ADC、电压基准VREF、温度传感器、偏压发生器及内部振荡器。比较器也有少量的能量损耗。
1.1 振荡器功耗分析
外部振荡器具有很高的可配置性，为系统设计者提供了多种选择。时基信号可以从外部CMOS电平时钟源、晶振或陶瓷谐振器、RC组合电路或外部电容获得，每一种方法都有各自的优势。由于振荡器可以灵巧地在各种方式中转换，因此可以通过改变振荡器来降低功耗。对外部振荡器来说，外部CMOS时钟、电容和RC网络都能够提供较低的振荡频率。
(1)外部CMOS时钟
当工作于外部振荡器CMOS时钟模式时，外部振荡器驱动被关闭．电路功耗电流微小可以近似忽略。XTAL2输出的时基信号可以用作CPU、计时器、PCA或其他外围设备的时钟源。注意，即使在某一端口应用了高频信号，功耗仍只有少量的增加。
(2)外部晶振
外部晶振提供了最精确的时间基准，但随之而来的功耗在同一频率下也更高。外部晶振依赖于晶振频率和振荡器驱动电路(XFCN)。
(3)外部电容C模式
外部电容模式通过将一个电容连接到XTAL2为系统提供低功耗时钟。这是精度最差的一种时基方式，但同时也是最灵活的一种方式。只用1个电容元件就可以提供8种不同的工作频率．最高频率几乎可达最低频率的3000倍。可以通过改变在OSCXCN寄存器中的XFCN位改变其振荡的频率，并直接影响其输出的电流。外部电容方式下的时基精度主要由电容的误差和流过XTAL2的内部电流源的精度决定。
(4)外部振荡RC模式
RC模式与电容模式十分相似，区别在于外部电容方式下电容的充电电流由接到XTAL2的内部可编程电流源提供，并且在RC模式下充放电电路除了包含电容外还要通过一个外部电阻器。RC模式振荡电路的平均功耗由通过电阻器的平均电流所决定。电阻器上的压降成指数倍大小，其波形可以简化为三角波来估计平均值。
通常，设计者可以通过合理地选择时钟源达到降低功耗的目的。内部振荡器消耗数字电源电流的典型值为200μA，用于驱动外部振荡器的电流是变化的。对于一个外部振荡源(如晶振)，驱动电流(由模拟电源提供)用软件通过配置外部振荡器控制寄存器OSCXCN的XFCN位来设置。在驱动电流较大时用户町以使用内部振荡器以降低功耗。
1．2 数字设备的功耗分析
数字设备的能量淌耗主要是由CPU电流的大小来衡量的。CPU的电源模式是决定CPU电流大小、工作电压及系统时钟频率的关键因素。通常，温度和数字外围设备对数字设备的功耗只有很小的影响。
(1)OPU电源管理模式
CPU有3种操作模式：正常状态，空闲状态与停止状态。通常，空闲状态的平均电流值受控于内部振荡器。正常模式时的电流值减去空闲模式时的电流值即为CPU正常运行的工作电流值。当写l到IDLE位时，CPU结束指令周期进入低功耗模式，直到被中断或复位唤醒。在空闲模式下，所有的模拟与数字外围设备，存储器与内部寄存器都保持原来的值不变。被唤醒后，CPU开始从设置空闲方式选择位指令的下一条指令开始执行。当写1到STOP位时，CPU进入停机模式。设置停机模式后，当前指令被执行完毕，内部振荡器及所有的数字外围设备全部停止工作。模拟外设(如比较器与外部振荡器)保留其当前的状态。在停止状态，MCU消耗最少的电流。

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(2)OPU工作电压、频率及温度对功耗的影响
工作电压：CPU的工作电流会随着供电电压的升高而增大。这种关系存在于任意一种工作频率下，尤其在高频运行时表现得更为明显。理论上供电电压最小可达到2．7 V，但由于电压调整本身有±10％的误差率，因此系统通常供电电压不会低于3V。
温度：温度对系统的功耗无影响。
工作频率：CPU工作频率对系统功耗有主要影响。在CMOS数字逻辑器件中，功耗与系统时钟SYSCLK频率成正比：
功耗=CV2f
式中：C是CMOS的负载电容；V是电源电压；f是SYSCLK的频率。
因此，为了降低功耗，设计者必须知道给定系统所需的最高SYSCLK频率和精度。某些设计口可能需要其系统时钟频率在全部工作时间内保持不变。在这种情况下，设计者将选择满足要求的最低频率．并采用消耗最低功率的振荡器配置。
l.3 数字外围设备与I／0接口的功耗分析
数字外围设备(计数器、UART、PCA、SPl)的损耗占系统总功耗的比例很小。举个例子，当C8051F单片机工作在3．06MHz(内部振荡器8分频)，3 V电压时，没有一个数字外围设备端口的工作电流超过700μA；而在启动计数器作为UARTO数据传输时钟后，系统的工作电流会增加18μA。这里，计数器与UART的功率损耗主要由其时钟频率及工作电压来决定。利用交叉开关配置通用I／O口为推挽模式，也能够影响功耗的大小。在上述例子中，如果利用交叉开关将UARTO的TX端分配到P0．4口，则配置端口为推挽模式将令系统的工作电流再增加82μA。输出引脚的功耗由连接在该引脚的外部电路频率决定。
1．4 模拟外围设备的功耗
模拟外围设备功耗是ADC、温度传感器、内部偏置电压产生器及内部振荡器的功耗和。通常，只要ADC、内部振荡器或温度传感器被激活，内部偏置电压产生器就会自动被使能，ADC在转换期间的工作电流比ADC没有转换时的工作电流大30％～50％。SAR转换时钟频率与采样频率也影响了功耗的大小。由于增加SAR转换时钟频率或降低采样率会缩短每次A／D转换的时间，使系统在转换间隙有更多的时间处于空闲状态，因此会大大降低系统功耗。
2 降低功耗的几点考虑
要降低系统的平均功耗，需要从两个方面考虑：首先是适当调整在所有时间一直影响系统工作的参数。通常工作电压是重点考虑的参数。工作电压决定了系统是否能够处于正常运作状态，它可以由电压调整器或一个电池来提供。对于一个节能系统，工作电压应该被最小化，以节约能量。第二点就是构建合理的固件结构降低以功耗。要为系统设计两个工作模式：一个为高效的运作模式；另一个则是以降低功耗为日地的睡眠模式。两个模式的设计标准不同，但应尽量让系统在大部分时间内处于睡眠模式，以降低系统的总功耗。

下面详细讨论这两个方面的设计。

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