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I T 技 术
C8 05 1 F 单 片 机 低 功 耗 系 统 设 计 方 法 探 讨
高洪涛
( 装甲兵技术学院
马凯
吉林长春
1 3 0 1 1 7 )
摘
要：本文介绍了一种 C8 0 5 1 F 系列单片机实现低功耗的系统设计方法, 主要从以下三个方面进行了阐述：降低系统时钟频率、降
低电源电压和合理选择电源管理方式。该设计方法尤其在便携式和手持式系统中有着广阔的应用前景。
关键词：单片机 低功耗 时钟频率 晶体振荡器
中图分类号：N94 5
文献标识码：A
文章编号：1 6 72 - 37 9 1( 2 00 8 ) 0 4 ( c ) - 0 0 87 - 0 1
很多应用系统对功耗有严格的要求,
尤其在便携式和手持式系统中。一般来说
CMO S 数字逻辑器件的功耗受供电电压和
系统时钟( S Y S CLK) 频率的影响。可以通
过调整这些参数来降低功耗, 设计者也很
容易控制这些参数。下面我们讨论这些参
数及他们对功率消耗的影响。
C8 0 5 1 F 器件有一个指示外部时钟信号有
3. 6V。为了减小功耗, 建议使用3. 0 V 的稳
压器, 而不采用3 . 3 V 的稳压器。
效的标志位( OS CXCN 寄存器中的 XTLVLD
位) , 该标志在外部振荡器稳定运行时置
位, 在切换到外部振荡器之前应查询该标
志。
3 合理选择电源管理方式
C8 05 1 F 处理器有两种电源管理方式,
即等待方式和停机方式。
某些应用需要间歇的高速度和高精度
( 例如, ADC 采样和数据处理) , 但在其他时
间可允许低速度和低精度( 例如等待采样
时) , 这时可以用到外部振荡器和R C 电路
的组合。在这种情况下, 外部RC 振荡器用
于产生低频S YS C LK 源, 而晶体用于高频
率操作。RC 电路需要接到VDD( 电压源) 才
能工作。由于在晶体处于工作状态时这种
连接可能加载晶体振荡器电路, 因此将 RC
3. 1 等待方式
在等待方式下, CPU 和F LAS H 存储器
停止工作。所有外设都处于工作状态, 包
括内部时钟。在有中断( 被允许的中断) 产
生或发生系统复位时, CP U 退出等待方式。
可通过将等待方式选择位( PCON. 0 ) 设置为
1 , 使CP U 进入等待状态。例如, CP U 被置
于等待方式, 等待定时器 2 溢出后启动一
1 降低系统时钟频率
在C MOS 数字逻辑器件中, 功耗与系统
时钟( SYSCLK) 频率成正比：功耗= CV2f 。
其中：C 是CMOS 的负载电容；V 是电
源电压；f 是S YS CLK 的频率。
C805 1F 的系统时钟可以来自内部振荡
器或外部时钟 源。外部源可以 是一个
电路接到一个通用端口引脚如图二所示。 次A / D 转换。一旦转换过程结束, AD C 转
CMOS 时钟、RC 电路、电容或晶体振荡器。 当使用RC 电路时, 与之连接的端口引脚被
换结束中断将 CP U 从等待状态唤醒, 开始
处理采样值。在样本处理过程结束后,
C P U 又重新被置于等待方式以节省功耗,
同时等待下一次中断。又如, C P U 平时处
于等待方式以节省功耗, 在需要时用一个
外部中断信号将其“唤醒”。在收到外部中
断时, C P U 将退出等待方式并转到相应的
中断服务向量( 例如：/ I NTO 或/ I NT1 ) 。
3. 2 停机方式
C80 5 1 F 的停机方式用于停止CP U 和
振荡器, 这将使所有数字外设都停止工
作。在进入停机方式前, 必须用软件将所
有的模拟外设关闭。只有内部或外部复
位可以使处理器退出停机方式。实际上
停机方式节省功耗是靠将 S Y S C L K 频率
降低到0 值。
内部振荡器可提供4 种时钟频率：2 MHz ,
4MHz , 8MHz , 16 MHz 。可以通过使用外部
振荡器得到其他频率。为了节省功耗, 设
计者必须知道给 定应用所需要的 最高
S YS C LK 频率和精度。一个设计可能需要
一个在器件全部工作时间内保持不变的
S Y S C LK 频率。在这种情况下, 设计者将
选择满足要求的最低频率, 采用消耗最低
功率的振荡器配置。典型的应用包括串行
通信和必须用 A D C 完成的周期性采样。
某些操作可能要求高速度, 但只是在
很短的、断续的时间间隔内。这种情况在
某些时候被称为“猝发”操作在C 8 0 5 1 F
中, S Y S CL K 频率可在任何时刻改变。因
此器件平时可工作在较底的频率, 直到某
个需要高速操作的条件发生。
驱动到高电平( 到VD D) , 这可以通过选择
端口为推挽输出方式, 并向端口锁存器写1
来实现。当使用晶体振荡器时, 端口引脚
被置于高阻抗状态, 这可通过设置端口为
漏极开路输出方式, 并向端口锁存器写 1
来实现。注意, R C 电路可以利用晶体振荡
器电路中已有的电容。
任何有效的复位源都可以使C P U 退出
停机方式。可使C P U 退出停机方式的复位
源有：外部复位( / RST) 、时钟丢失检测器、
比较器0 、外部 A D C 转换启动信号( /
CNVS TR) 等。
一般来说, 一个低功耗的设计应采用
最低的电源电压、最低的S YS CL K 频率,
并尽量使用电源管理方式, 以最大限度地
节省功耗。这些条件中的大多数都可以用
软件实现或控制。
图 2
外部 R C 和晶体振荡器配置
如果器件偶尔进行高速数据转换, 并
使用一个实时时钟为数据提供时间间隔,
则一个内部振荡器和外部晶体的组合将是
最理想的。在采样操作期间应使用高速内
部振荡器, 采样结束后使用一个外部
32 k Hz 晶体以维持实时时钟。一旦重新需
要高速操作, 器件将切换到内部振荡器, 如
图一所示。
R C 电路振荡器的启动几乎是瞬间完
成的, 而晶体振荡器的启动时间是比较可
观的。因此, 从R C 振荡器切换到外部晶体
振荡器时要经过下列过程：切换到内部振
荡器；将作为 R C 电路电源的端口引脚设
置为漏极开路, 并向该端口引脚写1 ( 高阻
抗状态)；启动晶体( 设置XF CN 位)；等待1
毫秒；查询外部晶体有效位( XTLVLD)；切
换到外部振荡器。
参考文献
从外部晶体振荡器切换到R C 振荡器
的步骤如下：切换到内部振荡器；关闭晶
体振荡器( 清除 XF CN 位) ；驱动电源端口
引脚到高电平( 到VD D) , 通过选择端口为
推挽输出方式, 并向端口锁存器写 1 来实
现；切换到外部振荡器。
[ 1] 何立民. MCS- 51 系列单片机应用系统
设计[ M] . 北京: 北京航空航天大学出版
社, 1990.
[ 2 ] 张毅刚, 等. MCS - 5 1 单片机应用设计
[ M] . 哈尔滨: 哈尔滨工业大学出版社,
1997.
图 1
内部振荡器和外部晶体源配置
晶体振荡器和内部振荡器可以同时工
作, 每一个都可以根据需要被选为系统时
钟源。为了减少电源电流, 在使用内部振
荡器时可停止晶体振荡器。在这种情况
下, 当从内部切换到外部振荡器时, 设计者
必须考虑切换系统时钟源时的启动延迟。
[ 3 ] 何立民. I 2C 总线应用系统设计[ M] . 北
京: 北京航空航天大学出版社, 19 9 5 .
[ 4] 张友德. 飞利浦80C51 系列单片机原理
与应用技术手册[ M] . 北京: 北京航空航
天大学出版社, 199 2.
2 降低电源电压
C MO S 逻辑电路中的电流与电源电压
成正比, 而功耗与电源电压的平方成正比。
因此, 降低器件的供电电压可以减小功耗。
C8051F 系列器件所要求的电源电压为2. 7～
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