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C8051F单片机低功耗系统设计方法探讨

更新时间：2019-10-10 13:53:22 大小：46K 上传用户：asd1006461468 查看TA发布的资源 标签：c8051f 单片机 下载积分：1分评价赚积分（如何评价?）打赏收藏评论(0) 举报

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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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