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嵌入式系统低功耗相关技术发展与应用

供稿:中国工控网 2003/11/24 0:00:00

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随着计算机技术和微电子技术的迅速发展,嵌入式系统应用领域越来越广泛。当今,嵌入式系统已成为一个时髦的名词,就像当初的计算机热潮,似乎比当初的计算机热潮涉及的领域更广泛,相关应用技术人员更多,相关国民经济产值也更庞大。报纸、杂志、网络都把嵌入式系统当作讨论的热门话题。
嵌入式系统中,尤其是以微控制器为核心的嵌入式系统的特点很值得我们注意。嵌入式系统低功耗技术是其中不可忽视的重要内容。1. 低功耗是国际上节能和绿色环保的要求
实际上节能是全球化的热潮,如计算机里的许多芯片过去用5V供电,现在用3.3V、1.8V,并提出了绿色电器的概念。很多厂商很注重微控制器的低功耗问题,例如NEC公司从一开始就注重把功耗做得很低,NEC微控制器的stop方式可把电流降到0.02微安。日本制造微控制器的时间在美国之后,开始是生产与美国兼容的微控制器,但很快在低功耗方面做得很出色。微控制器种类很多,使用时可改变和设置的内容也很广泛,包括时钟的频率、CPU的频率,设置时有很多的表格,看起来好象很烦琐,实际上用起来很省事,在不工作任务少的时候,可把CPU的频率降得很低,几兆直至几十Hz,功耗则随频率呈非线性下降。低功耗的必要性有多大?过去220V、380V电源随便用,很少考虑到功耗问题;而现在强调绿色环保手持式(使用电池)产品越来越多。低功耗单片机系统不仅在手持式装置中是必需的,在工业现场仪表中也需要低功耗单片机。从近两年的多国仪器仪表展上可以发现,有些工业仪表已经改成了用电池供电,不只一家国外公司展出了使用电池的工业流量计。也许我们当时并不十分了解这么做原因,但国外这么做必有其道理。这种仪表放上电池后5年甚至10年不用换电池、不用维护,免除了通常工厂每年要停产半个月-20天检修仪表的麻烦。2. 嵌入式系统核心硬件的单片化,为大幅度降低功耗提供了技术基础
单片机的真正单片化已经成为单片机发展主流,绝大部分资源都在单片机芯片内部,不需要扩展。过去的单片机一般都需要进行各种扩展,如ROM、RAM、A/D、D/A、数字量I/O、显示驱动等。现在的单片机,大部分都是单芯片工作,过去需要扩展才能实现的功能,在单片机内部都可以完成。单片机的真正单片化,省去了大量的硬件开发调试工作,使用方便,工作效率大大提高;单片机系统的可靠性、抗干扰能力大大提高,经过实验测试,同样功能的系统,采用单片方式比总线扩展方式天生就要强很多;系统成本降低;微控制器的电源电压可以很容易地降下来,电源电压降低后,系统功耗可以大幅度非线性降低。例如,NEC微控制器将很多硬件已做到芯片中去,硬件的冗余很大,靠特殊功能寄存器选择使用不同的硬件。这给嵌入式系统的低功耗设计提供了很强的支持,内部以低功耗、低电压的原则设计,靠软件选择其中不同的硬件,而功耗和成本明显低于非单片方式微控制器组成的系统。这与我们过去的习惯不同,过去,我们用8031微控制器觉得没什么不方便,只是把外部扩展一下就行了。因而觉得日本人很繁琐、叫真,后来才发现日本人干事情非常认真、仔细,能考虑的尽量考虑,所以能成功的使一个系统单片化,功耗在stop时能降为0.02微安。微控制器的发展和更新速度很快,每个微控制器厂家都有几十到几百个品种,很多特性今年与去年就会有很多不同。这就涉及到资料的及时更新与获取。许多外国公司给资料时,若是不重要的用户,很多人觉得资料给得很吝啬。因此,北京单片机联谊会与中国单片机学会建立的“中国单片机综合服务网”,微控制器厂商都可把信息、资料、数据放到网上。这样,微控制器厂商可以大大减少资料费支出,又可及时有效地使各个层次的使用者得到需要的服务,而各个层次的微控制器开发使用者可以及时、方便的从网站得到自己所需要的技术资料和数据。网站的另外功能是,初次使用微控制器的用户虽然了解的信息少,但网站提供智能选型,只要用户提出具体的要求,在网上都可找到满意的选型方案。同时也使绝大多数用户减少资料检索和微控制器选型工作量。3. 嵌入式系统核心硬件电源电压允许在很宽范围内波动,为提高电池利用率提供了技术基础
单片机芯片工艺特点等,决定了单片机在很宽的电源电压范围内都能正常工作。例如,NEC公司的78K0和78K0S系列、富士通公司、EPSON公司的单片机,电源电压可以在1.8V~5.5V间变化已经是很普通的,甚至有更宽的范围。单片机供电电压范围的放宽,可以进一步拓宽单片机应用领域,尤其是便携式或手持式仪器或装置,可以放心地使用电池作为电源,而不必关心电池放电过程电压曲线是否平稳、是否会因此影响单片机正常工作,更不必因电池供电而专门增加稳压电路,从而可减少1/2~1/3的功率消耗。微控制器的电源电压可上可下,此特性向国内做仿真器的厂家提出了新的挑战,微控制器电源电压可从6V降到1.8V,工作期间电压可在此范围波动,而国内的仿真器目前还达不到要求,一般只能单5v工作 。低电压与高电压时电路的状态是有区别的,很多微控制器开发应用人员需要在实际工作电压条件下进行仿真和调试。4. 电池直接供电和低功耗提供了应用系统抗干扰新方法
低功耗嵌入式系统省却了很多难度较大的工作。例如,数据采集时一般对精度有较高要求,但并不是买一个分辨率高的A/D转换芯片就能解决问题了,干扰常常困扰着开发者:14-bit ADC使用后与10-bit ADC相比并没有获得应有的精度,信号不变时它也跳,这是电路设计的问题,包括原理问题以及PCB板的问题。其实这里有个捷径:如果选用低功耗的器件,并改用电池供电,这个问题往往就由另一个途径解决了,简化了问题。再如,仪器仪表有时在实验室状况下没问题,连续烧机72小时,甚至旁边使用电钻、电焊机都没问题;而到现场还频繁出现因干扰而影响精度问题,这一般不是来自外界的问题,而是电源之间的串扰。若改用电池,这个问题则可以巧妙地解决了。微控制器(单片机)技术的发展,大大促进了嵌入式系统的发展,相关的嵌入式操作系统也正被人们所了解,嵌入式操作系统绝大部分是以C语言为基础的,因此使用C高级语言进行嵌入式系统开发是一项带有基础性的工作。使用高级语言的优点是显而易见的,工作效率高,开发周期短,开发成果可靠性高,可维护性好,便于不断完善和升级换代等。这也使得我们能有更多的时间和精力用于系统的低功耗开发研究。这些正是当今科研开发所需要的,也是市场经济激烈竞争中立于不败之地的有效保证之一。5. 嵌入式系统低功耗相关技术应用5.1 选用节能的微处理器
同样的工作状态,电源电压不同,功耗是非线性增加的。例如,根据日本NEC公司提供的技术数据,78P014单片机在主晶振停振而副晶振正常振荡时功耗随电源电压的变化情况见表(1)表(1 ) NEC P78014在副晶振工作时的耗电流情况
 

电源电压(V)

2.7

3

3.5

4

4.5

5

5.5

所耗电流(mA)

3.0

4

5.5

8

11

14.5

18

5.2 尽量选用CMOS集成电路
CMOS集成电路(Complementary Metal Oxide Semiconductor)即互补金属-氧化物-半导体集成电路,它最大的优点是微功耗(静态功耗几乎为零),其次的优点是输出逻辑电平摆幅大,因而抗干扰能力强,同时它的工作温度范围也宽,因此CMOS电路一开始出现就和低功耗便携式仪器仪表结下了不解之缘。早期的CMOS电路速度比较低,但随着HCMOS电路的出现,其速度已完全能够和LS TTL电路兼容。目前几乎所有的LS TTL电路、存储器、单片微机和其外围电路都有了相应的CMOS电路,它们的功能、使用和管脚几乎完全一样,基本上可以直接代替。所以目前低功耗单片机系统使用的几乎全部是CMOS(HCMOS)集成电路。5.3 采用电池低电压供电
系统功耗和系统的供电电压存在着一定的函数关系。供电电压越高,系统功耗也就越大。目前已经出现了不少低电压供电(小于4.5V)的单片机及其外围电路,EPSON的单片机、富士通的单片机、 NEC 78K系列单片机工作电压可低至1.8V。在1.8V~6V之间均可正常工作,而且对于测量精度没有影响。在设计开发中要注意,单片机电源电压可以从6V降到1.8V,工作期间电压可以在该范围波动,但是国内的仿真器还达不到这个要求,一般都在5V下仿真工作。这时候的仿真和真正的工作状态是有区别的,所以单片机系统设计完之后一定要进行低电压测试,避免仿真时可以用,实际应用时出现问题。5.4 尽量使用“高速低频”工作方式
低功耗单片微机系统中几乎全部采用的是CMOS器件,而CMOS集成电路由自己的结构所决定,它静态功耗几乎为零,仅在逻辑状态发生转换期间,电路有电流流过。所以它的动态功耗和它的逻辑转换频率成正比,和电路的逻辑状态转换时间成正比。所以,CMOS集成电路从降低功耗的角度上来说应当快速转换,低频率地工作。5.5 充分利用微控制器上集成的功能
微控制器已经将许多硬件集成到一块芯片之中,使用这些功能比用扩展方式扩展外围电路要有效得多。首先单片化的成本要比使用扩展方式低,而且性能更好。如外围器件的驱动电压很难降低到微控制器芯片的水

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