单片机低功耗技术应用研究

摘 要：伴随着全球能源资源消耗的加大，“低碳环保”的概念成为各个领域研究的热点。基于单片机的微型系统在各个行业的大量应用带来了能源消耗的增加，成为目前限制单片机应用的重大因素。本文主要对目前降低单片机功耗的技术进行研究，并且对其具体的应用进行分析。

关键词：单片机；低功耗技术；应用

中图分类号：TP368.1 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 （2013） 08-0000-01

一、引言

近年来，随着单片机技术的大规模普及和应用，单片机已经涉及到了生产和生活的各个领域。在单片机技术得到大规模的同时，其带来的能源消耗也是不容忽视的。在大多数的领域，尤其是在涉及到大规模应用的情况下，人们更加看重的是单片机的功耗性能。随着CMOS工艺的成熟和投入应用，给低功耗单片机的的设计带来了新的途径。在基于单片机的系统中，功耗主要可以分为系统运行功耗和待机功耗两大类。其中系统运行功耗是指在系统的运行过程中产生的功耗，此时主要是用来执行有效的处理。待机功耗主要是指在系统的待机过程中产生的功耗，这一部分都是无效的，对于系统来说是无益的。因此，降低单片机的功耗可以从这两个方面入手。

二、单片机低功耗技术

单片机的低功耗技术主要是从单片机的设计出发，对单片机产生功耗的部分进行优化，从而达到降低功耗的目的。根据对目前单片姐低功耗技术的研究，降低功耗的技术主要有以下几种。

（一）提高单片机设计的集成度。在目前的芯片设计中，普遍采用高集成度的设计方式来降低系统的功耗，减少在芯片电路的功耗，这种方式能够有效的降低芯片的整体功耗性能，在单片机的设计中就可以借鉴这种方式来达到降低单片机功耗的目的，即提高单片机单片设计的集成度，减少电路的功耗。

（二）对单片机内部电路做逻辑性划分。在单片机的设计前，通过对单片机的功能需要进行分析，可以将单片机的内部电路划分为几个逻辑组合，在实际的应用中，一般情况下，这些电路中只有一部分参与工作，因此，就可以通过寄存器的方式将这些组合方式进行存储，并且根据具体的应用进行选择，保证需要的电路进行工作，同时不参与工作的电路处在非工作状态，这种方式也能够起到有效降低单片机功耗的效果。

（三）增加单片机的工作电压宽度。在单片机的具体应用过程中，由于单片机的工作电压的限制，一般情况下需要在单片机与电源之间增加一个专用的稳压电路进行电压的转换。因此，可以在单片机的设计过程中增加单片机的工作电压宽度，使得单片机能够工作在更宽的电压范围，可以有效的避免稳压电路对单片机系统产生的功耗。

（四）设计双时钟模式。单片机的功耗情况是与其工作的频率密切相关的，因此可以通过降低单片机工作频率的方式减少单片机的功耗。在单片机的设计过程中，可以设计两套独立的时钟，即一个高频率时钟和一个低频率时钟。实际应用中，当单片机系统处于工作状态时，可以利用高频率的时钟满足工作的需求；当不需要高频率时便可切换到低频率工作模式，使得单片机的功耗降低，起到降低功耗的目的。

三、低功耗技术在CMOS工艺单片机的应用

（一）降低单片机运行功耗。单片机系统的运行模式一般有处理任务和等待处理两种状态。在单片机进行任务处理时，单片机的功耗主要或者全部用来进行任务的处理，这种功耗称为运行功耗。在单片机系统的所有模块都处于运行状态时，此时的单片机功耗也自然达到最大状态。根据CMOS工艺的单片机的设计原理，主要通过以下几种方式来降低单片机系统的运行功耗。

（1）改变电源电压实现低功耗。根据有关的公式我们可以推的，在功耗的影响因素中，电源电压与功耗呈平方正相关性，因此，降低电源电压能够有效的实现降低单片机功耗的目标。而且，在实际的单片机设计应用中，要注意电源电压必须满足单片机系统的整体要求，只有这样才能够更好的实现对于单片机的低功耗使用。

（2）缩减单片机系统的门电路数量。在单片机系统的设计中，单片机系统的功耗等于各个门电路的功耗之和。因此，在单片机的系统设计中，应该尽最大可能减少门电路的数量，并且在器件和模块的选型时，应该尽量选取能够满足功能需求，同时结构比较简单的。这种方式可以实现单片机系统功耗的线性化减小，起到降低系统功耗的作用。

（3）使用尽可能低的时钟频率。在单片机系统的功耗表达式中，功耗的大小与时钟频率也呈现正相关性，因此，降低CMOS工艺的单片机的时钟频率也是实现低功耗的一种重要方式。而且，在单片机系统的设计过程中，首先必须满足系统的工作要求，但是单片机的时钟选取也不能过大，这是实现单片机系统低功耗的基本条件。

（二）降低单片机待机功耗。单片机系统在工作状态以外，大部分时间都是处于待机状态，即此时的功耗是无效功耗。因此，必须采取多种措施将单片机系统的待机功耗降到最低。目前，降低单片机待机功耗的措施主要有以下几个方面：首先可以把降低单片机系统运行功耗的方法应用于降低单片机系统的待机功耗；其次，降低单片机的待机功耗还可以通过终止无效电路的工作状态实现。具体有以下几个方面：

（1）设置单片机系统自动中断。单片机系统的工作状态时间是很有限的，大部分时间是处在待机的状态。因此，可以在单片机设置MCU对各个模块进行管理，可以通过预先设定系统自动中断时间，在系统的待机时间达到门限值时就会启动自动中断，关闭没有处于运行状态的模块，起到降低系统整体功耗的效果。

（2）及时中断无效电路模块。电路模块也会产生一定量的功耗，因此，也有必要对其进行有效的管理。通过预设的功耗控制系统，对长时间处于待机状态的电路模块进行中断，以更好的降低单片机系统的整体功耗。

四、结束语

单片机的大规模应用对于推动人类进步、改变人们的生活方式做出巨大贡献，然而功耗问题也是不容忽视的。单片机低功耗技术的研究能够有效的克服这一限制单片机应用的瓶颈。在未来的单片机发展过程中，应该结合具体的单片机应用需求，针对单片机系统的具体情况，选择适合的低功耗技术进行单片机系统的设计，以期更好的推动单片机的大规模应用。

参考文献：

[1]李月香.单片机低功耗技术及应用[J].计算机应用，2001.

[2]王志军.单片机应用系统中的低功耗设计[J].IC与元器件，2003，07.

[3]王奇，徐文韧，唐克.嵌入式系统的软件低功耗技术实现策略[J].船舶电子工程，2013，3.