用于便携式设备的低功耗MCU系统设计方法及应用

　　4、MCU在低功耗方面的设计方法怎样？ 

　　一般来说，MCU的运行的速度越高，供电电压越高，功耗也就越高。要降低单片机系统的功耗，就要降低单片机系统的供电电压，降低MCU运行的频率。 

　　举例分析说明：客户要做一个无线计时类产品，使用电池做供电电源，要求平均功耗不超过200uA。该产品是间歇工作的：当收到数据时激活，快速处理数据；当空闲时进入休眠状态，来降低功耗，己有不少制造商可达150μA以满兰客户要求。例如，C8051F333型MCU。 

　　4.1 看一下C8051F333的电气参数就知道了 

　　*正常模式，CPU从Flash取指令。 

　　IDD(当Vdd=3.6v F="25MHz时")为10.7mA-11.7mA；IDD (当Vdd=3.0v F="25MHz时")为7.mA-8.3mA；IDD (当Vdd=3.6v F="1MHz时")为0.38mA；IDD (当Vdd=3.0v F="80Hz时")为31μA。  

　　*Idel模式，CPU停止工作。 

　　IDD(当Vdd=3.6v F="25MHz时")为4.mA-5.2mA；IDD (当Vdd=3.0v F="25MHz时")为3.8mA-4.1mA；IDD (当Vdd=3.6v F="1MHZ时")为0.2mA；IDD (当Vdd=3.0v F="80Hz时")为16μA。  

　　光看上面两个模式的数据，肯定不行。因为要满足系统的运行速度，又要满足低功耗≥1MHZ的频率，则功耗都要超过客户的要求。而正确答案是：在不降低MCU运行速度(MCU处理数据时的运行频率是24.5MHZ)的情况下，客户使用C8051F333成功实现了低功耗的要求：比150μA还低， 真可谓鱼和熊掌兼得。 

　　4.2 它是怎样实现的？ 

　　见图1所示。使用了内外两种晶振。工作时使用内部高速晶振24.5MH2，空闲时切换到外部低速晶振32.768KH2，并且进入Idle模式。并且把没有用到的外设全部关闭，就这么简单。由此看出，功耗是一个系统的问题，单片机系统的功耗是由MCU和其外围电路的功耗共同决定的，低功耗是无数个细节省出来的。 

　　5、小尺寸单片机在便携式设备中的应用 

　　面对如今便携式设备提出的挑战单片机，如何应对挑战？而用小尺寸单片机是在一种理想的举措应对，值此以C8051F小尺寸单片机为例，分析其在便携式设备中的应用。为此先介绍C8151F小尺寸单片机应用特征。 

　　5.1 C8051F小尺寸单片机应用特征 

　　概括为：小封装，低功耗， 宽电压工作范围(2.7V-3.6V)， 高速、高集成度与高保密性。 

　　5.2 应用 

　　以TFT屏背光管理、闪信应用为例说明。 

　　5.21 C8051F30X在彩色TFT屏背光中的应用 

　　随着便携式电子设备的普及，人们对其彩色显示屏的要求也越来越高，LED正在被逐步应用于LCD的背光。传统的LED背光是采用白色LED作为背光源，有以下的缺点：一般背光需要多个白色LED，但白色LED有个体差异，一致性不好，容易导致彩色显示屏色彩不均匀，失真等现象；白色LED容易老化，使彩色显示屏的亮度降低。产品如果有这些问题，容易给消费者留下不好的印象，消弱产品的竞争力。 

　　那应该如何去解决这些问题？而采用C8051F30x的彩色TFT屏背光方案就很好地解决了这些问题，其功能框图(见图2所示)如下： 

　　*技术特征 

　　背光采用红、绿、蓝三色LED，发出的光组成白光。因为每种颜色的LED采用串联连接方式，所以使用了AMS高性能的LED Driver AS3691；通过Avago的CoIor Sensor芯片HDJD-S722-QR999，检测R、G和B三色的亮度；C8051F30x根据HOJD-S722-QR999送过来的信号，产生相应的PWM来控制R、G和B三色的亮度，使白光的效果始终在最佳状；同时C8051F30x通过一个 接口与主CPU通讯，接收主CPU对亮度调整的控制命令。 

　　*对MCU的要求 

　　屏的尺寸现在都很紧凑，同时厚度很薄，对MCU的尺寸要求很高，C8051F30x尺寸只有3×3mm，厚度只有0.9mm；要求具备PWM输出，多路输入的ADC和通讯接口；C8051F30x支持3个PWM输出，多路复用的AD输入，支持UART和 通讯接口，3×3mm的封装上可以提供8个用户I/O口。 

　　*方案特点 

　　很好地解决了传统的白光LED个体差异问题，使彩色显示屏的色彩始终处在均匀状态；很好地解决了白光LED老化带来的亮度降低问题；C8051F30X、AS3691和HDJD-S722-QR999封装小，容易和TFT显示屏做成一个模块；C8051F30X有Idee和Stop两种低功耗模式，特别是Stop模式，其功耗小于0.1uA。当系统进入Stop模式时，可以使外围电路关闭，进入省电状态，当需要显示时，由主控制器唤醒。 

　　5.22 C8051F313在手机闪信和计步器中的应用 

　　随着手机的普及，人们对手机的功能要求也越来越高。那些具有彰显个性的手机越来越深受人们的喜爱，特别是年轻一族的喜爱;手机功能的增多，意味着手机体积的增大和功耗的增加，这与人们对手机小巧和待机时间长的要求又成了矛盾；要解决这些矛盾，手机设计者不得不追求元器件的小型化、低功耗和高性能；MCUC8051F313在手机闪信和计步器中的应用就是一个典型例子。图3为C8051F313在手机闪信和计步器功能应用示意框图。 

　　*关于计步器 

　　计步器原理：人在行走或者跑步的加速度与时间轴大致成为一个正弦波；利用加速度，可以计算走了多少步，还可根据步幅进而估算所走的距离。 

　　计步器功能的实现：采用MCUC8051F313和MEMS IC加速度传感器MAX6500；C8051F313采样MAX6500两路加速度传感器的输入，分析加速度，计算出走了多少步；根据步行者的步幅，还可以估算出所走的距离。 

　　*关于手机闪信 

　　手机闪信原理：利用手机上的闪灯，在光线较暗的环境下，通过快速左右摇动手机，利用人类视网膜延时现象，造成视觉残像，从而形成连续的光影信号，令受信者视觉产生连续信息。 

　　手机闪信功能的实现：采用MCUC8051F313和MEMSIC加速度传感器MAX6500；C8051F313接收要显示的信息，并驱动相应的LED；MAX6500检测加速度在X轴和Y轴的分量变化(力的大小和方向)，并送给C8051F313；C8051F313分析MAX6500检测到的加速度信号，对要显示的字符方向实现自动翻转。 

　　*手机闪信和计步器对MCU的要求 

　　体积要求苛刻：手机对MCU提出的要求极其苛刻，要在尽可能小的尺寸上提供最多的1/0口；C8051F313在5×5mm的封装上提供了25个I/O和模拟输入16个I/O口用来驱动16个LED；2个模拟输入用来采样加速度传感器输出；1个标准2线的控制器用来与Baseband CPU进行通讯。 

　　严格的低功耗设计：在STOP模式下功耗小于1μA；良好的I/O口设计确保待机时I/O对外阻抗很高，在兆欧级以上，有效切断I/O口待机功耗。 

　　完善的大批量生产要求：一旦生产，编程数量将非常巨大，具有完善的量产编程方案，快速的手持编程器，无需PC参与，无需操作员熟悉编程方法，具有boot程序，在手机开机时自动加载应用程序，通过C2编程接口进行编程。又具有良好的保密功能。