【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 振蕩器消耗數(shù)字電源電流的典型值為200μA，用于驅(qū)動(dòng)外部振蕩器的電流是變化的。對(duì)于一個(gè)外部振蕩源(如晶振)，驅(qū)動(dòng)電流(由模擬電源提供)用軟件通過(guò)配置外部振蕩器控制寄存器OSCXCN的XFCN位來(lái)設(shè)置。在驅(qū)動(dòng)電流較大時(shí)用戶町以使用內(nèi)部振蕩器以降低功耗。 數(shù)字設(shè)備的能量淌耗主要是由CPU電流的大小來(lái)衡量的。CPU的電源模式是決定CPU電流大小、工作電壓及系統(tǒng)時(shí)鐘頻率的關(guān)鍵因素。通常，溫度和數(shù)字外圍設(shè)備對(duì)數(shù)字設(shè)備的功耗只有很小的影響。(1) OPU電源管理模式 CPU有3種操作模式：正常狀態(tài)，空閑狀態(tài)與停止?fàn)顟B(tài)。通常，空閑狀態(tài)的平均電流值受控于內(nèi)部振蕩器。正常模式時(shí)的電流值減去空閑模式時(shí)的電流值即為CPU正常運(yùn)行的工作電流值。當(dāng)寫(xiě)l到IDLE位時(shí)，CPU結(jié)束指令周期進(jìn)入低功耗模式，直到被中斷或復(fù)位喚醒。在空閑模式下，所有的模擬與數(shù)字外圍設(shè)備，存儲(chǔ)器與內(nèi)部寄存器都保持原來(lái)的值不變。被喚醒后，CPU開(kāi)始從設(shè)置空閑方式選擇位指令的下一條指令開(kāi)始執(zhí)行。當(dāng)寫(xiě)1到STOP位時(shí)，CPU進(jìn)入停機(jī)模式。設(shè)置停機(jī)模式后，當(dāng)前指令被執(zhí)行完畢，內(nèi)部振蕩器及所有的數(shù)字外圍設(shè)備全部停止工作。模擬外設(shè)(如比較器與外部振蕩器)保留其當(dāng)前的狀態(tài)。在停止?fàn)顟B(tài)，MCU消耗最少的電流。(2) OPU工作電壓、頻率及溫度對(duì)功耗的影響 工作電壓：CPU的工作電流會(huì)隨著供電電壓的升高而增大。這種關(guān)系存在于任意一種工作頻率下，尤其在高頻運(yùn)行時(shí)表現(xiàn)得更為明顯。理論上供電電壓最小可達(dá)到2．7 V，但由于電壓調(diào)整本身有177。10％的誤差率，因此系統(tǒng)通常供電電壓不會(huì)低于3V。 溫度：溫度對(duì)系統(tǒng)的功耗無(wú)影響。 工作頻率：CPU工作頻率對(duì)系統(tǒng)功耗有主要影響。在CMOS數(shù)字邏輯器件中，功耗與系統(tǒng)時(shí)鐘SYSCLK頻率成正比： 功耗=CV2f式中：C是CMOS的負(fù)載電容；V是電源電壓；f是SYSCLK的頻率。 因此，為了降低功耗，設(shè)計(jì)者必須知道給定系統(tǒng)所需的最高SYSCLK頻率和精度。某些設(shè)計(jì)口可能需要其系統(tǒng)時(shí)鐘頻率在全部工作時(shí)間內(nèi)保持不變。在這種情況下，設(shè)計(jì)者將選擇滿足要求的最低頻率．并采用消耗最低功率的振蕩器配置。／0接口的功耗分析 數(shù)字外圍設(shè)備(計(jì)數(shù)器、UART、PCA、SPl)的損耗占系統(tǒng)總功耗的比例很小。舉個(gè)例子，當(dāng)C8051F單片機(jī)工作在3．06MHz(內(nèi)部振蕩器8分頻)，3 V電壓時(shí)，沒(méi)有一個(gè)數(shù)字外圍設(shè)備端口的工作電流超過(guò)700μA；而在啟動(dòng)計(jì)數(shù)器作為UARTO數(shù)據(jù)傳輸時(shí)鐘后，系統(tǒng)的工作電流會(huì)增加18μA。這里，計(jì)數(shù)器與UART的功率損耗主要由其時(shí)鐘頻率及工作電壓來(lái)決定。利用交叉開(kāi)關(guān)配置通用I／O口為推挽模式，也能夠影響功耗的大小。在上述例子中，如果利用交叉開(kāi)關(guān)將UARTO的TX端分配到P0．4口，則配置端口為推挽模式將令系統(tǒng)的工作電流再增加82μA。輸出引腳的功耗由連接在該引腳的外部電路頻率決定。 模擬外圍設(shè)備功耗是ADC、溫度傳感器、內(nèi)部偏置電壓產(chǎn)生器及內(nèi)部振蕩器的功耗和。通常，只要ADC、內(nèi)部振蕩器或溫度傳感器被激活，內(nèi)部偏置電壓產(chǎn)生器就會(huì)自動(dòng)被使能，ADC在轉(zhuǎn)換期間的工作電流比ADC沒(méi)有轉(zhuǎn)換時(shí)的工作電流大30％～50％。SAR轉(zhuǎn)換時(shí)鐘頻率與采樣頻率也影響了功耗的大小。由于增加SAR轉(zhuǎn)換時(shí)鐘頻率或降低采樣率會(huì)縮短每次A／D轉(zhuǎn)換的時(shí)間，使系統(tǒng)在轉(zhuǎn)換間隙有更多的時(shí)間處于空閑狀態(tài)，因此會(huì)大大降低系統(tǒng)功耗。 降低功耗的幾點(diǎn)考慮 要降低系統(tǒng)的平均功耗，需要從兩個(gè)方面考慮：首先是適當(dāng)調(diào)整在所有時(shí)間一直影響系統(tǒng)工作的參數(shù)。通常工作電壓是重點(diǎn)考慮的參數(shù)。工作電壓決定了系統(tǒng)是否能夠處于正常運(yùn)作狀態(tài)，它可以由電壓調(diào)整器或一個(gè)電池來(lái)提供。對(duì)于一個(gè)節(jié)能系統(tǒng)，工作電壓應(yīng)該被最小化，以節(jié)約能量。第二點(diǎn)就是構(gòu)建合理的固件結(jié)構(gòu)降低以功耗。要為系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩個(gè)工作模式：一個(gè)為高效的運(yùn)作模式；另一個(gè)則是以降低功耗為日地的睡眠模式。兩個(gè)模式的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不同，但應(yīng)盡量讓系統(tǒng)在大部分時(shí)間內(nèi)處于睡眠模式，以降低系統(tǒng)的總功耗。下面詳細(xì)討論這兩個(gè)方面的設(shè)計(jì)。、減小工作電流 工作電壓對(duì)系統(tǒng)的總功耗起著舉足輕重的作用。對(duì)于節(jié)能系統(tǒng)．應(yīng)該盡量在保證系統(tǒng)安全可靠的前提下采用最低的工作電壓。通常電壓調(diào)整器會(huì)有土10％的誤差率，因此在設(shè)計(jì)工作電壓時(shí)，最低的工作電壓應(yīng)該為3V，此時(shí)電壓調(diào)整器的輸出電壓在2．7V與3．3V之間。也可以選擇用電池。在這里推薦使用鋰電池，鋰錳二氧化氮電池能夠無(wú)須任何調(diào)節(jié)地輸出穩(wěn)定的2．85V電壓，并且該電池能夠直接連接到設(shè)備的電源引腳。無(wú)須擔(dān)心電池耗盡時(shí)會(huì)對(duì)系統(tǒng)工作有不良的影響，因?yàn)樵贑8051F系列單片機(jī)中，片上電源監(jiān)控器能夠確保在電池耗盡后系統(tǒng)自動(dòng)復(fù)位。由于工作電壓通常是恒定的，因此經(jīng)常通過(guò)減小平均電流來(lái)降低系統(tǒng)的總功耗。平均工作電流是系統(tǒng)在單位時(shí)間內(nèi)消耗的電荷量。對(duì)一個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其總的運(yùn)行時(shí)間應(yīng)該被分為兩個(gè)部分——高效工作期與低功耗體眠期，如圖l所示。高效工作期的工作電流偏大，而休眠期的電流非常小。平均工作電流是系統(tǒng)在這兩部分時(shí)問(wèn)的總電荷量與時(shí)問(wèn)相除所得的平均值。因此，如果想減小平均電流值，唯有通過(guò)兩種方法解決——縮短高效工作期的時(shí)間或減小高效工作期的峰值電流。設(shè)計(jì)者應(yīng)該盡量從這兩方面著手設(shè)計(jì)系統(tǒng)，以達(dá)到降低總功耗的目的。 工作功耗與休眠功耗 可以通過(guò)設(shè)計(jì)低功耗休眠模式，令系統(tǒng)在非工作期一直處于低消耗狀態(tài)，從而達(dá)到減小整個(gè)系統(tǒng)工作電流的目的。休眠模式可以通過(guò)將電源管理模式設(shè)定為空閑或停機(jī)狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)。通常會(huì)設(shè)定空閑模式，因?yàn)樵撃Ｊ礁菀妆换謴?fù)。需要注意的是，在休眠模式下應(yīng)該關(guān)閉所有不需要的外圍設(shè)備，并配置體眠模式的時(shí)鐘為外部振蕩器。因?yàn)橥獠空袷幤髂軌蚪箖?nèi)部振蕩器的振蕩，并能以非常低的時(shí)鐘基準(zhǔn)進(jìn)行振蕩。這里有兩個(gè)可選的振蕩器：。 外部電容模式振蕩器消耗的功耗比晶振低，但沒(méi)有晶振精確。其優(yōu)勢(shì)在于能夠使鐘控外圍設(shè)備(如定時(shí)器)的頻率低度低于10kHz。同時(shí)由于其組成只包含1個(gè)電容，相比于晶振的2個(gè)裝載電容及1個(gè)電阻器結(jié)構(gòu)，能夠節(jié)省PCB板的空間。若在沒(méi)計(jì)中使用了高頻晶振，則可將裝載電容連接到XTAL2引腳，作為外部振蕩器使用，并可在C模式下為休眠模式提供一個(gè)較低頻率的時(shí)鐘。 高效運(yùn)作模式的設(shè)計(jì)應(yīng)該以盡可能縮短完成作業(yè)所需時(shí)間為標(biāo)準(zhǔn)，使得系統(tǒng)能夠盡快地恢復(fù)到休眠模式。模式的設(shè)計(jì)包括調(diào)整工作電流的峰值以及時(shí)鐘頻率，以減小高效工作期問(wèn)的總電荷量。通常在高效工作模式下使用內(nèi)部振蕩器，更有益于系統(tǒng)總功耗的降低。 下面以ADC采樣為例，比較、分析兩種設(shè)計(jì)中系統(tǒng)功耗的消耗率情況。 片上溫度傳感器以10Hz速率采樣，系統(tǒng)的外部晶振連接到XTAL1與XTAL2之間。定時(shí)器2每100ms溢出產(chǎn)生一個(gè)中斷，將系統(tǒng)從空閑模式喚醒。當(dāng)系統(tǒng)被激活后，系統(tǒng)捕捉ADC采樣數(shù)據(jù)，然后重新返回空閑模式，直到下一個(gè)中斷發(fā)生。 由于該系統(tǒng)是電池供電，因此系統(tǒng)應(yīng)盡量減少每次A/D采樣所消耗的電荷。由于電荷量是一段時(shí)間內(nèi)電流的總量，因此可以通過(guò)縮短采樣時(shí)間或減小采樣時(shí)的峰值電流來(lái)節(jié)約能量。也就是說(shuō)，在捕捉ADC采樣數(shù)據(jù)時(shí)，系統(tǒng)可以選擇轉(zhuǎn)換到3MHz的內(nèi)部振蕩器，在短時(shí)間內(nèi)使用大的電流；或是用外部32kHz晶振作為系統(tǒng)振蕩器，使單片機(jī)在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)使用較小的電流值。 根據(jù)以上分析，進(jìn)行了兩種設(shè)計(jì)。一種設(shè)計(jì)是在采樣時(shí)一直采用外部32．768kHz晶振作為系統(tǒng)時(shí)鐘基準(zhǔn)；另一種設(shè)計(jì)是在采樣時(shí)將振蕩器轉(zhuǎn)換到內(nèi)部振蕩器，以縮短A／D轉(zhuǎn)換的時(shí)間。兩個(gè)系統(tǒng)在不采樣時(shí)都處于同樣的空閑模式。 第1個(gè)系統(tǒng)從空閉模式被喚醒后，系統(tǒng)直接啟動(dòng)了ADC設(shè)備開(kāi)始采樣。系統(tǒng)沒(méi)有轉(zhuǎn)換到內(nèi)部振蕩器，而是仍采用原來(lái)的32kHz晶振作為系統(tǒng)的時(shí)鐘基準(zhǔn)。A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束后，系統(tǒng)讀取采樣值，關(guān)閉ADC并重新進(jìn)入空閑模式。為了捕捉采樣數(shù)據(jù)，系統(tǒng)在峰值工作電流O．65mA上持續(xù)了1．5ms。第2個(gè)系統(tǒng)從空閑模式被喚醒時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)內(nèi)部振蕩器與ADC，轉(zhuǎn)換系統(tǒng)時(shí)鐘基準(zhǔn)為內(nèi)部振蕩器8分頻模式，并開(kāi)始ADC轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換完成后，讀ADC數(shù)據(jù)，而后停止ADC及內(nèi)部振蕩器并令CPU回到空閑模式。為了捕捉ADC采樣數(shù)據(jù)，系統(tǒng)在峰值工作電流2．2 mA上持續(xù)了400μs。利用公式：計(jì)算可得，第1種設(shè)計(jì)系統(tǒng)的平均電流為15μA；而第2種設(shè)計(jì)系統(tǒng)的平均工作電流為14μA。在3V鋰電池供電的情況下．第1種設(shè)計(jì)電池的壽命為4000h；而第2種設(shè)計(jì)電池的壽命為42000h。 從這個(gè)例子可以看出，在系統(tǒng)高效工作時(shí)提高系統(tǒng)的叫鐘頻率能夠減小系統(tǒng)的平均工作電流，從而降低系統(tǒng)的總功耗。7. 鋰電池充電供電保護(hù)電路設(shè)計(jì)鋰離子電池允許充電的電壓范圍是：~。如果電池電壓超出允許的范圍，則禁止充電。電池進(jìn)行持續(xù)供電時(shí)，電池電壓會(huì)不斷降低，應(yīng)當(dāng)關(guān)閉電池供電回路，禁止其對(duì)外繼續(xù)供電，避免電池?fù)p壞。但切斷供電進(jìn)行保護(hù)時(shí)，必須配合適當(dāng)延遲時(shí)間，以避免干擾而造成誤判斷。當(dāng)電池供電電流過(guò)大，超出其額定功率，電池會(huì)產(chǎn)生較高的熱量，致使本身溫度過(guò)高，有爆炸的危險(xiǎn)。所以此時(shí)保護(hù)電路應(yīng)該關(guān)閉電池供電，執(zhí)行過(guò)流保護(hù)功能。至于保護(hù)時(shí)電流的大小，則根據(jù)電池的額定功率和負(fù)載的大小加以設(shè)定。值得注意的是：保護(hù)電路不能因?yàn)樨?fù)載需要短時(shí)間的大電流而誤動(dòng)作，所以必須提供不同的過(guò)供電電流保護(hù)延遲時(shí)間，以提高電路工作的穩(wěn)定性。保護(hù)電路以8051單片機(jī)為控制核心，監(jiān)測(cè)電池電壓與回路電流，并控制2個(gè)MOSFET的柵極，MOSFET在電路中起開(kāi)關(guān)作用，分別控制著充電回路與供電回路的導(dǎo)通與關(guān)斷，該電路具有過(guò)充電保護(hù)、過(guò)供電保護(hù)、過(guò)電流保護(hù)與短路保護(hù)功能。 ，2個(gè)MOSFET都處于導(dǎo)通狀態(tài)，電池可以自由地進(jìn)行充電和供電，由于MOSFET的導(dǎo)通阻抗很小，通常小于60mΩ，因此其導(dǎo)通電阻對(duì)電路的性能影響很小。鋰離子電池要求的充電方式為恒流/恒壓，在充電初期，為恒流充電。隨著充電過(guò)程，轉(zhuǎn)為恒壓充電，直至電流越來(lái)越小。電池在被充電過(guò)程中，如果充電器電路失去控制， 鋰電池充電供電保護(hù)電路原理圖電。此時(shí)電池電壓仍會(huì)繼續(xù)上升，電池的化學(xué)副反應(yīng)將加劇，會(huì)導(dǎo)致電池?fù)p壞或出現(xiàn)安全問(wèn)題。,比較器LM139翻轉(zhuǎn)，，使Q2由導(dǎo)通為關(guān)斷，從而切斷了充電回路，使充電器無(wú)法再對(duì)電池進(jìn)行充電,起到過(guò)充電保護(hù)作用。而此時(shí)由于Q2自帶的體二極管V2的存在，電池可以通過(guò)該二極管對(duì)外部負(fù)載進(jìn)行供電。,還應(yīng)有1s左右延時(shí)，以避免因干擾而造成誤判斷。 電池在對(duì)外部負(fù)載供電過(guò)程中，其電壓會(huì)隨著供電過(guò)程逐漸降低，其容量已被完全放光，此時(shí)如果讓電池繼續(xù)對(duì)負(fù)載供電，將造成電池的永久性損壞。電池供電時(shí)，,，使Q1由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷，從而切斷了供電回路，使電池?zé)o法再對(duì)負(fù)載進(jìn)行供電，起到過(guò)供電保護(hù)作用。而此時(shí)由于Q1自帶的體二極管V1的存在，充電器可以通過(guò)該二極管對(duì)電池進(jìn)行充電。，應(yīng)有一段100ms左右的延時(shí)，以避免因干擾而造成誤判斷。由于鋰離子電池的化學(xué)特性，電池供電電流最大不能超過(guò)2C，當(dāng)電池超過(guò)2C電流供電時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致電池的永久性損壞或出現(xiàn)安全問(wèn)題。電池在對(duì)負(fù)載正常供電過(guò)程中，供電電流在經(jīng)過(guò)串聯(lián)的2個(gè)MOSFET時(shí)，由于MOSFET的導(dǎo)通阻抗，會(huì)在其兩端產(chǎn)生一個(gè)電壓，該電壓值U=IRDS2,，RDS為單個(gè)MOSFET導(dǎo)通阻抗。負(fù)載因某種原因?qū)е庐惓?，使回路電流增大，，使Q1由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷，從而切斷了供電回路，使回路中電流為零，起到過(guò)電流保護(hù)作用。在檢測(cè)到過(guò)電流發(fā)生至發(fā)出關(guān)斷V1信號(hào)之間，也有一段為13ms左右延時(shí)，以避免因干擾而造成誤判斷。電池在對(duì)負(fù)載供電過(guò)程中，若回路電流大到使U1U ，則判斷為負(fù)載短路,，INT1采到低，系統(tǒng)進(jìn)中斷，控制Q1由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷，從而切斷供電回路,起到短路保護(hù)作用。短路保護(hù)的延時(shí)時(shí)間極短，通常小于7μs。其工作原理與過(guò)電流保護(hù)類似，只是判斷方法不同，保護(hù)延時(shí)時(shí)間也不一樣。過(guò)充、過(guò)放和過(guò)流保護(hù)采用查詢方式。一個(gè)程序周期內(nèi)查詢一次即可，短路保護(hù)采用中斷方式。如果電池發(fā)生短路，立刻進(jìn)入中斷處理程序，關(guān)斷Q1，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的及時(shí)保護(hù)。 鋰電池保護(hù)電路軟件流程圖8. 結(jié)論本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)電池供電微電阻測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)。主要進(jìn)行了鋰電池充電供電及其保護(hù)電路的設(shè)計(jì)，采用補(bǔ)償法實(shí)現(xiàn)了對(duì)微電阻測(cè)量的設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)如何降低功耗進(jìn)行了進(jìn)一步的思考。致謝四年的讀書(shū)生活在這個(gè)季節(jié)即將劃上一個(gè)句號(hào)，而于我的人生卻只是一個(gè)逗號(hào)，我將面對(duì)又一次征程的開(kāi)始。四年的求學(xué)生涯在師長(zhǎng)、親友的大力支持下，走得辛苦卻也收獲滿囊，在論文即將付梓之際，思緒萬(wàn)千，心情久久不能平靜。 偉人、名人為我所崇拜，可是我更急切地要把我的敬意和贊美獻(xiàn)給一位平凡的人，我的導(dǎo)師。我不是您最出色的學(xué)生，而您卻是我最尊敬的老師。您治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，學(xué)識(shí)淵博，思想深邃，視野雄闊，為我營(yíng)造了一種良好的精神氛圍。授人以魚(yú)不如授人以漁，置身其間，耳濡目染，潛移默化，使我不僅接受了全新的思想觀念，樹(shù)立了宏偉的學(xué)術(shù)目標(biāo)，領(lǐng)會(huì)了基本的思考方式，從論文題目的選定到論文寫(xiě)作的指導(dǎo),經(jīng)由您悉心的點(diǎn)撥,再經(jīng)思考后的領(lǐng)悟,常常讓我有“山重水復(fù)疑無(wú)路,柳暗花明又一村”。 感謝我的爸爸媽媽，焉得諼草，言樹(shù)之背，養(yǎng)育之恩，無(wú)以回報(bào)，你們永遠(yuǎn)健康快樂(lè)是我最大的心愿。在論文即將完成之際，我的心情無(wú)法平靜，從開(kāi)始進(jìn)入課題到論文的順利完成，有多少可敬的師長(zhǎng)、同學(xué)、朋友給了我無(wú)言的幫助，在這里請(qǐng)接受我誠(chéng)摯謝意！ 同時(shí)也感謝學(xué)院為我提供良好的做畢業(yè)設(shè)計(jì)的環(huán)境。 最后再一次感謝所有在畢業(yè)設(shè)計(jì)中曾經(jīng)幫助過(guò)我的良師益友和同學(xué)，以及在設(shè)計(jì)中被我引用或參考的論著的作者。