基于STM8L单片机超低功耗设计的微型血糖仪

张晓宇

(华北科技学院电子信息工程学院，北京东燕郊 101601)

0 引言

对于由电池供电的系统来说，功耗是非常重要的指标[1－3]。通常，要求系统的平均功耗小于某个目标值来保证一个适当的电池续航时间。这意味着系统可以在短时间内功耗较大，而把平均功耗维持在目标值以下。近年应用较多的微功耗控制器有 TI 公司的 MSP430[4－6]及意法的STM8[7－10].

意法半导体公司(ST)推出基于8位STM8内核的超低功耗微控制器STM8L。它采用了全新的超低漏电工艺和优化的体系结构，集合了高性能与超低功耗于一身。STM8L系列有三个子系列，可以满足对低功耗有特殊要求的多种应用。STM8L系列微控制器有以下主要特点:

1)最大工作频率16MHz，4～32K字节闪存，最多2K字节SRAM，供电电压1.8V至3.6V(断电时降至1.65V)。

2)最多四种低功耗工作模式。

3)特有的130nm工艺的超低功耗技术，高级和灵活的时钟系统(多种内部和外部时钟源)。

4)低于1uA的硬件RTC和自动唤醒单元。

5)从低功耗模式极快的唤醒时间;

6)模拟功能可以在低至1.8V下工作，编程电压低至1.65V。

本文采用ST公司STM8L系列MCU，以一种新型便携式血糖仪为应用背景，进行系统的低功耗设计。提出了以此为背景的低功耗方案，然后进行了系统硬件设计及实现，有效发挥其STM8L微控制器的低功耗优势，整体方案微型化，满足产品低功耗技术指标。

1 低功耗系统方案

1.1 STM8L低功耗原理

一般MCU功耗主要受以下因素影响:

1)MCU的芯片封装、面积，所采用的工艺，集成晶体管的数量，片上集成和使用的模拟功能/外设数量等。

2)MCU电源电压:CMOS逻辑电路中消耗的电流与电源电压的平方成正比。因此，可以通过降低供电电压来降低功耗。

3)时钟频率:在不要求进行高速处理的应用中，降低时钟频率可以降低功耗。

4)激活的外设数目或使用的MCU功能数目(CSS、BOR、PVD等):激活的外设数目越多，或使用的MCU功能数目越多，则功耗越大。

5)工作模式:功耗会随着应用所处不同模式而改变(CPU开启/关闭，晶振开启/关闭等)。

STM8L微控制器有4种超低功耗工作模式[11]:

1)低功耗运行(Low－power run)模式:CPU仍在工作，低速振荡器(RTC或内部振荡器)驱动，代码在RAM中运行，功耗典型值小于6uA。

2)低功耗等待(Low－power wait)模式:保持RTC和少量外设工作，在运行模式下执行WFI指令进入此模式。当内部或外部中断产生时，CPU从等待模式唤醒并恢复工作。功耗典型值小于5μA。

3)停机(Halt)模式:主时钟停止，由fMASTER提供时钟的CPU及所有外设均被关闭。MCU通过执行HALT指令进入停机模式，外部中断可将MCU从停机模式唤醒。功耗典型值小于1.5μA。

四种STM8L低功耗模式的主要特性如表1。详细叙述请参看STM8L数据手册[11－13]。

1.2 低功耗方案

微型血糖仪项目设计目标功耗是运行模式电流消耗不超过6mA，睡眠模式电流不超过6μA，以最大限度节省电池待机功耗。这里最大难点是整机待机功耗不超过6μA。

表1 STM8L低功耗模式一览表

根据上述功耗要求，系统分为血糖检测电路、人机接口电路、USB通信接口电路、电源电路等。控制核心选用STM8L151，最高运行频率16M，内置16K闪存，片内集成12位 ADC、DAC、UART、RTC等外设丰富。

系统方案简图如图1所示。血糖检测电路需要MCU输出给葡萄糖氧化酶印刷电极的一个测量电压，然后通过模拟开关控制测量电压加在电极上的时间。测量电路还需要MCU内部1.224V电压基准输出，经过放大2倍后再送给MCU作为ADC和DAC的参考电压。MCU采用4线SWIM接口进行在线调试或烧写程序。

为了使设备能在上位机指令下工作以及测试数据能够方便传出，设计了UART到USB的通信转换接口。利用MCU的UART信号转成USB信号能和PC机连接。

图1 系统整体方案简图

人机接口方案采用2个独立按键及COG液晶显示。选用WLO－0088A型号的COG字符型液晶显示器，可显示16×2个5×8点阵的字符。它主要采用动态驱动原理由行驱动—控制器和列驱动器两部分组成了90(列)×16(行)的全点阵液晶显示。此显示器采用了COG的软封装方式，通过 FPC连接 LCD，连接可靠，工作电压为3.3V，与CPU接口采用I2C串行方式。

为了实现低功耗目标，2节3V干电池首先直接给控制核心供电，保证MCU一直有电，其他外设电路如液晶、模拟开关、血糖测量电路等采用PNP三极管控制供断电。为了达到6uA超低功耗，当测量需要时供给外设电源，测量不需要(睡眠)时给外设断电。其中独立按键和USB通信接口电路不需要电池供电。整个供电如图1细线箭头所示。

为了控制整机睡眠电流，需要对STM8L151进行详细的低功耗设计如下。

巷道围岩不同加载阶段变形破坏特征如图6所示，由图中可以看出，巷道围岩变形破坏特征分为三个阶段：缓慢变形阶段、剧烈变形阶段和严重变形破坏阶段。

1)睡眠时低功耗模式选为Halt，以获得最低CPU静态电流。

2)睡眠时关断液晶、模拟开关及测量电路供电。

3)睡眠时关闭通信接口，将所有MCU的IO口设置至最低功耗状态。

4)睡眠时对MCU内部进行合理设置。

2 系统硬件设计

硬件电路设计均围绕设备功耗为主要问题展开。其中，人机接口、血糖检测及通信接口供电由CPU控制，睡眠时断电。下面给出血糖检测电路及供电电路设计原理。

2.1 血糖检测电路

血糖检测电路如图3所示。其中U2是双运放，5、6、7脚与 R1，R3组成2 倍放大，把 MCU 输出的参考电压放大为2.448V后，用来给R2，RT组成的温度测量电路供电，同时再输出给MCU作为ADC/DAC的参考电压。这是RT是50K热敏电阻，选用型号MF52E－503－3950。

U2运放的1、2、3脚与 R4，C4及 R28组成电流测量电路，是一个电压跟随器。运放3脚接收来自MCU中DAC输出的标准测量电压，此电压经过 L1、C3、D1组成的 LC滤波后更加平稳。MCU用2路ADC分别测量运放第2脚电压及第1脚电压，二者之电压差值除以R4的阻值，即流过印刷电极CZ1的电流值。模拟开关U3，U6受MCU的2个GPIO信号ASC1，ASC2控制。ASC1决定施加给印刷电极电压的时间，ASC2切换电流测量电阻的阻值。R22是本部分模拟电路经磁珠与数字地共地。

2.2 电源电路

仪器整机为3.3V供电，有两路电源，一路是3节7号电池，另一路是当插入USB连接PC机时USB的5V电源。使用AS1360用作DC－DC变换器。AS1360是一种静态电流极低的LDO，当静态时仅耗电1.2μA。

电源电路原理如图4所示。用2个三极管9012控制2个电源VDD1和VDD2，基极用MCU的GPIO控制。VDD1是血糖检测电路供电，VDD2是液晶供电。这样，当设备睡眠时，通过MCU控制所有外设都断电，以使待机功耗最低。

3 低功耗程序设计

低功耗程序设计时，应考虑系统设置如下:

1)在本系统应用中，由于MCU进入Halt模式，唤醒后重启。因此AL位置0。

2)当进入睡眠后，无用的GPIO全部设置为推免输出低电平，以使功耗最低。

3)本应用中，外设时钟包括比较器、ADC、DAC、UART、TIM1，TIM2，TIM3，TIM4(所 有TIM)、Beep、内部电源PVD(低电压检测器)全部关闭。

4)本应用中进入Halt前，清除所有中断。

图3 血糖检测电路原理图

图4 电源电路原理图

5)本应用中唤醒为2路:插入试条中断唤醒和开关机按键唤醒。两种唤醒均为外部中断，下降沿有效。唤醒时钟源选择CLK_ICKCR寄存器的FHW位置0，即系统仍然以睡眠之前的时钟重启。

本系统进入Halt流程如图5所示。

进入Halt模式对应StepIntoHalt()子函数，功能是先设置电源管理寄存器，再设置GPIO，再关RTC时钟，执行halt()指令，进入Halt模式。这里特别指出需要关RTC时钟，不能让RTC工作，否则整机功耗降不到6μA以下。

图5 进入Halt模式流程图

主程序主循环中执行以下代码。先判断是否满足睡眠条件，若满足，先给MCU芯片以外设备断电，再关闭MCU中外设，再把系统时钟切换至LSI最后执行 StepIntoHalt()子函数系统进入睡眠。

4 产品功耗测试

经过开发调试，重点测试了整机工作电流，获得如表2数据。

表2 整机功耗(电流)测试数据表

共选用4台整机设备，每台测量10次。从数据表中可以看出，工作状态整机电流小于6mA，进入睡眠后整机工作电流不超过5μA，达到了低功耗设计目标。

5 结束语

重点讨论了基于STM8L系列MCU的低功耗设计问题。对STM8L的低功耗设计涉及重要问题都给出了描述。基于微型血糖仪的应用背景，给出了实际设计和结果，具有体积小、功耗低、具备通信功能的特点，是原有血糖仪的更新产品。

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