低功耗单片机的创新套件设计

中国电子科技集团公司第四十七研究所 陈晓棠

随着科学技术的不断发展，在人们生活各个领域中被广泛的应用，单片机系统基础上研发的设备也被广泛应用，一定程度对单片机系统设计创新提出了较高的要求，受到越来越多的人们关注。单片机套件在单片机设计中重要的组成部分，具有较高的兼顾性，其衍生出来的电子产品也具有一定的便携性，备受欢迎。本文基于MSP430单片机系统上，对低功耗单片机进行分析，阐述了单片机系统运行特点，在此基础上，从硬件设计和软件设计两方面对单片机创新套件进行探讨，明确单片机低能耗使用方案，促使单片机运行效率得以提升，促使企业经济发展。

1 单片机低功耗技术的分析

1.1 单片机的集成度

目前，在芯片设计的过程中，高集成度设计理念应用比较普遍，高集成度设计可以促使系统外围电路设计不断改进，进而起到降低单片机系统耗能的作用。这种芯片设计方案，在单片机实际使用中，起到优化芯片功耗性能，为此，在开展单机片设计活动时，可以充分考虑应用高集成度设计理念吗，以此实现低功耗的设计目的。

1.2 扩宽电源电压实际范围

在对单片机进行制作的过程中，可以选择比较先进的工艺进行加工，促使单片机工作电源电压更加宽广，进而促使单片机稳定运行。实际中，如果单片机电源电压可以在一定范围内进行扩宽，那么在其他领域也可以实现扩宽范围的目的，特别是一些便携式设备，在此理论基础上，可以将电池作为设备运行电源，解决了电池放点效应的问题，并且不需要为了稳定电压进行单独设计，提高降低功耗效果。

1.3 可以同时配置高低速时钟

单片机系统工作中，若是增加工作频率情况字，其需要的功耗也会逐渐增加，为了实现低功耗的目的，在单片机系统内部可以配置高速主时钟、低速副时钟两个独立系统，在这种情况下，人们就可以根据实际需求适当降低CPU主时钟系统工作频率，进而降低功耗。在单片机工作时间比较空闲的时候，单片机工作状态会进入低速模式。要想切实实现低功耗目的，可以通过对寄存器进行赋值，以此调整时钟频率，也可以通过调整主、副时钟方式来实现低功耗的目的。

1.4 合理使用系统内部定时器

一般来讲，NEC单片机内部都会设置时钟定时器，这个定时器中断时间为0.5s/次，采取这种方式进行设置的目的在于单片机系统在休眠状态下也可以将定时唤醒功能发挥出来，能够为需要应用在线计时、且处于间歇模式下的单片机提供更为环保的节能方式。具体来讲：若CPU运行状态处于休眠模式，单片机运行状态就会转为STOP模式，以此起到减少电源功率消耗的目的，待时钟处于中断模式下，CPU即转为运行模式。

2 单片机系统低功耗套件设计

2.1 硬件设计

在进行单片机低功耗的设计过程中，硬件系统是一项重要的组成部分，如图1所示是单片机系统结构框架图。

图1 套件硬件框图

通常情况下设计方案如下：第一，设计供电电压和调整时钟频率过程中，若MCU是由多个CMOS门电路共用组成的，就需要对其进行深入分析，计算方式如下：P=Pstart+PQ+Pdyn，其中Pstart是一种静态功耗，主要由于反向漏电流所引起的。PQ和Pdyn是一种是动态功耗，前者是由P管和N管之间电流短路所引起的，后者主要是的由于开关电流引发的。时钟频率增加的时候功耗也会不断增加。第二，在设计I/O时，应当在系统默认的基础上，将系统I/O的端口状态设计成输入模式，以此避免MSP43FR系统上拉口和下拉口处于运行状态。在I/O口处于不稳定状态下，很容易产生寄生电流，为此，在设计硬件的过程中，相关工作人员应当根据系统的实际使用情况以及生产需求，对I/O口进行科学合理的设计，确保端口断流平稳基于此，防止寄生电流出现，以此加强硬件各参数的运行效果。第三，在设计显示屏驱动系统时，为了有效保障电路系统能够稳定、可靠的运行，就需要协调运行驱动电路，MSP430FR系统中LED点阵显示屏构成一般是由多个88点阵组成，在设计阴极电路时，遵循从上之下的原则进行设计，实现其循环扫描的目的，进而确保MSP430FR系统运行的稳定性。第四，系统外部设计，需要根据硬件设计的基本特点，深入分析单片机运行设备，结合低功耗设备实际使用情况进行分析，科学合理调整各种器件运行功能，进而保证设计方案的合理性、可靠性，进而提升设备底功耗的效果。比如，在设计DMA模块过程中，DMA模块与系统硬件进行结合时，其电流、能耗时间、功耗数值分别是2.057mA、272.5μs、0.561mA/ms，由此可知，将DMA模块在MSP 403 FR系统设计中应用，能够有效缩短能耗获取的时间，进而提升数据应用在效率，提高CPU系统使用率。

2.2 软件设计

在设计低功耗单片机时，除了硬件设计以外，软件设计也是一项重要组成部分，能够从整体上有效降低设备CPU能耗，并且通过对工作系统进行设定来降低电流消耗，确保CPU运行状态处于正常工作模式，以此避免系统出现休眠的情况，在此基础上，降低单片机整体耗能，如图2所示。

图2 套件软件框图

在进行软件设计过程中，应当做到以下几点要求：第一，ULP Advisor的分析，借助分析工具对代码进行分析，工作人员通过编写代码的方式来实现MSP430FR系统能耗整体性降低的目的，进而提升电气设备软件使用的效果。第二，设计I/O运行模式时，工作人员在开展设计工作时应当在电源关闭状态下进行，结合单片机实际运行情况制定设备使用功率，有效掌控I/O模式工作状态，以此保证系统通信方式，结合系统实际工作情况对驱动设备进行调整，进而提高软件系统工作质量和效率。第三，降低软件CPU计算量，在对单片机进行分析的基础上，为了能够有效的降低设备能耗，CPU的能耗就需要作为重点分析对象，实际设计中，工作人员应当将CUP计算量降低，并且促使Flash系统中与CPU计算结果充分融合，通过对查询方式和软件各种计算参数进行明确的方法来实现系统低运算量的目的，进而为低能耗单片机使用提供支撑。第四，能量跟踪功耗分析，设计工作人员应当结合单片机实际使用后情况和特点开展设计工作，基于此明确测量和分析方法及流程，逐渐对回路能耗测量进行调整，以此保证其测量的准确度。这个过程中，应当重视软件系统使用设备，可以通过Energy Trace软件，基于Debug模式上，实时分析单片机运行能耗，利用log技术对分析信息进行展示，以此提升软件信息使用效果。在系统使用中，可以通过设定优化代码的方式来降低系统能耗，为低功耗单片机运行提供保障。

结论：现阶段，在单片机系统设计中，低功耗单片机的创新套件设计已经成为了主要是研究方向，强低功耗单片机研究具有现实意义。为了促使单片机低能耗的效果最佳，设备从设计到维护都应当结合其运行特点，通过硬件设计和软件设计实现单片机系统低能耗的目的。在此基础上制定单片机的创新套件设计方案，进而提升生产效果，促使产业经济效益得以提升。