80C51便携式产品中的低功耗设计

80C51便携式产品中的低功耗设计

摘要：通过一个使用钮扣电池的PDA产品的设计实践，介绍80C51系列单片机的低功耗设计理论、原理和使用电池的便携式产品的低功耗设计方法及技巧。

前言

80C51单片机由于功能全面、开发工具较为完善、衍生产品丰富、大量的设计资源可以继承和共享，得到广泛的应用。我们设计的一款手持线PDA产品，也选择80C51单片机作为主、辅CPU，还具备点阵液晶显示屏、导电橡胶键盘、双IC卡接口、EEPROM存储器、实时时钟和串行通信口。由于使用80C51单片机开发，高级语言编程，大大降低了设计的技术风险，产品在较短的时间内就推向了市场。

但是，同一些低速的微控制器（如4位单片机）和高速的RISC处理器相比，80C51单片机在功耗上没有优势。为了在PDA类产品中发挥80C51单片机的上述特长，我们通过采取软、硬件配合的一系列措施，加强低电压、低功耗设计，取得了良好的效果。该机使用一颗3V钮扣式锂电池，开机时工作电池小于4mA，瞬间最大工作电流小于20mA,瞬间最大工作电流小于20mA，关机电流小于2μA。一颗电池可以使用较长的时间，达到满意的设计指标。

一、低电压低功耗设计理论

在一个器件中，功耗通常用电流消耗来表示。下式表明消耗的电池与器件特性之间的关系：

Icc=C∫Vda≈ΔV·C·f （1）

式中：Icc是器件消耗的电流；Δ是电压变化的幅值；C是器件电容和输出容性负载的大小；f是器件运行频率。

从公式（1）可以得到降低系统功耗的理论依据。将器件供电电压从5V降低3V，可以至少降低40%的功耗。降低器件的工作频率，也能成比例地降低功耗。

80C51的器件电流包括两部分：核心电流和I/O电流，即：

Icc=ICORE II/O (2)

核心电流是内部晶体管开关和内部电容充放电所消耗的电流，占有器件电流的较大比例。

ICORE=Vcc·CEQ·f (3)

式中：Vcc是器件工作电压；CEQ是内部结点和走线的电容，它是器件的固有属性，可由式（3）在一定的电流、电压和频率测试值下计算出来；f是核心工作频率。

I/O电流主要是地址/数据总线、RD、WR和ALE信号消耗的电流，在器件电流中占的比例较小，其数值有以下经验公式：

II/O=IREAD·（0.8） IWRITE·（0.2） ICONTROL （4）

IREAD、IWRITE分别是读写状态的I/O电流；ICONTROL是控制信号RD、WR、ALE的电流。以写状态I/O电流为例：

IWRITE=（V·C·f）·(1/n)·(X Y) (5)

式中：V=Vcc；C是每个引脚的负载电容和电路板的线路电容，大约2pF/in(in为英寸)；f是CPU工作频率；n=24，每个总线周期所花费的机器周期数；X是寻址阶段变化的引脚数；Y是传输数据阶段变化引脚数。

二、PDA类产品中CPU的选择

近年来80C51衍生产品涌现出许多低电压、低功耗品种，各具特色。如：ATMEL公司AT89LV5X系列，程序存储器4KB～20KB；PHILIPS公司LPC系列，高速低耗，片内集成的多种低功耗功能，极有阶段，但程序存储器空间只有2KB或4KB；台湾华邦公司W78LE和W77LE系列，有8～64KB程序空间和普通/高速多种型号可以选择。选择合适的CPU还有与后介绍的各项低功耗设计技术的使用有关，与软件规划和正确编程有关。

在开发过程中，我们经过试用和比较，发现适合PDA类产品应用、性能价格比最高的选择是华邦公司的W78LE516。W78LE516是华邦公司2000年发由的新产品，它有以下特点适合PDA类产品：

·工作电压2.4～5.5V，适合便携式产品的供电方式；

·全静态设计，工作频率从0到最大40MHz，适合低功耗产品的特殊要求；

·64KB可多次编程的片内应用程序存储器，非常适合于较大的程序和高级语言编程；

·4KB片内引导程序存储器，用于实现应用程序的在线编程；

·比80C52多一倍的512字节片内RAM，其有256字节AUX RAM；

·PLCC和QFP封装比通常的80C51多4个I/O口，P4口具有多种功能；

·完善的低功耗模式，特别是中断能够唤醒掉电模式；

·可靠的加密编程，保护开发者的知识产权和劳动成果。

三、晶振频率是决定功耗的基本环节

在5V电压下运行于12MHz的80C51，工作电流达到十几mA，无论如何难以在电流供电环境中使用。从公式（3）和图1可以看出，工作电流与晶振频率成严格的线性关系，空闲、掉电模式的电流也有类似的线性关系。因此，尽可能地降低晶振频率能够有效地降低整机电流；但是，降低晶振频率往往会受到系统运行速度的制约，需要综合考虑各部分的工作速度和整机信息算是的速度，选择一个合适的最小晶振频率。例如，128X64点阵液晶采用并行总线访问时，整屏汉字显示刷新需要80C51单片机2MHz的时钟频率才不会感觉响应迟钝；如果采用串行方式，显示还会更慢；串行EEPROM是串行访问数据的，还有起始停止位、地址选择、应答位等开销，读写时间较长；复杂算法对系统运行速度也有较高要求。考虑到串行通信波特率精确计算，我们最终确定晶振频率为3.686MHz，最大通信波特率可达到19200bps。在这一时钟频率下，78LE516的运行电流大约为3mA。

四.电压与CPU功耗成正比

从式（3）还可以看到，降低80C51的供电电压能够成比例地降低功耗。由图1可知，选择3V供电电压要比5V供电电压的功耗下降一半。随着低电压CPU的选择，其它部分也要选择低电压的型号。我们选择的器件全部可以工作到2.7V，最终确定工作电压为3V，由稳压电路提供

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