基于C8051F系列单片机的低功耗技术分析与设计

的工作频率。最高频率几乎可达最低频率的3000倍。可以通过改变在OSCXCN寄存器中的XFCN位改变其振荡的频率，并直接影响其输出的电流。外部电容方式下的时基精度主要由电容的误差和流过XTAL2的内部电流源的精度决定。

　　电容是指容纳电场的能力。任何静电场都是由许多个电容组成，有静电场就有电容，电容是用静电场描述的。一般认为：孤立导体与无穷远处构成电容，导体接地等效于接到无穷远处，并与大地连接成整体。

　　（4）外部振荡RC模式

　　RC模式与电容模式十分相似，区别在于外部电容方式下电容的充电电流由接到XTAL2的内部可编程电流源提供，并且在RC模式下充放电电路除了包含电容外还要通过一个外部电阻器。RC模式振荡电路的平均功耗由通过电阻器的平均电流所决定。电阻器上的压降成指数倍大小，其波形可以简化为三角波来估计平均值。

　　通常，设计者可以通过合理地选择时钟源达到降低功耗的目的。内部振荡器消耗数字电源电流的典型值为200μA，用于驱动外部振荡器的电流是变化的。对于一个外部振荡源（如晶振），驱动电流（由模拟电源提供）用软件通过配置外部振荡器控制寄存器OSCXCN的XFCN位来设置。在驱动电流较大时用户町以使用内部振荡器以降低功耗。

　　1.2 数字设备的功耗分析

　　数字设备的能量淌耗主要是由CPU电流的大小来衡量的。CPU的电源模式是决定CPU电流大小、工作电压及系统时钟频率的关键因素。通常，温度和数字外围设备对数字设备的功耗只有很小的影响。

　　（1）OPU电源管理模式

　　CPU有3种操作模式：正常状态，空闲状态与停止状态。通常，空闲状态的平均电流值受控于内部振荡器。正常模式时的电流值减去空闲模式时的电流值即为CPU正常运行的工作电流值。被唤醒后，CPU开始从设置空闲方式选择位指令的下一条指令开始执行。当写1到STOP位时，CPU进入停机模式。设置停机模式后，当前指令被执行完毕，内部振荡器及所有的数字外围设备全部停止工作。模拟外设（如比较器与外部振荡器）保留其当前的状态。在停止状态，mcu消耗最少的电流。

　　（2）OPU工作电压、频率及温度对功耗的影响

　　工作电压：CPU的工作电流会随着供电电压的升高而增大。这种关系存在于任意一种工作频率下，尤其在高频运行时表现得更为明显。理论上供电电压最小可达到2.7 V，但由于电压调整本身有±10％的误差率，因此系统通常供电电压不会低于3V。

　　温度：温度对系统的功耗无影响。

　　工作频率：CPU工作频率对系统功耗有主要影响。在CMOS数字逻辑器件中，功耗与系统时钟SYSCLK频率成正比：

　　功耗=CV2f 式中：C是CMOS的负载电容；V是电源电压；f是SYSCLK的频率。

　　因此，为了降低功耗，设计者必须知道给定系统所需的最高SYSCLK频率和精度。某些设计口可能需要其系统时钟频率在全部工作时间内保持不变。在这种情况下，设计者将选择满足要求的最低频率。并采用消耗最低功率的振荡器配置。

　　l.3 数字外围设备与I／0接口的功耗分析

　　数字外围设备（计数器、UART、PCA、SPl）的损耗占系统总功耗的比例很小。举个例子，当C8051F单片机工作在3.06MHz（内部振荡器8分频），3 V电压时，没有一个数字外围设备端口的工作电流超过700μA；而在启动计数器作为UARTO数据传输时钟后，系统的工作电流会增加18μA。这里，计数器与UART的功率损耗主要由其时钟频率及工作电压来决定。利用交叉开关配置通用I／O口为推挽模式，也能够影响功耗的大小。在上述例子中，如果利用交叉开关将UARTO的TX端分配到P0.4口，则配置端口为推挽模式将令系统的工作电流再增加82μA。输出引脚的功耗由连接在该引脚的外部电路频率决定。

　　1.4 模拟外围设备的功耗

　　模拟外围设备功耗是ADC、温度传感器、内部偏置电压产生器及内部振荡器的功耗和。通常，只要ADC、内部振荡器或温度传感器被激活，内部偏置电压产生器就会自动被使能，ADC在转换期间的工作电流比ADC没有转换时的工作电流大30％～50％。SAR转换时钟频率与采样频率也影响了功耗的大小。由于增加SAR转换时钟频率或降低采样率会缩短每次A／D转换的时间，使系统在转换间隙有更多的时间处于空闲状态，因此会大大降低系统功耗。

　　2 降低功耗的几点考虑

要降低系统的平均功耗，需要从两个方面考虑：首先是适当调整在所有时间一直影响系统工作的参数。通常工作电压是重点考虑的参数。工作电压决定了系统是否能够处于正常运作状态，它可以由电压调整器或一个电池来提供。对于一个节能系统，工作电压应该被最小化，以节约能量。第二点就是构建合理的固件结构降低以功耗。要为系统设计两个工作模式：一个为高效的运作模式；另一个则是以降