简述嵌入式单片机系统低能耗技术

范恩昊

[摘 要] 在许多行业及领域，嵌入式单片机都有着广泛应用，也发挥着不容忽视的作用。可持续发展理念持续深化，使嵌入式单片机系统节能备受关注，低能耗技术成为嵌入式单片机系统研究的一个热点问题。结合相关概念，对嵌入式单片机系统低能耗技术进行了分析，并就如何降低嵌入式单片机系统能耗提出了几点有效措施，结合具体应用实例，希望能够为相关研究提供参考依据。

[关 键 词] 嵌入式系统；单片机；低能耗技术

[中图分类号] TP368.1 [文献标志码] A [文章编号] 2096-0603（2018）17-0134-02

一、相关概念

嵌入式单片机的本身依然是单片机，就是将单片机应用到嵌入式系统中。

（一）嵌入式系统

嵌入式系统属于专用系统，从广义上讲，任何一个具备可编程计算机的设备都属于嵌入式系统。简单来讲，嵌入式系统就是通过沟通各种各样的形态，为了满足实际应用的需求，以计算机技术为基础平台，兼顾并满足可靠性、开发与维护成本、体积、功耗以及系统功能的一种专用计算机系统。

（二）单片机

单片机指微控制器，是通过将微型计算机主要部分集成到芯片中的单芯片微型计算机[1]。

二、嵌入式单片机系统低能耗技术

嵌入式单片机系统低能耗技术主要是针对系统构件能耗的控制，具体来讲，应该包括：

（一）单片机低能耗技术

依照嵌入式单片机系统电路特性计算系统能耗，存在WS=CU2f，C表示负载电容、U表示电源电压、f表示时钟频率。结合公式分析，通过降低供电电源电压的方式，能够有效降低系统能耗。单片机系统运行的能耗主要取决于系统的运行以及响应速度，在满足以上两点的前提下，通过降低CPU频率、采用更加先进的时钟管理技术以及休眠技术，来满足低功耗的单片机系统。例如，在MSO430、EM78、PICI系列单片机中，都设置有休眠模块，能够降低系统运行能耗。

（二）存储器低能耗技术

可以优先选择HCMOS存储器，这种存储器工作方式更加优秀，处于工作状态时才会被选中，形成一定工作电流来实现低功耗读写，不工作时，存储器不会被选中，也就不会消耗能源。

（三）复位监控电路低能耗技术

复位监控电路能够提升嵌入式单片机系统的可靠性，不过从目前来看，很多单片机系统复位监控电路都会长时间处于工作状态，会导致能耗增大，需要做好低能耗处理。例如，MAXIM公司设计了一款复位监控电路，内部COMS电路采用低功耗型，如MAX6328、MAX6348等，系统处于静态工作状况时，电流最低为500 nA，能耗较低，也可以保证电源电压复位输出。

（四）CMOS电路低能耗技术

依照COMS电流特点及要求，从避免电路深入引脚浮空的角度，输入引脚不能累积电荷，否则可能导致能耗增大。为了保证输入電流平稳，必须将输入信号幅度控制在供电电压范围内。在低功耗单片机系统中，应该尽量避免采用总线驱动，而是以CMOS电路来降低能耗。

（五）转换器低能耗技术

嵌入式单片机系统中，现场模拟信号采集和模拟量控制需要依靠前向通道A/D转换器和后向通道D/A转换器。在实际设计系统选择单片机时，拥有A/D、D/A转换功能的单片机是我们优先考虑的，可以以较低的代价来减低能耗。在此前提下，系统运行时能需要保证达到一定的精度，一般以行业或者国家标准为主。在选择转换器时，同样应该关注低能耗，确保其具备关断功能，单电源或低电源供电，以最大限度降低能耗。

（六）通讯接口低能耗技术

嵌入式单片机系统与上位机需要经数据通讯接口完成数据传输，比较常见的数据通讯接口包括RS-485、RS-232以及UARTRS-422等，通过对数据通信接口供电电压控制，能够降低系统整体能耗。在选择数据通讯接口时，可以采用MAXIM公司开发的RS232，将用电电压从12V降低到5V，最低甚至可以达到1.8V，加上其本身具备的自动关断功能，可以将电源电流降低到1μA，能耗极小。

（七）软件低能耗技术

在对嵌入式单片机系统软件进行设计时，应该在保证系统功能的前提下，尽量避免采用软件循环延时，而是代之以定时器中断方式，这样能够缩短CPU工作时间。待机状态下，内部定时器和计数器能够保持正常运行，达到计时与计数目的。显示器应该选择基于锁存器的静态显示模式，避免动态扫描显示，同样能够降低能耗。

（八）显示系统低能耗技术

作为嵌入式单片机系统基本组成部分，显示系统能够将系统输入参数、运行状态和测量结果等显示出来，提升人机对话的方便性和快捷性。为了降低系统能耗，可以选择液晶显示，适当缩小显示系统体积。一般情况下，液晶显示器工作电压在3～6V左右，显示系统每平方厘米能耗仅为20～70W。

三、嵌入式单片机系统能耗降低措施

（一）提高设计集成度

对嵌入式单片机系统进行设计时，应该通过提高集成度的方式，减低系统能耗。这种节能措施的基本原理，是通过提高设计集成度，最大限度地降低芯片外围电路功耗，进而降低芯片本身功耗。

（二）做好逻辑性划分

在设计人员为某实际需求设计对应的单片机系统时，对嵌入式单片刻系统的性能要求、单片机系统运行时产生的能耗要充分考虑，以此为基础对系统电路做合理科学的规划设计，确保有不同形式的组合逻辑。一般来说，在嵌入式单片机的内部电路中，常采用引入寄存器的方式来辅助。可以更加优化在不同工作状态的选择，从而使电路运行更加高效。

（三）增加工作电压宽度

嵌入式单片机有额定工作电压的限制，在实际系统中可以引入匹配的电压稳定设备，该设备设置在系统电源与单片机之间。适当提高单片机工作电压宽度，拓宽其电压范围，将设置稳压器所带来的无功功率降低，减少整个系统的能耗，使单片机系统能耗受到的影响降至最低。

（四）引入双时钟模式

在计算机系统中，通过降低系统运行频率来减少产生的能耗是很常用的手段，嵌入式单片机同样如此。因为能耗的产生与运行频率是成正比的。不过在实际应用过程中，为了满足生产需求，可以根据嵌入式单片机系统运行特点，采用双时钟的模式，工作中以实际情况来进行频率的切换，优化高频与低频时钟之间的选择，降低系统运行频率，对嵌入式单片机系统运行能耗进行控制。

四、实例分析

以智能暖气表为例，对嵌入式单片机系统低能耗技术应用情况进行简单分析。在对嵌入式单片机系统进行设计时，可以选择EM78P458单片机，将其调整为低频低电压工作模式，设置休眠时间，睡眠模式下能耗仅为1A，3V/32kHz运行状态下，系统能耗为15A。与其他单片机相比，这种单片机的性能更加稳定，不需要设置外扩ROM电路，在单片机内部自带OPT型ROM，配合LOM101显示器，当其处于省电模式时，能耗甚至低于1A。利用铂电阻进行温度测量，依照电容充放电基本原理，能够得到铂电阻准确电阻值。嵌入式单片机系统在智能暖气表中的应用，主要是通过流量传感器进行流量测量，配合单片机中断方式，利用内部存储器计数，经准确计算，可以得到被测流量值，通过这样的方式，能够对嵌入式单片机系统测量线路进行简化，也可以省略A/D转换器，系统能耗大大降低，基本原理如下图所示。

具体测量流程如下：

平时单片机系统处于睡眠状态，流量传感器输出信号在经过处理后，会唤醒单片机进行温度测量，P60输出高电平，系统充电，458内部计数器计数，电容C上充电电压达到CIN-规定数值后，458内部比较器翻转，比较器中断，对计数值进行读取。在EM78P458单片机中，采用的虽然是8位计数器，但是因为采用了计数比较两级终端，实际上能夠实现16位计数，能够提升测量精度。K1-K4开关可以利用低功耗CMOS芯片4502实现。运行中，单片机会控制K1开关闭合，测量R0，对其计数值T0进行读取，然后控制K4开关闭合，电容放电，再以同样方式，控制K2和K3开关闭合，对R1和R2进行测量，将读取的计数值分别记为T1、T2，经计算后，可以得到被测热电阻R1和R2，查看暖气表显示数据，可以得到被测温度值，最终计算出用户实际用热量，在显示器LOM101中显示出来，再经串行口实现与上位机通讯。

五、结语

总而言之，信息技术飞速发展背景下，嵌入式单片机系统在越来越多的行业和领域得到了广泛应用，发挥着非常显著的效果。不过，在实际应用中，嵌入式单片机系统存在能耗偏高的问题，虽然不会影响其功能发挥，但是并不符合可持续发展理念，也会导致系统运行成本增大。基于此，在嵌入式单片机系统设计环节，应该重视低能耗技术应用，采取切实可行的措施和方法，降低系统运行能耗，提升系统中各模块的利用率，为单片机系统的推广和普及提供技术支撑。

参考文献：

[1]王用鑫.嵌入式单片机应用系统的低功耗技术探析[J].速读旬刊，2016（3）：107.

[2]邓晓燕，李庆.基于单片机的嵌入式系统的低功耗设计问题[J].电子制作，2013（10X）：18.

[3]黄辰辰.浅议单片机低功耗技术[J].科技经济导刊，2015（7）：56.

[4]李玉波.基于嵌入式单片机在电极控制系统中的应用[J].数字技术与应用，2016（8）：9.

[5]陈丽芳.基于单片机的嵌入式系统开发[J].电子测试，2015（5X）：13-14.

[6]王同博.嵌入式单片机系统低能耗技术探讨[J].电子制作，2016（1）：95.