第 8.1 章低功耗设计问题

第8.1章低功耗设计问题 • 功耗问题是近几年来人们在嵌入式系统的设计中普遍关注的难点和热点，它严重地制约着嵌入式系统的应用与发展。 • 无论是在军事还是在商业贸易上的应用，相当数量的嵌入式系统一般是由电池来供给电能的，而且大多数嵌入式设备都有体积和质量的约束。减少电能消耗，不仅能延长电池的使用寿命，延长用户更换电池的周期，而且能带来提高系统性能与降低系统开销的好处，甚至能起到保护环境的作用。在便携式设备中，CPU消耗的电能越少电池的寿命就越长，同时，散发的热量少了，所需的散热器就少了，从而可减少该设备的花费和体积，使产品尽快进入市场的目标。 • 低功耗嵌入式应用系统是指以降低系统功耗为一个主要性能指标的嵌入式系统。如计算机里的许多芯片过去用5V供电，现在用3.3V、1.8V,并提出了绿色电器的概念。

8.1.1 低功耗设计应用的意义1、低功耗设备的要求 1）首先要求体积小、重量轻、便于携带。 2）采用低功耗电路的设计方法，以降低系统的功耗。它除了选用各种低功耗的器件和芯片外，还在满足速度等性能指标的前提下，进行降低功耗的硬件电路设计和软件设计。 3）有的系统应用在交流供电比较困难，甚至无法用交流供电的场合，因而各种电池（瓶）就成为其主要供电手段。 4）采用LCD液晶显示器。 5）采用RS232C串行通信接口。 6）采用微功耗、高抗干扰的CMOS集成电路。

2. 降低功耗的措施综述1) 功耗产生的原因 • P=U*I

与功耗有关的因素: （1）电阻上消耗的功率（2）有源器件的开关转换阶段（3）集成电路内部和外部电容的充放电（4）系统的性能指标、负载能力、被处理信号的工作频率、电路的工作频率、电源的管理水平、零部件的性能、散热条件、接口的物理性能等对系统功耗起着重要的作用。

2) 降低功耗的措施 • 功耗的组成：动态+静态 • 动态电源管理 • 动态电压缩放 • 低功耗硬件设计 • 低功耗软件设计

3) 元件工艺的低功耗 • 在集成电路设计中采用低功耗的电路设计 • 电源设计 • 存储器(SDRAM、ROM)的高速化与低功耗 • 高集成度的完全单片化设计 • 内部电路可选择性地工作 • 宽电源电压范围 • 具有高速和低速两套时钟 • 在线改变CPU的工作频率 • 后备功能(idle, power-down) • 使用低功耗的元件

8.1.2 硬件系统的低功耗设计 • 嵌入式系统的功耗主要由以下3部分组成：（1）嵌入式处理器的功耗（2）存储器的功耗（3）外部设备的功耗

1、选择低功耗的器件 • CMOS电路的特点和选用 • 不用的引脚的处理-输出为高原则 • 选用高速低频工作方式 • 与电磁兼容性矛盾 • 选用低功耗的处理器 • 选用低功耗的通信收发器(网络功能） • 选用低功耗的存储器件 • 2、选择低功耗的电路形式 • 集成化的电路有利于降低功耗 • 集成化器件比分离件功耗低 • 降低晶振电路的工作频率 • 会降低系统的性能

3、单电源、低电压供电模拟器件 • 例：运算放大器LM324，其单电源电压工作范围为5-30V，当电源电压为15V时，功耗约为220mW；当电源电压为10V时，功耗约为90mW；当电源电压为5V时，功耗约为15mW。低电压供电对于减低器件电流消耗的作用十分明显。 • 缺点：降低了系统的动态范围 • 数字器件 • 降低电源电压，一般不会有性能影响。 • 4、分区供电降低功耗 • 5、传感器分时供电

6、电源管理单元的设计考虑 （1）全速工作：消耗的功率最大（2）空闲方式 • 处理器的工作停止 • 可以响应中断 • 可以通过中断退出（3）掉电方式不响应中断，只能复位退出。

7、降低处理器的时钟频率

8、降低系统的持续工作电流 在一些机电系统设计中，尽量使系统在状态转换时消耗电流，在维持工作时刻不消耗电流。例如IC卡水表、煤气表等，在打开和关闭开关时给相应的机构上电，开关的开和关状态通过机械机构保持，而不通过电流保持，可以进一步降低电能的消耗。

8.1.3 软件系统的低功耗设计 1、编译低功耗优化技术不同的指令执行的时间不同，消耗的功率不同。采用编译优化：（1）代码大小（2）执行时间（3）节省功率目前实现起来比较困难 2、硬件软件化 • 只要是硬件电路，必然消耗功率 • 方案硬件完成的工作由软件实现：信号的抗干扰处理、滤波等

3、尽量减少处理器的工作时间 • 嵌入式系统中，CPU的运行时间对系统的功耗影响极大，故应尽可能的缩短CPU的工作时间，较长地处于空闲方式或掉电方式是软件设计降低单片机系统功耗的关键。在开机时靠中断唤醒CPU，让它尽量在短时间内完成对信息或数据的处理，然后就进入空闲或掉电方式，在关机状态下让它完全进入掉电方式，用定时中断、外部中断或系统复位将它唤醒。 • 这种设计软件的方法是所谓的事件驱动的程序设计方法。

4、采用快速的算法 • 数字信号处理中的运算，采用如FFT和快速卷积等，可以大量节省运算时间，从而减少功耗； • 在精度允许的情况下，使用简单函数代替复杂函数作近似，也是减少功耗的一种方法。 5、通信系统中提高通信的波特率 • 在多机通信中，通过对通信模块的合理设计，尽量地提高传送的波特率（即每秒钟串行口传送的数据位数）提高通信速率，意味着通信时间的缩短。 • 发送、接收均应采用外部中断处理方式，而不采用查询方式。

6、数据采集系统中尽量降低采集的速率 • A/D转换需要消耗功率，采集的速度快，则 • 消耗的功率多 • 产生的数据量大，处理数据需要大量的CPU时间，消耗功率 • 数据处理，抗干扰处理等 • 数据的传输需要消耗功率

7、软件设计成中断驱动方式

8、使用睡眠方式 • 许多MPU设有低功耗模式，即睡眠方式（SLEEP)。使用MPU的睡眠方式可以减少单片机的工作时间，降低处理机的功耗。 • 便携式智能仪器在较长时间不进行测量采样和数据处理时，可以让MPU执行一条“SLEEP”指令，进入低功耗模式。

9、静态显示 • LED显示方式 • 静态 • 需要的电路多 • 电路消耗功率 • 动态 • 需要软件刷新扫描 • 刷新操作消耗功率 • 综合计算，选择方案

8.1.4 电池供电系统设计 • 使用电池的考虑 • 工作电压范围多大？ • 电流消耗速率为多少？ • 是否有尺寸约束？ • 系统将使用多长时间？ • 可以承受的电池价格是多少？ • 系统在什么温度范围工作？

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