飛思卡爾汽車及標準產(chǎn)品部亞太區(qū)高級市場經(jīng)理黃耀軍表示：“2005年的中國汽車市場對于基于MCU的嵌入式應用來說將是一個關鍵的推動力量。”他指出，第一，隨著中國根據(jù)WTO協(xié)議不斷調(diào)低關稅(2004年低已調(diào)降到34%)，以及中國經(jīng)濟繼續(xù)快速增長，2005年的中國汽車市場仍將高速增長；第二，汽車本身對遠程信息通信、安全、娛樂和操控的更高需求導致每部車的MCU的應用數(shù)量已快速上升到幾十片；第三，汽車電子系統(tǒng)的設計越來越多地轉(zhuǎn)入中國。

Cypress(賽普拉斯半導體)公司亞太地區(qū)FAE經(jīng)理Daniel Chao也預測道：“5年后汽車中的電子器件成本將占總成本的50%，而目前僅為20%。MCU是其中關鍵的元器件之一。”

根據(jù)Strategy Analytics市場咨詢顧問公司的研究報告，汽車安全系統(tǒng)、資訊娛樂系統(tǒng)、車身及車燈控制系統(tǒng)在未來五年內(nèi)的年平均復合增長率分別為13.4%、24%和7.3%，到2007年，這三大系統(tǒng)的市場總量分別為22億、20億和28億美元。

目前，8位MCU因成本優(yōu)勢主宰著車身控制和傳感器應用領域，16位MCU主要用于完成噪聲環(huán)境下的高速、多重數(shù)據(jù)傳輸，32位MCU的應用主要集中在發(fā)動機控制、汽車導航、遠程信息通信和多媒體影音娛樂系統(tǒng)和汽車安全及防盜。

除了汽車以外，電動自行車也已在2004年顯露出強勁的增長潛力。Daniel Chao說：“2005年電動自行車市場可望有一個高速增長，從去年的5百萬輛快速增長到今年的8百萬輛。”不過，他認為，家用電器對MCU來說已是一個成熟市場，其未來的增長將趨于平緩。

根據(jù)WSTS，未來幾年家用電器(如DVD播放機和數(shù)碼相機)和工業(yè)應用市場(如POS機)的銷售量平均增長率分別在30%和14%左右。中國政府稅制改革也將帶來數(shù)百萬的稅控機新業(yè)務，因為它迫使眾多的中國公司采用基于讀卡器的解決方案，并以稅控機全面取代現(xiàn)有的POS機和收款系統(tǒng)。針對家用PC和企事業(yè)高層用筆記本電腦的USB密鑰也將是一個非常有發(fā)展?jié)摿Φ拇笫袌觥?/p>

Atmel亞太區(qū)產(chǎn)品支持部高級總監(jiān)Jim Panfil則看好智能卡的未來。他強調(diào)：“基于MCU的智能卡創(chuàng)造了一系列迅猛發(fā)展的應用，從GSM手機中的SIM卡、身份識別卡到提供各種金融服務的銀行卡(包括信用卡和借記卡)。”

自動提款機和零售點POS機等對安全性要求極高的MCU應用也越來越普及到中國家居、辦公和零售市場的各個角落，無線POS終端將是該領域的一個新的技術發(fā)展趨勢。Oki先進數(shù)字消費類業(yè)務部總經(jīng)理Yoshi Aida認為：“2008年北京奧運會將增大無線POS終端和IC讀卡器在中國零售市場的商業(yè)發(fā)展?jié)摿?#xff0c;未來的三年將是中國市場增長的一個巔峰期，許多領域都將有一個很大的增長。”

Microchip首席執(zhí)行官Steve Sanghi也指出：“2005年，照相手機、數(shù)碼相機和HDTV三大含有MCU的嵌入式應用仍將保持目前的高速增長態(tài)勢。一個值得關注的新興應用是電視手機。”

“消費電子正在創(chuàng)造著下一波電子工業(yè)革命的曙光，其推動力將是能夠提供易用性、融合性和互操作性的解決方案。”美國Silicon Labs公司MCU產(chǎn)品部副總裁Derrell Coker表示，“今年，下一代8位8051 MCU將繼續(xù)通過對消費電子設備進行系統(tǒng)分割和集成支持這一演進。”該公司改進后的8051 MCU的處理能力已提高到100MIPS。

他指出，去年市場對8位MCU的需求量達到了歷史最高點，今年預計還將繼續(xù)增長。今天很多工業(yè)分析家已經(jīng)預言，8位MCU市場仍代表著很多的商業(yè)機會，2007年8位MCU的出貨量有望超過42億片。

嵌入式應用最新技術趨勢

當今嵌入式應用正越來越多地集成更多的外設，如USB2.0、電機控制模塊和RF模塊。例如，Yoshi Aida就表示：“未來的PHS基帶控制器上將集成一些新的功能，如JPEG或數(shù)字音頻。另外，未來的數(shù)字音頻產(chǎn)品除了要求增加多音頻CODEC和 DRM10功能外，而且還將要求加入JPEG或MPEG解碼功能，以便在LCD屏幕上觀看照片或電影，預計這一趨勢還將擴展到低端產(chǎn)品上。”

在綠色家用電器領域，智能化和低功耗是兩大技術發(fā)展趨勢。家用電器總的發(fā)展趨勢是機電設計向固態(tài)嵌入式控制設計轉(zhuǎn)變，它將主要依靠采用MCU為家用電器 (像烤面包機、電熨斗、攪拌機和熱量計等)增加更多的智能。隨著智能化程度的進一步提高，設計師將面臨的技術挑戰(zhàn)主要集中在人機接口和易用性兩方面。此外，集成了一些數(shù)字信號處理能力的DSC(數(shù)字信號控制器)越來越多地被用于降低系統(tǒng)總體功耗。

在工業(yè)應用領域，PC外設將越來越多地采用帶有MCU內(nèi)核的SoC和集成無線通信功能，而32位ARM MCU正開始集成到POS機中，無線POS終端將會成為一個新概念產(chǎn)品。

在汽車電子領域，MCU越來越多地應用于低成本的LIN總線連接，以及增強汽車安全性的TPMS(汽車輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng))應用。汽車電子市場使用的MCU 最強調(diào)的是可靠性，隨著成本意識的提高，單片解決方案也已成為一種應用趨勢，特別是新興的電動自行車應用。此外，MCU之間的通信能力和MCU與外部世界的通信能力也日益成為一個重要的選擇依據(jù)。

Daniel Chao也表示：“MCU的可靠性和成本長期以來一直是關鍵的判斷依據(jù)，并將進一步得到強調(diào)。今后設計/制造的靈活性和高集成度將變成選擇MCU的主導因素。”Steve Sanghi也指出：“未來的主要應用趨勢是越來越多地使用現(xiàn)場可編程MCU，特別是閃存MCU。其次則是越來越多地使用低功耗MCU，特別是大量基于電池的應用。”

總的來說，Jim Panfil認為：“設計師正在要求MCU具有更高的集成度、更大的存儲空間、更低的功耗、更強的防靜電和EMI能力。”

主要技術挑戰(zhàn)和解決方案

對于要求上市周期盡可能短的基于MCU的嵌入式應用來說，業(yè)界普遍認為，最大的技術挑戰(zhàn)將主要來自低功耗、低成本、易用性和可靠性。例如，Cypress 的Daniel Chao說：“集成度/靈活度/易用性、低成本和高可靠性是前三大技術挑戰(zhàn)。”ST公司也認為，基于MCU的嵌入式應用的前三大技術挑戰(zhàn)是：電磁干擾、低功耗和固件靈活性。

“如何最小化電池供電應用的功耗、如何通過挖掘MCU的潛力將系統(tǒng)成本降到最小、以及如何在很短的時間內(nèi)開發(fā)復雜的軟件將是工程師面對的前三大技術挑戰(zhàn)。”Microchip的Steve Sanghi指出。

Silicon Labs的Derrell Coker也強調(diào)：“工程師在開發(fā)消費類電子產(chǎn)品時面對的前三大技術挑戰(zhàn)是，如何在降低系統(tǒng)總成本和加快上市周期的同時，在更小的空間內(nèi)開發(fā)出更多的功能。”

為了滿足系統(tǒng)靈活性技術挑戰(zhàn)，Cypress更是提出了可編程系統(tǒng)級芯片的概念。PSoC 架構(gòu)是集成了微控制器和相關外圍模擬、數(shù)字外設功能的可配置混合信號陣列。在采用易用型開發(fā)工具的情況下，設計師選擇可配置、預先經(jīng)過特性分析的程序庫元素來提供模擬功能(比如放大器、ADC、DAC、濾波器和比較器)和數(shù)字功能(例如定時器、計數(shù)器、PWM、SPI和UART)。PSoC的模擬性能是儀表品質(zhì)的，包括軌至軌輸入、可編程增益、14位ADC以及極低的噪聲、輸入漏電流和電壓失調(diào)。

所有的PSoC器件都是可動態(tài)重構(gòu)的，從而使得設計人員能夠隨意創(chuàng)建新的系統(tǒng)功能。由于能夠在不同的時鐘周期將同一硅片重復應用于不同的功能，因此，設計人員在許多情況下可以實現(xiàn)超過120%的硅片利用率。Microchip開發(fā)的全系列PIC MCU和dsPIC數(shù)字信號控制器也都能滿足現(xiàn)場可編程要求。

為了滿足更低成本技術挑戰(zhàn)，供應商正在MCU上集成越來越多的功能，包括Flash、LCD驅(qū)動器、ADC/DAC、MP3解碼器、存儲控制器和I/O 等。例如，Silicon Labs就在其MCU上完整地集成了ADC和DAC，而且它們的性能完全可以媲美分立模擬解決方案的性能，這使得系統(tǒng)設計師不必再選用獨立的模擬IC，從而提高了系統(tǒng)集成度、降低了系統(tǒng)總成本和改善了系統(tǒng)性能。Silicon Labs的MCU上集成的模擬外設還包括60V可編程增益運放、時鐘恢復電路和高達16位的1Msps ADC。

Silicon Labs最新推出的C8051F系列混合信號MCU集成了100 MIPS的高速8051 CPU內(nèi)核、ISP閃存和JTAG調(diào)試接口。此外，新推出的首款基于雙SAR16位的MCU不僅集成了高速閃存MCU內(nèi)核，還集成了2%精密內(nèi)部振蕩器，無需使用外部晶體或振蕩器。

為了滿足對更低功耗的要求，Microchip推出了帶有納瓦技術的PIC 系列及低功耗模擬產(chǎn)品系列。納瓦技術指的是采用了Microchip獨有制造工藝的先進PMOS電擦除單元(PEEC)處理技術以及電路設計。在納瓦技術中設有功耗管理模式，在運行時，開啟CPU和外設，在空閑時，開啟外設、關閉CPU，而在休眠時，則關閉CPU和外設，這種靈活的方案可用軟件選擇時鐘以最低功耗實現(xiàn)要求的性能。Steve Sanghi指出：“納瓦技術正如它字面上的意思一樣，在待機狀態(tài)只消耗納安級電流。”

Atmel則推出了集成一整套電源管理IP模塊的單片電源管理IC，它可替代一定數(shù)量的分離元件，從而減少了印刷板的空間和費用。它的微型控制器接口使 MCU 可以優(yōu)化系統(tǒng)的功耗。電源管理IP 模塊包括電池充電控制器、一個“電源好”的復位發(fā)生電路、功率放大器和音頻放大器、電源I/Os 和一系列的低壓差電壓調(diào)整器, 其每個被設計成為便攜設備的一個具體模塊供應電源。

為了滿足更高系統(tǒng)可靠性的技術挑戰(zhàn)，各供應商采取了不同的抗電磁干擾措施，有的公司在內(nèi)部增加了抗EMI電路與“看門狗”的性能；有的則推出了低噪聲的 LN系列MCU；有的公司從可編程存儲器入手，開發(fā)防止未經(jīng)許讀取數(shù)據(jù)的保護功能，增加了防止未經(jīng)許可讀取數(shù)據(jù)的安全性。可有的在還有的公司在MCU的 I/O端口上采用了抗干擾技術：如去毛刺功能、中耐壓輸入緩沖和對大功率輸出引腳采用小功率管并聯(lián)技術等。

EFT技術就是上述所提到的一種抗干擾技術。在振蕩電路的正弦信號受到外界干擾時，其波形上會迭加各種毛刺信號，如果使用施密特電路對其整形，則毛刺會成為觸發(fā)信號干擾正常的時鐘，在交替使用施密特電路和RC濾波電路時，就可以消除這些毛否則令其作用失效，從而保證系統(tǒng)的時鐘信號正常工作。這樣，就提高了單片機工作的可靠性。

而MCU的防靜電(ESD)和電磁干擾(EMI)能力則隨著MCU時鐘頻率的提高，逐漸成為供應商考慮的問題。松翰科技的總經(jīng)理熊健怡透漏，強化MCU的抗干擾與低耗電功能，是松翰一直以來追求的重點，并取得了一定結(jié)果。

對于具有變頻功能的洗衣機、空調(diào)等白色家電以及電動車等需要馬達控制功能的應用來說，MCU除了必須具有通用控制器的功能外，還必須有專用于馬達驅(qū)動的特殊功能，如波形發(fā)生、驅(qū)動電路等，并且還需要非常精確及極具能源效益的操作。

ST針對這類應用推出的 8位ST7MC專門用于控制三相感應和永磁無刷電機(包括壓縮機)，其最大特色就是單片電機控制外設MTC。MTC主要由一個通過6個高反向電流輸出進行多路傳輸?shù)娜嗝}寬調(diào)制器組成，還包括一個高度靈活的對永磁直流無刷電機進行無傳感器控制的反電動勢(BEMF)零交檢測器及協(xié)處理器。MTC的輸入引腳還可以進行霍爾、轉(zhuǎn)速計或編碼器的傳感配置，此外，復合濾波器及設置還可以通過各種控制拓撲來控制任何12到240V的星形或三角形繞組電機。

Microchip也推出了針對馬達控制應用的8位PIC18Fxx31系列Flash MCU，它們能夠提供先進仿真和數(shù)碼回饋，以及三相互補脈沖寬度調(diào)制(PWM)的控制。該系列MCU的特色在于三個專為先進運動及功率控制應用而設計的模塊，功率控制模塊配備三相PWM結(jié)構(gòu)；動態(tài)回饋模塊包含正交編碼器接口；而第三個模塊則由快速模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)組成，工作頻率為200ksps，并可與PWM同步操作。

最近有著強大計算能力的DSP在馬達控制中也大顯身手。針對馬達用的MCU與DSP在特征上各有不同，MCU側(cè)重于I/O接口的數(shù)量和可編程存儲器的大小，所以MCU非常適用于有大量I/O操作的場合；而DSP特長高速運算，側(cè)重于運算速度。將DSP與MCU結(jié)合的MCU架構(gòu)也將是微控制器的一種發(fā)展趨勢。

為了滿足新興的電子身份識別市場的需要，Atmel最新推出了獨特的AVR MCU解決方案AT90SC12872RCFT，該片接觸/非接觸式安全MCU特別強調(diào)安全性，具有容量為72KB防篡改非易失性EEPROM內(nèi)存，用于存儲身份數(shù)據(jù)。也可以用小一部分存儲程序，剩余64KB多的容量存儲數(shù)據(jù)。因而適合于靈活的Java Card操作系統(tǒng)。這種控制器芯片還具有128KB ROM和5Kb RAM內(nèi)存。它也具備Atmel的secureAVR系列產(chǎn)品共有的特點，包括性能良好的8位/16位RISC核心，強大的安全機制、防電力分析攻擊的 DES/TripleDES引擎以及Atmel 能實現(xiàn)性能和功耗之間平衡的新型AdvX密碼加速器。

目前，ST正在與一些合作伙伴就POS機的完全解決方案進行研究，并于前不久發(fā)布了一款帶有2KB EEPROM的非接觸智能卡微控制器——ST19WR02。ST19WR02帶有高速ISO14443快速非接觸式接口，片上安全性能與加密硬件，采用 0.18微米工藝技術制造。除了2KB EEPROM版外，新器件還包括內(nèi)置64KB ROM和1KB用戶RAM版本。程序庫支持對稱算法的硬件DES加密處理器配備一套高級存儲和防入侵安全功能。

而在汽車電子市場，MCU需要在極苛刻的環(huán)境下運行，如可能要工作在-40度到+120度的環(huán)境中，這就要求車用MCU有很高的可靠性和穩(wěn)定性。除此外，內(nèi)置閃存、支持控制器局域網(wǎng)(CAN)和本地互聯(lián)網(wǎng)(LIN)總線標準、以及復雜化都是車用MCU發(fā)展的趨勢。

飛思卡爾已將車用32位MCU的內(nèi)置閃存容量提高到了1MB，而且針對車用MCU的不同需求，提出了不同解決方案。以CAN網(wǎng)絡為例，對于動力總成系統(tǒng)，飛思卡爾的32位MCU采用了TouCAN或FlexCAN硬件模塊，來與CAN總線進行通信；而對于車身電子這類不可預測的網(wǎng)絡，則采用可擴展CAN (msCAN)架構(gòu)。為滿足多種類型的CAN物理層的需求，飛思卡爾提供了一系列CAN物理層器件，來滿足或超越ISO或SAE制訂的性能標準。不僅如此，飛思卡爾還設計了系統(tǒng)基礎芯片(SBC)。SBC集成了CAN物理層所需要的電壓調(diào)整、獨立的看門狗定時器、本地激活電路，以便能用更少的元器件獲得更大的靈活性。

ST近日也推出了集成了CAN和LIN總線接口和60KB閃存的8位微控制器ST72F561。該產(chǎn)品具有功能強大的CAN單元，完全支持29位標識符，有增強的信息濾波功能，以降低在復雜的CAN網(wǎng)絡中的軟件動態(tài)備份空間和CPU負載，并提供優(yōu)異的聯(lián)網(wǎng)性能。視窗看門狗(Window Watchdog)提供了比傳統(tǒng)簡單看門狗模塊更高的系統(tǒng)監(jiān)視功能；有內(nèi)置LIN協(xié)議幀中斷支持的兩個LINSCI接口；與基于UART解決方案相比，還提供了降低CPU加載的LIN通信。LIN是用在汽車通信的主/從配置總線，有12V智能傳感器和執(zhí)行器。目前，ST已開發(fā)出下列基于MCU的完整參考設計方案：車用空調(diào)、電動自行車、PFD和數(shù)字電表。

Cypress則針對汽車和家用電器應用市場的人機接口開發(fā)了CY8C21x34系列，它帶有8KB閃存和多路復用器，非常適合于實現(xiàn)電容性觸摸輸入板。

作者：唐曉琪，陳路

圖1:

圖2: OKI的Yoshi Aida: 2008年北京奧運會將增大無線POS終端和IC讀卡器在中國零售市場的商業(yè)發(fā)展?jié)摿Α?/p>

圖3: SL的Darrell Coker: 下一代8位8051 MCU會繼續(xù)對消費電子設備進行系統(tǒng)分割和集成。

圖4:

圖5: Atmel的Jim Panfil: MCU要具有更高的集成度、更大的存儲空間、更低的功耗、更強的防靜電和EMI能力。

PDA是系統(tǒng)復雜性迅速增加的一個好例子，正如它們的命運顯示的那樣，盡管電池性能幾乎沒有什么進步，但對這類電池供應用的要求卻在不斷增加。而要成功應對這一功能不斷增加的挑戰(zhàn)，固件或軟件工程師必須完全理解目前市場上的商業(yè)MCU處理內(nèi)核開發(fā)工具，同時硬件設計師理解今天市場上商用解決方案的效率。

模擬和數(shù)字部分要協(xié)同努力

如果你能夠很好地理解MCU的硬件配置和手頭上的開發(fā)工具，那么你就能夠降低功耗，從而能夠再添加一些應用功能。降低功耗的一個方向是控制嵌入式應用的電源電壓幅度。你可能需要在程序執(zhí)行過程中的某些點上與真實模擬世界進行交互，如果的確有這個需要，你的設計中必須包含模擬電路。對模擬電源電壓的要求要高于對數(shù)字電源電壓的要求。要記住，模擬噪聲容限比數(shù)字的小得多，而且模擬噪聲水平不隨工作電壓的降低而減小。

例如，在5V工作電壓狀態(tài)，12位AD轉(zhuǎn)換器能進行優(yōu)異可靠的轉(zhuǎn)換。同樣的12位AD轉(zhuǎn)換器，在2V工作電壓狀態(tài)下，不受噪聲影響位數(shù)的輸出會變少。這是因為，LSB(最低有效位)的位數(shù)變小了，而噪聲大小不變。這個問題的解決方案是，當僅進行模擬操作時，采用更高的電源電壓；而當僅進行數(shù)字操作時，切換為更低的電源電壓。

圖1展示了一個簡單的、基于MCU的電池供電系統(tǒng)，是圍繞Microchip的PIC18F1320閃存MCU而設計的。PIC18F1320具有多種空閑模式以及雙時鐘啟動功能等特性，對低功耗設計很有幫助。

在硬件方面，為了追求更低功耗表現(xiàn)，MCU的外部外設和內(nèi)部外設都在不斷發(fā)展。MCU的外部外設可通過降低芯片工作電壓及優(yōu)化電路設計來降低功耗。圖1所示的簡單例子，就整合了低功耗運放、AD轉(zhuǎn)換器以及可調(diào)穩(wěn)壓電荷泵。

圖1中，MCP6041型運放采用CMOS工藝制造，這種運放可以將工作電壓降的很低。MCP6041運放由Microchip制造，帶寬為14 kHz，電流為600 nA，供電電壓在1.4V至5.5V之間。降低的工作電壓與降低的靜態(tài)電流結(jié)合，為電池供電設備的電源管理提供了良好的解決方案。

集成了內(nèi)部或外部AD轉(zhuǎn)換器的MCU，轉(zhuǎn)換器的拓撲結(jié)構(gòu)比IC設計創(chuàng)新對MCU功耗的影響更大。例如，同Δ-∑AD轉(zhuǎn)換器相比，SAR(逐次逼近寄存器) A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間和消耗電流之比就低得多。在電池供電應用中往往采用SAR模式的A/D轉(zhuǎn)換器，除非是需要分辨率和精度更高的應用。

圖1的電源是可調(diào)的。5V電壓用于模擬處理相得益彰，2V電壓用在數(shù)字電路恰倒好處。圖1的可調(diào)節(jié)電源轉(zhuǎn)換器在低輸出電流、鋰離子電池供電(4.2V到 2.8 V)情況下，具有很高的效率。基于這些原因，該設計采用了一款穩(wěn)壓可調(diào)的電荷泵式DC/DC轉(zhuǎn)換器(型號為MCP1252-ADJ)。

對不同的操作控制采用不同的工作電壓僅是低功耗設計工作的一半。如時刻將低功耗銘記于心，就會希望在維持MCU某些部分工作的同時，關斷其它部分。例如，你可以獨立運行MCU中的A/D、D/A轉(zhuǎn)換器或USART通信接口，這些部分僅需局部供電就可以正常工作。

對外接設備的能耗優(yōu)化同樣重要。此外，將MCU內(nèi)、外部的外設與MCU的編程能力結(jié)合考慮，會切實降低系統(tǒng)功耗。例如，在MCP1252-ADJ中，可以把一個新的電路切換到電阻反饋系統(tǒng)中，這樣MCU就能夠控制電壓。為了確保模擬電路的最佳工作條件，需要電荷泵輸出高電壓。而MCU的數(shù)字電路部分在較低的電壓下就能工作。如，PIC18F1320的輸出電壓為2V至5.5V。通過直接對比電荷泵的兩種輸出電壓就可計算節(jié)省的功率。如果把MCU外部外設的供電切斷，加在I/O端口上的供電電壓又比較低，這樣就可以進一步降低功耗。

控制時鐘

當設計師試圖降低嵌入式系統(tǒng)電路的整體功耗時，常常忽略的一個問題就是：在MCU脫離睡眠模式時，如何對時鐘進行管理。

如圖2所示，一個MCU可以有多個時鐘源，最明顯的是一個外部時鐘源。在此例中，可以將晶振、陶瓷諧振器、內(nèi)部控制器時鐘或一個時鐘發(fā)生器連接到適當?shù)钠骷苣_。除了這些生成時鐘信號的部件外，MCU可整合前后分頻FLL(鎖頻環(huán))。前后分頻器對輸入時鐘進行分頻，FLL還可以倍頻輸入時鐘頻率。

在RTOS(實時操作系統(tǒng))中，當系統(tǒng)短時喚醒后又進入長時間的睡眠狀態(tài)，配備時鐘管理機制就顯得至關重要。如在喚醒時間小于1秒的系統(tǒng)中采用晶振或壓電陶瓷諧振器，從睡眠模式喚醒到開始執(zhí)行指令之間會有一段延時。MCU在此延時和啟動期間不會執(zhí)行指令，而應用電路仍會消耗功率。

例如，圖3顯示了4 MHz晶振的典型啟動時間。在圖3中顯示該時間大約為450毫秒。假設該晶振是MCU連接的唯一時鐘源，分配的程序執(zhí)行時間是1秒，那么，實際的程序執(zhí)行時間將比預計的長45%。在時鐘啟動期間，電路在消耗電能，但又不執(zhí)行代碼。

在此類應用中，選用內(nèi)時鐘來執(zhí)行程序更為明智。內(nèi)時鐘幾乎與電源同時啟動，對4MHz的內(nèi)時鐘而言，幾微秒的啟動時間是很正常的。圖4顯示了內(nèi)時鐘的啟動時間。

與圖3所示的4MHz晶振相比，圖4所示的內(nèi)時鐘啟動速度約有5萬倍的提高。從這個數(shù)據(jù)人們或許可以得出結(jié)論，針對此類應用，內(nèi)時鐘是恰當?shù)倪x擇。其實，內(nèi)時鐘的功耗與晶振功耗大體相當，只要不要求MCU運行諸如USART通信或定時一個精準脈沖這類對時間有苛刻要求的操作，選用外時鐘源也是可行的。

可進行評測的第3個時鐘是壓電陶瓷諧振器。圖5顯示了諧振器的啟動時間。

有一個可供使用的時鐘系統(tǒng)優(yōu)于上述三種時鐘源的任一種，最好的做法是迅速確定電路是否需要精準時鐘。如果MCU需要精準時鐘，則啟動外接晶振或陶振；若非如此，則關斷。MCU從睡眠模式喚醒后，要迅速做出決定。如能將內(nèi)時鐘與外接晶振或陶振結(jié)合在一起，就能迅速做出這樣的決定。用兩個時鐘源替代單一時鐘源，能夠顯著降低功耗。

該技術被稱為“雙時鐘啟動策略”，也就是說在硬件/固件配置中，MCU使用了2個時鐘。在睡眠模式，2個時鐘全部關斷。喚醒時，內(nèi)時鐘啟動并迅速判定是否需要晶振。如需要晶振，內(nèi)時鐘仍將持續(xù)執(zhí)行程序直至晶振啟動。此時，MCU將時鐘源切換為晶振，并關斷內(nèi)時鐘。

從數(shù)字角度處理睡眠模式

低功率設計成功的關鍵在于有一個具有多種睡眠模式和時鐘模式的MCU。用戶可以通過使MCU進入休眠或空閑模式來降低系統(tǒng)功耗。在空閑模式，MCU關斷CPU，但允許10位A/D轉(zhuǎn)換器這樣的功能繼續(xù)工作，而睡眠模式則徹底關斷MCU。

當MCU時鐘進行狀態(tài)切換時，MCU內(nèi)的不同邏輯門都會吸取電流。檢查MCU耗電時，應首先檢查時鐘的功耗。通過對系統(tǒng)各種時鐘源進行比對，可以發(fā)現(xiàn)，與同頻率的晶振、振蕩器或陶振相比，內(nèi)部振蕩器功耗最低。

某些MCU有3種基本的工作模式。第一種是完全工作模式，所有模塊都上電工作。第二種是空閑或等待模式，MCU外設工作，而MCU不工作。第三種，同時對低功耗的電池供電來說也是最重要的一種，就是睡眠或停止模式。睡眠模式下設備完全停止功耗。睡眠模式通常關斷系統(tǒng)時鐘，如果也一同切斷外部時鐘源，系統(tǒng)功耗會進一步降低。

以下是完善低功耗設計的一些建議。將不用的I/O管腳拉高或拉低；只要可能，盡量采用內(nèi)振蕩器，它們是低功耗的選擇；切斷所有不用的外設，例如PWM(脈寬調(diào)制器)、ADC、USART等；在程序中盡量用查詢表代替CPU運算；檢查所有外圍器件的功耗，例如，計算電路全部外圍電阻的壓降；降低驅(qū)動串行 EEPROM或外圍模擬器件等外設的I/O管腳驅(qū)動電平。點亮的LED功耗可能出乎你的意料，一只小小的LED能使你的低功耗設計努力前功盡棄。總之，一定要注意電流消耗。

本文小結(jié)

低功耗設計對電池供電的應用來說至關重要。MCU的可編程性能對降低功耗大有裨益，通過調(diào)節(jié)電荷泵穩(wěn)壓源的輸出電壓可做到這點。其次關斷不使用的非關鍵外設。還有就是對時鐘系統(tǒng)進行控制，以得到最佳的性能/功耗比。集成電路制造商在不斷降低器件靜態(tài)電流和供電電源的同時，一直在努力改進這些外設器件的動態(tài)性能。而MCU制造商則通過為MCU增加諸如空閑和睡眠等模式來降低長時間工作時的平均功耗。將低功耗外設與MCU的各種降耗模式結(jié)合在一起，將為低功耗的電池供電設備提供更多的選擇。

作者：Bonnie C. Baker
Microchip Technology Inc.