超低功耗系统设计
超低功耗智能涡街流量计的硬件设计
数 据 寄 存 器 命 令 解 释 器 与 控 制 逻 辑
电源 阀值 设 定
看 门狗 时 基
｛
／ｓ ｃ
号 。设 置定 时器 Ａ（ ｉ ｒＡ） Ｔｍｅ— 的控 制 寄 存 器 的 值 ，
所示 。
止 逻
看 门狗
／ Ｅ Ｅ ＲＳＴ
在设计 中 ， 利用 ＭＳ４０ １９单 片 机 的定 时器 Ｐ３ Ｆ４
Ｂ Ｔｍ ｒＢ 产生 预 置时 间 Ｔ ， Ｐ ．／ Ｂ （ ｉｅ ） ＿ 由 ４ ０ Ｔ ０口输 出 给 同步 门 Ｄ触 发 器 ，Ｙ 号 作 Ｄ触 发 器 的时 钟 信 ．信 厂
ＪＡＮＧ Ｂ Ｉ ｏ
（ ｉ ｎｊ ｎ ｒｖ ｃ ｌ ｔｏｉ Ｈｅｏｇｉ ｇＰ ｏｉ ｅＥｅ ｒｎｃ＆ Ｉｆｒ ｔ ｎＰｏ ｕｔ Ｓ ｐ ｒｉｏ ｓｅｔ ｎＩｓｔｔ， ａｂｎ１０９ ，ｈｎ ） ｌ ａ ｎ ｃ ｎｏｍａ ｏ ｒｄｃ ｕ ｅｖｓ ｎＩ ｐｃ ｏ ｔｕｅＨ ｒｉ ５ ３ Ｃ ｉ ｉ ｓ ｉ ｎ ｉ ｎｉ ０ ａ
MSP430FR单片机的超低功耗设计方法和原则
M S P430F R单片机的超低功耗设计方法和原则李志腾,郑耿,孙鹏,张良,秦旸,刘伟(东方电子股份有限公司,烟台264001)摘要:以M S P30F R6972芯片为例,详细介绍了M S P430F R系列单片机在硬件㊁软件上的超低功耗设计方法和原则,并提出了在软件开发过程中采用U L P A d v i s o r和E n e r g y T r a c e工具分析优化功耗的方法㊂通过综合的设计㊁优化能使单片机达到最佳的低功耗状态,更好地适应超低功耗应用领域的要求㊂关键词:M S P430F R;U L P A d v i s o r;E n e r g y T r a c e中图分类号:T P368.1文献标识码:AD e s i g n M e t h o d a n d P r i n c i p l e o f U l t r a-l o w P o w e r C o n s u m p t i o n o n M S P430F RL i Z h i t e n g,Z h e n g G e n g,S u n P e n g,Z h a n g L i a n g,Q i n Y a n g,L i u W e i(D o n g f a n g E l e c t r o n i c s C o.,L t d.,Y a n t a i264001,C h i n a)A b s t r a c t:I n t h i s p a p e r,M S P430F R6972M C U i s t a k e n a s a n e x a m p l e t o i n t r o d u c e t h e d e t a i l u l t r a-l o w p o w e r d e s i g n m e t h o d s a n d p r i n c i-p l e s o f M S P430F R M i c r o c o n t r o l l e r s i n h a r d w a r e a n d s o f t w a r e f i e l d s.I n t h e s o f t w a r e d e v e l o p m e n t,a m e t h o d i s p r e s e n t e d f o r a n a l y z i n g a n d o p t i m i z i n g M S P430F R s p o w e r c o n s u m p t i o n b y u s i n g U L P A d v i s o r a n d E n e r g y T r a c e t o o l s.W i t h t h e c o m p r e h e n s i v e d e s i g n a n d o p-t i m i z i n g,t h e M C U c a n a c h i e v e t h e b e s t l o w p o w e r s t a t e i n t h e u l t r a-l o w p o w e r a p p l i c a t i o n s.K e y w o r d s:M S P430F R;U L P A d v i s o r;E n e r g y T r a c e引言M S P430F R是美国德州仪器(T I)公司推出的新一代超低功耗系列单片机,由于其具有超低功耗的性能和可以高速㊁耐久读写数据的内置F R AM,非常适合应用于电力仪表等低功耗仪器仪表领域㊂在对功耗要求很苛刻的领域,如何合理开发使用M S P430F R系列单片机成为实现超低功耗的关键㊂本文以M S P430F R6972单片机为例,详细介绍了M S P430F R系列单片机的超低功耗开发㊁设计原则㊂1M S P430F R系列单片机概述M S P430F R系列单片机是16位单片机,采用了精简指令集(R I S C)结构,具有灵活可控的时钟和丰富的片内外设,每个片内外设都可以单独控制,从而实现多种不同功能的低功耗模式[1]㊂以M S P430F R6972单片机为例,其具有7种低功耗模式(如表1所列),其中,L P M3模式是在L P M2模式基础上关闭了芯片内部的锁频环; L P M3.5模式及L P M4.5模式是在L P M3与L P M4模式基础上进一步关闭了芯片内部R AM的供电㊂L P M3.5和L P M4.5模式下,一些寄存器将会失效,未保存的数据及动态变量会丢失,因此在进入这两种模式时一定要将有用的数据或变量保存到铁电中,等到C P U从该模式恢复后,再将保存的数据读出,重新赋给相应的变量㊂单片机会根据不同的运行模式关闭或打开C P U㊁时钟及相应的外设,从而保证在最低功耗下实现相应的功能㊂表1M S P430F R6972运行模式及功耗(T=25ħ,f=1MH z,V c c=3.0V)运行模式C P U及时钟状态典型功耗/μA L P M0C P U o f f A C L K a c t i v e S M C L K o p t i o n a l a c t i v e80 L P M1C P U o f f A C L K a c t i v e S M C L K o p t i o n a l a c t i v e40 L P M2C P U o f f A C L K a c t i v e S M C L K o f f1.20 L P M3C P U o f f A C L K a c t i v e S M C L K o f f0.90 L P M4C P U o f f A C L K o f f S M C L K o f f0.55 L P M3.5C P U o f f A C L K a c t i v e S M C L K o f f0.35 L P M4.5C P U o f f A C L K o f f S M C L K o f f0.04 M S P430F R系列单片机与其他M S P430系列单片机的最大不同是采用内置F R AM取代F l a s h来存储程序与数据,数据写入速度是F l a s h的100多倍㊂由于F R AM无需预擦除段并且可以实现位级数据存取,简化了代码开发,从而能够在功耗不变的情况下实现实时数据记录㊂此外,相较于F l a s h ,M S 430F R 芯片中的F R AM 可提供超过100亿次的写入周期耐久性㊂2 M S P 430F R 系列单片机超低功耗设计原则单片机的超低功耗设计包括硬件㊁软件两个方面㊂在进行超低功耗设计时要综合考虑硬件和软件的设计,使其达到最优的低功耗状态㊂2.1 硬件设计原则2.1.1 供电电压及时钟频率设置M C U 是由若干C MO S 门电路组成,C MO S 的功耗计算公式如下:P =P s t a r t +P Q +P d y n (1)P d yn =C L ˑf ˑV 2c c (2)其中,P s t a r t 是由扩散区和衬底之间的反向偏置漏电流产生的静态功耗,P Q 是动态情况下P 管和N 管同时导通时的短路电流产生的动态功耗,P d y n 是开关电流产生的动态功耗㊂这三项中P d y n 大约占电路功耗的80%,是C MO S 电路的主要功耗[3]㊂在式(2)中C L 为CMO S 的负载电容,f 为系统时钟频率,V c c 为芯片的电源电压㊂由此可知,电源电压V c c 对系统C MO S 电路功耗影响最大,其次是时钟频率f 和负载电容C L ㊂因此,为了能够实现超低功耗,在满足应用要求的前提下,要尽可能降低芯片的供电电压㊂一般而言,时钟频率越大,功耗越大㊂但另一方面,时图1 I /O 电平不固定情况下的电流消耗钟频率与工作时间成反比,时钟频率越高,完成一段代码的执行时间越短,C P U 处于空闲或睡眠状态的时间就越长㊂因此,并不一定是频率越高功耗就越大㊂在有些应用中,提高主频反而可以使平均功耗降低,频率的确定需要根据实际应用中的项目需求而定㊂例如,以不同频率执行相同代码,其功耗大小如表2所列,从表中可以看出对于如下代码,频率在8MH z 时C P U 消耗的平均功耗最小㊂v o i d m a i n (v o i d){ I n i t S o f t WD o g (0,0,0); I n i t G p i o (); I n i t S Y S C l o c k (); w h i l e (1){ P i n 1_0(1);//P 1.0引脚置高 C o d e A (); C o d e B (); C o d e C (); P i n 1_0(0);//P 1.0引脚置低 }}表2 不同频率下执行相同代码的功耗主频/MH z 供电电流/m A C P U 执行相同代码耗时/μs C P U 执行相同代码的功耗(m A ㊃μs )说 明10.16725.054.18342.670.3309.353.08553.50.4107.172.939740.4606.262.87965.330.6104.672.848770.7703.592.764380.8603.132.691810.50.9902.972.9403121.1202.592.9008161.4001.932.7020采用万用表串入供电电路测量供电电流;用示波器捕捉P 1.0引脚的高低电平变化,获取执行时间㊂在测试过程中C P U一直处于a c t i v e m o d e,A C L K 的频率为32.768k H z ,S M C L K 被关闭2.1.2 I /O 口设置默认情况下,M S P 430F R 系列单片机的I /O 口为输入状态,且内部的上㊁下拉电阻未使能㊂因此,I /O 口的电平不确定,从而容易产生寄生电流[2],如图1所示㊂在默认状况下,P 1.0口的电压处于不稳定状态,当P 1.0口的电压为1.7V 左右时,寄生电流能够超过40μA ㊂但P 1.0端口电压为3.0V 或者0V 时,电流几乎为0㊂为此,在进行产品设计时,硬件上可以通过将未用的I /O 接到V c c 或者G N D 上,使其端口电平固定,从而避免产生寄生电流㊂若硬件上未进行相应处理,软件上可以通过将未用的I /O 口设置为输出高电平或低电平,使其端口电平固定;或者将未用I /O 口设置为输入状态,并通过软件设置内部上拉电阻或下拉电阻,使端口的电平保持固定,避免产生寄生电流㊂2.1.3 外部设备M S P 430F R 系列单片机内部包含了丰富的低功耗外设,如D MA ㊁A D C 等器件,合理利用这些低功耗外设能够更好地降低系统的功耗㊂例如在相同情况下搬移1312个字节,M S P 430F R 6972的D MA 模块与m e m c p y()函数所消耗的时间及功耗对比如表3所列㊂D MA 可以在更短的时间内,用更低的功耗实现数据的搬移,且D MA 进行数据搬移时并不会占用C P U ,C P U 可以继续执行其他指令㊂表3 D M A 模块与m e m c p y()函数功能对比功能电流/m A 时间功耗(m A ㊃m s)m e m c p y ()1.2761.65m s2.105D MA2.057272.50μs0.5612.2 软件设计原则典型的低功耗C P U 的工作模式如图2所示,C P U 大部分时间处于空闲或休眠状态,仅有部分外设在工作,此时电流消耗很小㊂只有定时事件完成或有其他事件触发时,C P U 才会进入运行状态执行相应的工作,工作完成后C P U 再次进入空闲或休眠状态,继续等待定时或其他事件的触发,这样系统整体的平均功耗就会很低[4]㊂例如采用M S P 430F R 6972芯片实现串口数据接收功能,可以选择A C L K 作为片内串口模块的时钟源,这样芯片可以长时间处于L P M 3模式下接收串口数据,当要处理接收数据时再进入A c t i v e 模式进行数据处理,从而使单片机功耗保持最佳㊂图2 典型的低功耗C P U 的工作模式此外,在软件编程上尽可能地提升代码的执行效率,缩短C P U 的活跃时间,也可以更好地降低功耗㊂例如尽量使用无符号数,尽可能采用快速查表法来代替复杂的计算等㊂2.2.1 U L P A d v i s o r 代码分析T I 公司提供了U L P (U l t r a -L o w P o w e r )A d v i s o r 分析工具,用于指导开发人员编写有效的代码,以充分利用M S P 430微控制器的独特超低功耗特性[5]㊂U L P A d v i s o r功能可以在I A R 或C C S 编译器中通过设置启用㊂U L P 包含了15条编程规则,在编译时,U L P A d v i s o r 会提供通知和备注,以突出显示代码中可以进一步优化的区域,如图3所示,U L P A d v i s o r 提示f o r 循环的代码可以优化㊂点击图3中m e s s a g e s 对话框中的T I U L P A d v i s o r 报警信息,就会弹出如图4所示的详细说明,并包括优化代码的例子㊂从详细说明中可知,M S P 430单片机内进行非零值比较时需要执行两条汇编指令,而与零比较只需执行一条汇编指令,所以可以将f o r (i i =0;i i <20;i i ++)改为f o r (i i =20;i i >0;i i --),提高代码的执行效率,从而节省功耗㊂图3 U L P A d v i s o r 告警信息图4 U L P A d v i s o r 详细说明2.2.2 E n e r g y Tr a c e 功耗分析在进行单片机超低功耗设计时,辅助的测量方法有很多种㊂可将高精度电流表串入供电回路测量功耗,或者在供电回路中串联一个精密电阻(误差为1%,甚至更低),用示波器实时测量电阻两端的电压等方法㊂为了能够更好地在程序设计过程中了解功耗,可以采用T I 公司的E n e r g y T r a c e 工具㊂E n e r g y Tr a c e 工具主要用于D e b u g 模式,其可以实时记录M S P 430单片机的实时功耗㊁内部外设和芯片运行的状态(见图5)㊁程序里功能函数执行的次数及每个功能函数的功耗,生成l o g 信息并以图表的形式实时展示出来[5]㊂E n e r g y Tr a c e 工具可以对比利用U L P A d v i s o r 工具调整后和调整前的代码的实时功耗情况,如图6所示㊂通过将U L P A d v i s o r 和E n e r g y Tr a c e 结合使用,可以帮助软件人员在程序设计调试中更好地优化代码,从而保证功耗做到最低㊂图5芯片内部外设及运行模式实时追踪图6 E n e r g y Tr a c e 功耗跟踪及对比分析结 语M S P 430F R 系列单片机适用于很多超低功耗实时数据测量场合㊂通过恰当的低功耗硬件设计㊁合理的软件策略及综合的优化方法,可以使M S P 430F R 系列单片机在超低功耗的应用领域中表现得更为优秀㊂参考文献[1]胡大可.M S P 430系列超低功耗16位单片机原理与应用[M ].北京:北京航空航天大学出版社,2000.[2]T e x a s I n s t r u m e n t s .M S P 430F R 58x x ,M S P 430F R 59x x ,M S P 430F R68x x ,a n d M S P 430F R 69x x F a m i l y Us e r s G u i d e [E B /O L ].[201805].h t t p ://w w w .t i .c o m /c n /l i t /pd f /s l a u 367.[3]王昌林,张勇,李东生.C MO S 集成电路功耗分析及其优化方法[J ].舰船电子工程,2006,26(3):123125.[4]杨天池,金梁,王天鹏.嵌入式系统的低功耗设计[J ].仪器仪表学报,2006,27(z 1):946948.[5]T e x a s I n s t r u m e n t s .M S P 430A d v a n c e d P o w e r O pt i m i z a t i o n s _U L P A d v i s o r S o f t w a r e a n d E n e r g y T r a c e T e c h n o l o g y [E B /O L ].[201805].h t t p://w w w.t i .c o m.c n /c n /l i t /a n /s l a a 603/s l a a 603.李志腾(嵌入式软件工程师),主要负责智能配电产品线㊂(责任编辑:薛士然 收稿日期:2018-05-03)。
低功耗设计技术研究
低功耗设计技术研究在当今物联网时代，越来越多的设备需要长时间运行且不能频繁充电，因此低功耗设计技术变得越来越重要。
本文将探讨低功耗设计技术的研究现状和未来发展趋势。
1. 低功耗设计技术的概念和分类低功耗设计技术主要是指在设备运行时降低功耗，以延长电池寿命或减小能耗。
低功耗设计技术可分为系统级低功耗和电路级低功耗两类。
系统级低功耗主要针对整个系统的设计和运行进行优化，通过降低CPU频率、增加睡眠模式等措施减少功耗。
电路级低功耗主要是通过优化电路设计、改进电路器件材料等方法实现功耗降低。
2. 低功耗设计技术的研究现状目前，低功耗设计技术已经得到了广泛应用。
在芯片设计方面，一些公司已经推出了采用新型工艺的低功耗芯片，其功耗降至几毫瓦以下。
同时，也有不少开源项目涉及低功耗设计，例如开源无线通信协议LoRa、Zigbee等，这些协议致力于提高传输效率，实现低能耗。
在电子设备方面，低功耗的设备也得到了广泛应用。
例如，智能手表、可穿戴设备、智能家居等，这些设备采用低功耗设计技术，能够长时间运行，大大降低了用户充电频率，提高了用户体验。
3. 低功耗设计技术的未来发展趋势未来，低功耗设计技术的发展将呈现以下趋势：（1）采用新型工艺：采用新型工艺可以实现芯片功耗降低，例如三维集成电路、多层封装技术等。
（2）引入人工智能：通过人工智能技术，可以实现设备的自动管理，及时发现设备功耗异常并进行优化，实现最佳能耗状态。
（3）应用新型材料：采用新型材料可以大幅降低功耗，例如使用铌酸锂晶体可实现电容功耗降低。
（4）加强数据安全：随着物联网设备数量的增加，数据安全问题越来越严重。
采用低功耗技术还需注重设备安全性设计，避免被黑客攻击泄露用户数据。
4. 结论综上所述，低功耗设计技术现已广泛应用于各个领域，并不断发展壮大。
未来将进一步引入新科技、新材料，提高设备的安全性和数据处理能力。
在物联网时代，低功耗设计技术将扮演越来越重要的角色。
低功耗冲击波超压测试系统设计
２ ０ １ ３年 ４ 月
电 子 器 件
Ｃ ｈ ｉ ｎ ｅ ｓ ｅ Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｌ Ｉ ３６ Ｎｏ． ２
Ａｐ ｒ ． ２ ０１ ３
Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｏ ｆ Ｌｏ ｗ－ Ｐｏ ｗｅ ｒ Ｓ ｈｏ ｃ ｋ Ｗ ａ ｖ ｅ ｏ ｖ ｅ ｒ Ｐｒ ｅ ｓ ｓ ｕ ｒ ｅ Ａｃ ｑ ｕ ｉ ｓ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ
Ｌ Ｉ Ｕ Ｌｉ ａ ｎ ｇ ， ＭＡ Ｔ ｉ ｅ ｈ ｕ ａ ＇ ， Ｙ ＯＵ Ｗｅ ｎ ｂ ｉ ｎ ’
（ １ ． Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ｏ ｎ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ Ｔ ｅ ｓ ｔ＆ Ｍｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｅ ｍｅ ｎ ｔ Ｌ ａ ｂ ｏ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ ｙ， Ｔ ａ ｉ ｙ ｕ ａ ｎ ０ ３ ０ ０ ５ １， Ｃｈ ｉ ｎ ａ；
２ ． Ｉ ｎ ｓ ｔ ｒ ｕ ｅｎ ｍ ｔ ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ ｄ ｙ ｎ ａ ｍｉ ｃ ｔ ｅ ｓ ｔ ｌ ａ ｂ ｏ ｒ ａ ｔ ｏ ｙ ｒ Ｎｏ ａ ｈ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆＣ ｈ ｉ ｎ ａ ，
ａ ｎ ０ ３ ０ ０ ５ １ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ）
击波超压测试系统 ， 结合测试过程 中压力信号 的采集 、 存储这一问题 ， 详细 的阐述 了压力测试 系统 的总体设计 方案 、 工作 原理
及系统组成 。试验表 明 ： 该测试系统具有抗干扰 、 抗高冲击 、 高可靠性 、 微功耗等优点 ， 适 用于恶劣环境 下数据 的存储测试 。
关键 词 ： 冲击波超压； 测试系统 ； 存储测试； 低功耗
硬件设计之低功耗设计
硬件设计之低功耗设计现象一：我们这系统是220V供电，就不用在乎功耗问题了点评：低功耗设计并不仅仅是为了省电，更多的好处在于降低了电源模块及散热系统的成本、由于电流的减小也减少了电磁辐射和热噪声的干扰。
随着设备温度的降低，器件寿命则相应延长（半导体器件的工作温度每提高10度，寿命则缩短一半）现象二：这些总线信号都用电阻拉一下，感觉放心些点评：信号需要上下拉的原因很多，但也不是个个都要拉。
上下拉电阻拉一个单纯的输入信号，电流也就几十微安以下，但拉一个被驱动了的信号，其电流将达毫安级，现在的系统常常是地址数据各32位，可能还有244/245隔离后的总线及其它信号，都上拉的话，几瓦的功耗就耗在这些电阻上了（不要用8毛钱一度电的观念来对待这几瓦的功耗）。
现象三：CPU和FPGA的这些不用的I/O口怎么处理呢？先让它空着吧，以后再说点评：不用的I/O口如果悬空的话，受外界的一点点干扰就可能成为反复振荡的输入信号了，而MOS器件的功耗基本取决于门电路的翻转次数。
如果把它上拉的话，每个引脚也会有微安级的电流，所以最好的办法是设成输出（当然外面不能接其它有驱动的信号）现象四：这款FPGA还剩这么多门用不完，可尽情发挥吧点评：FGPA的功耗与被使用的触发器数量及其翻转次数成正比，所以同一型号的FPGA在不同电路不同时刻的功耗可能相差100倍。
尽量减少高速翻转的触发器数量是降低FPGA功耗的根本方法。
现象五：这些小芯片的功耗都很低，不用考虑点评：对于内部不太复杂的芯片功耗是很难确定的，它主要由引脚上的电流确定，一个ABT16244，没有负载的话耗电大概不到1毫安，但它的指标是每个脚可驱动60毫安的负载（如匹配几十欧姆的电阻），即满负荷的功耗最大可达60*16=960mA，当然只是电源电流这么大，热量都落到负载身上了。
现象六：存储器有这么多控制信号，我这块板子只需要用OE和WE信号就可以了，片选就接地吧，这样读操作时数据出来得快多了。
低功耗的设计原则健全版
超低功耗电子电路系统设计原则虽然超低功耗设计仍然是在CMOS集成电路(IC)基础上发展起来的，但是因为用户众多，数千种专用或通用超低功耗IC不断涌现，使设计人员不再在传统的CMOS 型IC上下功夫，转而选择新型超低功耗IC，致使近年来产生了多种超低功耗仪表。
电池供电的水表、暖气表和煤气表近几年能够发展起来就是一个证明。
目前，电池供电的单片机则是超低功耗IC的代表。
本文将对超低功耗电路设计原则进行分析，并就怎样设计成超低功耗的产品作一些论述，从而证明了这种电路在电路结构和性价比等方面对传统电路极具竞争力。
1 CMOS集成电路的功耗分析无论是低功耗还是超低功耗IC，主要还是建立在CMOS电路基础上的。
虽然超低功耗IC对单元电路进行了新形式的设计，但作为功耗分析，仍然离不开 CMOS 电路基本原理。
以74系列为代表的TTL集成电路，每门的平均功耗约为10mW；低功耗的TTL集成电路，每门平均功耗只有1mW。
74系列高速 CMOS电路，每门平均功耗约为10μW；而超低功耗CMOS通用小规模IC，整片的静态平均功耗却可低于10μW。
传统的单片机，休眠电流常在 50μA~2mA范围内；而超低功耗的单片机休眠电流可达到1μA以下。
CMOS电路的动态功耗不仅取决于负载，而且就电路内部而言，功耗与电源电压、集成度、输出电平以及工作频率都有密切联系。
因此设计超低功耗电路时不得不对全部元件的内外性质做仔细分析。
CHMOS或CMOS电路的功耗特性一般可以表示为：P=PD+PA式中， P--总功耗PD--静态功耗，PD=VDD·IDD (1)PA--动态功耗，PA=PTC+PC＝VDD·ITC+f·CL·vdd2(2)PTC --瞬时导通功耗PC--输出电容充放电功耗VDD--工作电源电压IDD--静态时由电源流向电路内部的电流ITC--脉冲电流的时间平均值f--输入脉冲重复频率CL--电路输出端的负载电容式(1)为静态功耗表达式。
低功耗设计
msp430F149有3个时钟源，分别是高频振 荡器LFXT2，一般外接8MHZ晶振，低频振 荡器LFXT1，一般外接32.768KHZ的手表晶 振，DCO是内部振荡器，工作频率可选，系 统默认是800KHZ，最高可工作到10MHZ， 有相应的设置寄存器
由系统时钟系统产生 CPU 和各功能所需的 时钟。并且这些时钟可以在指令的控制下， 打开和关闭，从而实现对总体功耗的控制。
一个复杂的CPU集成度高、功能强，但是 片内晶体管多，总漏电流大，即使进入 STOP状态，漏电流也变得不可忽视；而 简单的CPU内核不仅功率低，成本也低
PN结在截止时流过的很微小的电流。在D-S 没在正向偏置，G-S反向偏置，导电沟道打 开后，D到S才会有电流流过。但实际上由 于自由电子的存在，自由电子的附着在sio2 和N+、导致D-S有漏电流。
选择带有低功耗模式的系统 低功耗模式指的是系统的IDLE、STOP和 SUSPEND模式。处于这类模式下的单片机功 耗将大大小于运行模式下的功耗。
对于一个数字系统而言，其功耗大致满足 公式：P=CfV^2。其中C为系统的负载电容， V电源电压，f为系统工作频率。功耗与电源电 压的平方成正比，因此电源电压对系统的功耗 影响最大，
低功耗设计
低功耗设计并不仅仅是为了省电， 更多的好处在于降低了电源模块及散 热系统的成本、由于电流的减小也减 少了电磁辐射和热噪声的干扰。 随着设备温度的降低，器件寿命 则相应延长（半导体器件的工作温度 每提高10度，寿命则缩短一半）
低功耗单片机 选用尽量简单的CPU内核 在选择CPU内核是切忌一味追求性能。 选择的原则应该是够用就好，8位机够用，就 没有必要选用16位机。一般来说，单片机的运 行速度越快，功耗越大。
超低功耗单片机msp430
超低能耗电子电路系统设计原则
超低 能耗 电子 电路 系统设计原则
徐 昌华
（ 淮安信息职业技术学院电子工程系， 江苏 淮安 ２３ ０ ） ２０ ３
摘 要： 超低 功耗 电子 电路 系统设计 ， 需要对 电路 的整个功耗进行仔细 的分析研 究 ， 影响 电路 系统功耗 的 因素有 负栽能
等 器件 。超 低 功耗 电路 的设 计 对 低 功耗 电路 提 出 了 新 的挑 战和 新 的问题 ，超低 功 耗 电子 电路 不 断扩 展
பைடு நூலகம்
集成电路的功耗不仅与负载相联 ，而且与 电源 电压 、 工作频率 、 集成度 、 出电平 等都有一定程度 输 的关联 ，这些因素都影响着集成 电路功耗产生 的高
随着社会经济 的发展 ， 电池供 电电路不断兴起 ， 电路中的 ７ 系列 ， ４ 每门的平均功耗大概是 １ｒ 而 ０ ｗ， ｏ 尤其 以手机 电池 电路为典型 ，并为便携式仪表 指明 吼 中低 功耗 的集 成 电子 电路 每 门平均 功耗 仅有 了新的发展方 向，因此超低功耗 电子电路系统 成为 ｌ Ｗ。４系； ｍ ７ 系列中高速集成 电子 电路每门平均功耗 研究人员不断研究 、 设计的方向。超低功耗 电路系统 大约为 ｌ ｗ，超低耗的集成 电路每 门平均功耗则 ０ 包 括 超 低 功 耗 的 电源 、 晶 显 示屏 、 片机 、 大 器 能够低 于 １ ｐＷ。 液 单 放 ０，
消耗功率 ，并可以通过一定 的计算式计算 出电容充 则 为 ２ ０ Ａ。 ５ 放 电功耗值 ， 电容的瞬时充 、 电电流与电源电压 对 放 （ ）Ｃ器件 的选 择 ２ Ｉ 之 积 进 行积 分 。 就可 以得 出结 果 。 电子 电路 系统 中动 单靠选择适合的单片机是无法实现整个 电路功
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超低功耗系统设计
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基于MSP430单片机的开关稳压电源设计
MSP430系列单片机是美国TI公司生产的新一代16位单片机，是一种超低功耗的混合信号处理器(MixedSignal Processor)，它具有低电压、超低功耗、强大的处理能力、系统工作稳定、丰富的片内外设、方便开发等优点，具有很高的性价比，在工程控制等领域有着极其广泛的应用范围。
开关Boost稳压电源利用开关器件控制、无源磁性元件及电容元件的能量存储特性，从输入电压源获取分离的能量，暂时把能量以磁场的形式存储在电感器中，或以电场的形式存储在电容器中，然后将能量转换到负载。
对DC—DC主回路采用Boost升压斩波电路。
2 系统结构和总设计方案
本开关稳压电源是以MSP430F449为主控制器件，它是TI公司生产的16位超低功耗特性的功能强大的单片机，其低功耗的优点有利于系统效率高的要求，且其ADCl2是高精度的12位A／D转换模块，有高速、通用的特点。
这里使用MSP430完成电压反馈的PI调节；PWM波产生，基准电压设定；电压电流显示；过电流保护等。
系统框图如图1所示。
3 硬件电路设计
3．1 DC／DC转换电路设计
系统主硬件电路由电源部分、整流滤波电路、DC／DC转换电路、驱动电
路、MSP430单片机等部分组成。
交流输入电压经整流滤波电路后经过DC／DC变换器，采用Boost升压斩波电路DC／DC变换，如图2所示：
根据升压斩波电路的工作原理一个周期内电感L积蓄的能量与释放的能量相等，即：
式(1)中I1为输出电流，电感储能的大小通过的电流与电感值有关。
在实际电路中电感的参数则与选取开关频率与输入／输出电压要求，根据实际电路的要求选用合适的电感值，且要注意其内阻不应过大，以免其损耗过大减小效率采样电路。
对于电容的计算，在指定纹波电压限制下，它的大小的选取主要依据式(2)：
式(2)中：C为电容的值；D1为占空比；TS为MOSFET的开关周期；I0为负载电流；V’为输出电压纹波。
3．2 采样电路
采样电路为电压采集与电流采集电路，采样电路如图3所示。
其中P6．O，P6．1为MSP430芯片的采样通道，P6．O为电压采集，P6．1为电流采集。
电压采集因为采样信号要输入单片机MSP430内部，其内部采样基准电压选为2．5 V，因此要将输入的采样电压限制在2．5 V之下，考虑安全裕量则将输入电压限制在2 V以下，当输入电压为36 V时，采样电压为：12／
(12+200)×36=2．04 V，符合要求。
电流采集采用康铜丝进行采集。
首先考虑效率问题，康铜丝不能选择过大，同时MSP430基准电压为2．5 V，且所需康铜丝需自制。
考虑以上方面在康铜丝阻值选取上约为O．1Ω。
3．3 PWM驱动电路的设计
电力MOSFET驱动功率小，采用三极管驱动即可满足要求，驱动电路如图
4所示。
由于单片机为弱电系统，为保证安全需要与强电侧隔离，防止强电侧的电压回流，烧坏MSP430，先用开关光耦进行光电隔离，再经三极管到MOSFET的驱动电路IR210l。
MSP430产生的PWM波，经过光耦及后面的IR2101芯片，在芯片的5管脚输出的PWM波接到MOS—FET的门极G端，使其工作。
IR2101是专门用来驱动耐高压高频率的N沟道MOSFET和IGBT的。
它是一个8管脚的芯片，其具有高低侧的输出参考电平。
门极提供的电压范围是10～20 V。
3．4 保护电路的设计
过电流保护是一种电源负载保护功能，以避免发生包括输出端子上的短路在内的过负载输出电流对电源和负载的损坏。
当电流大于限定值的时候，使用继电器常闭触点断开进行保护。
用MSP430单片机控制继电器的常开常闭的吸合，实现自动恢复电路工作的功能。
如图5所示：
4 软件设计
MSP430单片机内部具有高、中、低速多个时钟源，可以灵活地配置给各模块使用以及工作于多种低功耗模式，大大降低控制电路的功耗提高整体效率；430F449有ADCl2模块能够实现12位精度的模数转换、硬件乘法器以及带有PWM 输出功能的TIMERA和TIMRB定时器，使得整个电路不需要任何扩展就能完成对电源输出电压、电流的实时采集、PI控制、PWM输出；同时MSP430F449带有内部LCD驱动模块，直接将液晶显示屏连接在芯片的驱动端口即可，电路结构极为简单。
本设计的软件采用C语言编写，整个程序包括的子模块有：键盘控制模块、A／D电压和电流采集模块、PI控制模块和PWM波发生模块等几个部分，软件流程图如图6所示。
键盘控制和显示模块：通过键盘可实现电压参考值的设定，电压电流的切换显示。
通过LED实现参考电压的设定与显示，通过LCD显示电压和电流的采集值。
AD电压和电流采集模块：通过MSP430单片机的12位A／D转换模块，对系统输出的电压值和负载电流进行采集。
PI控制模块：此模块用来对系统输出电压进行控制，使输出电压稳定。
其控制原理如图7所示。
PWM波发生模块：利用MSP430单片机的TimerB定时器的比较功能，产生驱动MOSFET的信号。
5 实验结果分析
通过单片机MSP430软件设计，对PI调节选定合理参数及开关频率，能达到稳压的效果，使以上前3个指标能达到良好的效果。
而能否对纹波电压限制，主要在于整流滤波电路中电容，因此高耐压的支撑电解电容的选取是重要的。
在选定开关元件之后，效率主要受开关频率的影响、储能电感的内阻以及线路中其他器件损耗影响，因此在器件选取上要注重其损耗的高低。
对此系统的进行综合测试，结果如表1所示。
6 结语
本开关稳压电源设计采用低功耗的TI公司的膈位单片机MSP430F449片机最小系统板为控制核心，以PWM控制技术，闭环PI调节，高精度的12位A／D转换为基础，完成了采样值显示与设置电压值的功能和参数指标。
实验结果表明：通过单片机MSP430软件设计，对PI调节选定合理参数及开关频率，能达到稳压的效果。