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一、單片機(jī)與單片微計(jì)算機(jī)系統(tǒng)
計(jì)算機(jī)系統(tǒng)已明顯地朝巨型化、單片化、網(wǎng)絡(luò)化三個(gè)方向發(fā)展。巨型化發(fā)展的目的在于不斷提高計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度和處理能力，以解決復(fù)雜系統(tǒng)計(jì)算和高速數(shù)據(jù)處理，比如系統(tǒng)仿真和模擬、實(shí)時(shí)運(yùn)算和處理。單片化就是把計(jì)算機(jī)系統(tǒng)盡可能集成在一塊半導(dǎo)體芯片上，其目的在于計(jì)算機(jī)微型化和提高系統(tǒng)的可靠性，通常把這種單片計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)稱單片機(jī)。準(zhǔn)確而言，單片機(jī)（單片微型計(jì)算機(jī)）實(shí)際上是一種將CPU（中央處理器）、存儲(chǔ)器和輸入輸出接口集成在一個(gè)芯片中的微型計(jì)算機(jī)。單片機(jī)的內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)主要是針對(duì)自動(dòng)控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，所以單片機(jī)又稱微控制器mcu（MicroController Unit），又由于用它可以很容易地將計(jì)算機(jī)嵌入到各種儀器和現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備中，因此單片機(jī)也叫嵌入式微控制器（Embedded MCU）。
單片機(jī)要進(jìn)行工作，必須構(gòu)成單片機(jī)系統(tǒng)。單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)微計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，它主要由硬件和軟件兩大部分組成，硬件是指構(gòu)成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的所有電子、機(jī)械和磁性的部件或設(shè)備，軟件則是各種程序及數(shù)據(jù)的總稱。圖1給出單片微計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的具體構(gòu)成。
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二、單片機(jī)發(fā)展概述
單片機(jī)出現(xiàn)的歷史并不長(zhǎng)，但發(fā)展十分迅猛。 它的產(chǎn)生與發(fā)展和微處理器的產(chǎn)生與發(fā)展大體同步，自1971年美國(guó)Intel公司首先推出4位微處理器以來(lái)，它的發(fā)展到目前為止大致可分為5個(gè)階段。下面以Intel公司的單片機(jī)發(fā)展為代表加以介紹。
第1階段（1971～1976）： 單片機(jī)發(fā)展的初級(jí)階段。 1971年11月Intel公司首先設(shè)計(jì)出集成度為2000只晶體管/片的4位微處理器Intel 4004， 并配有RAM、 ROM和移位寄存器， 構(gòu)成了第一臺(tái)MCS—4微處理器， 而后又推出了8位微處理器Intel 8008， 以及其它各公司相繼推出的8位微處理器。
第2階段（1976～1980）：低性能單片機(jī)階段。 以1976年Intel公司推出的MCS—48系列為代表， 采用將8位CPU、 8位并行I/O接口、8位定時(shí)/計(jì)數(shù)器、RAM和ROM等集成于一塊半導(dǎo)體芯片上的單片結(jié)構(gòu)， 雖然其尋址范圍有限（不大于4 KB）， 也沒(méi)有串行I/O， RAM、 ROM容量小， 中斷系統(tǒng)也較簡(jiǎn)單， 但功能可滿足一般工業(yè)控制和智能化儀器、儀表等的需要。
第3階段（1980～1983）：高性能單片機(jī)階段。 這一階段推出的高性能8位單片機(jī)普遍帶有串行口， 有多級(jí)中斷處理系統(tǒng)， 多個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。片內(nèi)RAM、 ROM的容量加大，且尋址范圍可達(dá)64 KB，個(gè)別片內(nèi)還帶有A/D轉(zhuǎn)換接口。
第4階段（1983～80年代末）： 16位單片機(jī)階段。 1983年Intel公司又推出了高性能的16位單片機(jī)MCS－96系列， 由于其采用了最新的制造工藝， 使芯片集成度高達(dá)12萬(wàn)只晶體管/片。
第5階段（1990年代）：?jiǎn)纹瑱C(jī)在集成度、功能、速度、可靠性、應(yīng)用領(lǐng)域等全方位向更高水平發(fā)展。
按照單片機(jī)的特點(diǎn)，單片機(jī)的應(yīng)用分為單機(jī)應(yīng)用與多機(jī)應(yīng)用。在一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)中，只使用一片單片機(jī)稱為單機(jī)應(yīng)用。單片機(jī)的單機(jī)應(yīng)用的范圍包括：
?。?） 測(cè)控系統(tǒng)。 用單片機(jī)可以構(gòu)成各種不太復(fù)雜的工業(yè)控制系統(tǒng)、自適應(yīng)控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等， 達(dá)到測(cè)量與控制的目的。
（2） 智能儀表。 用單片機(jī)改造原有的測(cè)量、控制儀表， 促進(jìn)儀表向數(shù)字化、智能化、多功能化、綜合化、柔性化方向發(fā)展。
?。?） 機(jī)電一體化產(chǎn)品。單片機(jī)與傳統(tǒng)的機(jī)械產(chǎn)品相結(jié)合， 使傳統(tǒng)機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化， 控制智能化。
（4） 智能接口。 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)， 特別是在較大型的工業(yè)測(cè)、控系統(tǒng)中， 用單片機(jī)進(jìn)行接口的控制與管理， 加之單片機(jī)與主機(jī)的并行工作， 大大提高了系統(tǒng)的運(yùn)行速度。
?。?） 智能民用產(chǎn)品。 如在家用電器、玩具、游戲機(jī)、聲像設(shè)備、電子秤、收銀機(jī)、辦公設(shè)備、廚房設(shè)備等許多產(chǎn)品中， 單片機(jī)控制器的引入， 不僅使產(chǎn)品的功能大大增強(qiáng)， 性能得到提高， 而且獲得了良好的使用效果。
單片機(jī)的多機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)可分為功能集散系統(tǒng)、并行多機(jī)處理及局部網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。
（1） 功能集散系統(tǒng)。 多功能集散系統(tǒng)是為了滿足工程系統(tǒng)多種外圍功能的要求而設(shè)置的多機(jī)系統(tǒng)。
?。?） 并行多機(jī)控制系統(tǒng)。 并行多機(jī)控制系統(tǒng)主要解決工程應(yīng)用系統(tǒng)的快速性問(wèn)題， 以便構(gòu)成大型實(shí)時(shí)工程應(yīng)用系統(tǒng)。
?。?） 局部網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。
二、常用單片機(jī)系列
1．8051系列單片機(jī)
Intel公司于1980年推出8位的高性能8051單片機(jī)，在工業(yè)控制領(lǐng)域引起不小的轟動(dòng)，并迅速確立了其不可動(dòng)搖的地位。之后不久，Intel公司徹 底開放了8051單片機(jī)的技術(shù)，引來(lái)世界上很多半導(dǎo)體廠商加入了開發(fā)和改造8051單片機(jī)的行列中，這其中貢獻(xiàn)最大的有Philipe公司，它著力發(fā)展了 單片機(jī)的控制功能和外圍單元；Atmel公司，它在單片機(jī)內(nèi)部植入了Flash ROM，使得單片機(jī)應(yīng)用變得更靈活，在我國(guó)擁有大量的用戶；ADI公司，它推出的AduC8 xx系列單片機(jī)，在單片機(jī)向SOC發(fā)展的模/數(shù)混合集成電路發(fā)展過(guò)程中扮演了很重要的角色；Cygnai公司，它采用一種全新的流水線設(shè)計(jì)思路，使單片機(jī) 的運(yùn)算速度得到了極大的提高，在向SOC發(fā)展的過(guò)程中邁出了一大步。
目前8051系列單片機(jī)各生產(chǎn)廠商的主流產(chǎn)品有幾十個(gè)系列，幾百個(gè)品種。盡管其各具特色，名稱各異，但作為集CPU、RAM、ROM（或EPROM）、 I/O接口、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)為一體的單片機(jī)，其原理大同小異?，F(xiàn)以Intel公司的系列產(chǎn)品為例，說(shuō)明其各系列之間的區(qū)別。
Intel公司從其生產(chǎn)單片機(jī)開始，發(fā)展到現(xiàn)在，大體上可分為3大系列： MCS-48系列、MCS-51系列、MCS-96系列。該3大系列的性能簡(jiǎn)介見表1。
表1 Intel單片機(jī)系列性能簡(jiǎn)介
這里，我們僅對(duì)MCS-51系列作一簡(jiǎn)要介紹。MCS-51系列單片機(jī)雖已有10多種產(chǎn)品，但可分為兩大系列：MCS-51子系列與MCS-52子 系列。 MCS-51子系列中主要有8031、8051、8751 三種類型。而MCS-52子系列也有3種類型8032、8052、8752。各子系列配置見表1.2所示。
表1.2中列出了MCS-51系列單片機(jī)的兩個(gè)子系列，在4個(gè)性能上略有差異。 由此可見，在本子系列內(nèi)各類芯片的主要區(qū)別在于片內(nèi)有無(wú)ROM或EPROM；MCS-51與MCS-52子系列間所不同的是片內(nèi)程序存儲(chǔ)器ROM從4 KB增至8 KB；片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器由128個(gè)字節(jié)增至256個(gè)字節(jié)；定時(shí)器/計(jì)數(shù)器增加了一個(gè)；中斷源增加了1～2個(gè)。另外，對(duì)于制造工藝為CHMOS的單片機(jī)，由于采用 CMOS技術(shù)制造，因此具有低功耗的特點(diǎn)，如8051功耗約為630 mW，而80C51的功耗只有120 mW。
2．其它單片機(jī)
當(dāng)很多公司在改造MCS-51系列單片機(jī)的同時(shí)，世界上一些有影響力的大公司也在開發(fā)自己的單片機(jī)，比如Motorola、TI、Microchip、OKI、Epson等。這些單片機(jī)的指令系統(tǒng)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)都和MCS-51系列單片機(jī)不同，功能也各有千秋。
（1）Motorola的單片機(jī)
Motorola是世界上最早開發(fā)單片機(jī)的著名廠商，是目前全球最大的8位單片機(jī)生產(chǎn)商?，F(xiàn)在已經(jīng)擁有8位、16位和32位約十幾個(gè)系列的單片機(jī)，這其中 8位機(jī)主要有68HC05、68HC08和68HC11等3個(gè)系列；16位機(jī)主要有HCS12、68HC12、DSP56800和68HC16等4個(gè)系 列；32位機(jī)主要有Coldfire的MC683xx、MCORE、MPC500和MCF5 xxx等系列。Motorola單片機(jī)的功能一般都很強(qiáng)，進(jìn)入我國(guó)的時(shí)間也很早，在單片機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域有很高的威望，但由于其開發(fā)工具價(jià)格較高，影響了普及率。
（2）Microchip公司的PIC單片機(jī)
Microchip公司是當(dāng)今世界上第二大8位單片機(jī)生產(chǎn)商，Microchip單片機(jī)在我國(guó)也有比較多的用戶，近幾年隨著Microchip不斷推出頗 具特色的各型單片機(jī)，Microchip已越來(lái)越受到業(yè)界的廣泛關(guān)注。目前，市面上比較常見的單片機(jī)主要有以下3個(gè)系 列：PIC12C5xxx/16C5x系列，這兩個(gè)系列的單片機(jī)是PIC單片機(jī)中的低端產(chǎn)品，其中PIC16C5x系列是最早在市場(chǎng)上得到發(fā)展的系列，因其價(jià)格較低，且有較完善的開發(fā)手段，因此在國(guó)內(nèi)應(yīng)用最為廣泛；而PIC12C5xx是世界上第一個(gè)8腳低價(jià)位單片機(jī)，可用于一些對(duì)單片機(jī)體積要求較高的簡(jiǎn) 單智能控制領(lǐng)域，前景十分廣闊。PIC12C6xx/ PIC16Cxxx系列是PIC中檔產(chǎn)品，是Microchip近年來(lái)重點(diǎn)發(fā)展的系列產(chǎn)品，品種最為豐富，其性能比低檔產(chǎn)品有所提高，指令周期可達(dá)到 200ns，增加了中斷功能、帶A/D、內(nèi)部E2PROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、雙時(shí)鐘工作、比較輸出、捕捉輸入、PWM輸出、I2C和SPI接口、異步串行通信 （USART）、模擬電壓比較器及LCD驅(qū)動(dòng)等，其封裝從8腳到68腳，可用于高、中、低檔的電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，適合于高級(jí)復(fù)雜系統(tǒng)的開發(fā)，其性能在中檔位單片機(jī)的基礎(chǔ)上增加了硬件乘法器，指令周期可達(dá)成160ns，它是目前世界上8位單片機(jī)中性價(jià)比最高的機(jī)種之一，可用于高、中檔產(chǎn)品的開發(fā)，如馬達(dá)控制、音調(diào)合成。
（3）TI（Texas Instruments）公司的MSP430單片機(jī)
TI公司是聞名全球的DSP制造商，但其前幾年才推出的MSP430系列16位單片機(jī)同樣在業(yè)界掀起不小的波瀾。MSP430系列單片機(jī)最突出的特點(diǎn)是低電壓供電和超低功耗，非常適合應(yīng)用于采用電池長(zhǎng)時(shí)間工作的場(chǎng)合。電壓范圍為1.8~3.6V；在1MHZ2.2V下，活動(dòng)模式功耗為225μA，待機(jī)模式 功耗為0.8μA、掉電模式功耗為0.1μA。在這個(gè)系列中有很多個(gè)型號(hào)，它們是由一些基本功能模塊按照不同的應(yīng)用目標(biāo)組合而成的。MSP430系列單片 機(jī)的CPU采用16位RISC精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)，集成有16位寄存器和常數(shù)發(fā)生器，發(fā)揮了最高代碼效率；它采用數(shù)字控制振蕩器（DCO），使得從低功耗模式到 喚醒模式的轉(zhuǎn)換時(shí)間小于6μs；內(nèi)部集成了A/D轉(zhuǎn)換器，工業(yè)應(yīng)用方便；其中MSP430x41x系列設(shè)計(jì)有一個(gè)16位定時(shí)器、一個(gè)比較器、96段LCD 液晶驅(qū)動(dòng)器和48個(gè)通用I/O口。
下面介紹MCU的應(yīng)用案例及參考設(shè)計(jì)。
描述
TI 的藍(lán)牙 + MSP430 音頻散熱器參考設(shè)計(jì)可供客戶用于創(chuàng)建各種低端、低功耗音頻解決方案的應(yīng)用。一些可能的應(yīng)用 - 玩具、低端藍(lán)牙揚(yáng)聲器、音頻播放配件。此參考設(shè)計(jì)是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的音頻實(shí)施方案，通過(guò)參考其提供的完整設(shè)計(jì)文件，您可以將重心轉(zhuǎn)移到應(yīng)用和最終產(chǎn)品開發(fā)工 作上。此參考設(shè)計(jì)支持的軟件包括 Stonestreet One Bluetopia 藍(lán)牙堆棧（經(jīng)過(guò)認(rèn)證且免專利費(fèi)）。
藍(lán)牙和MSP430 音頻信宿參考設(shè)計(jì)
特性
憑借最低成本、最低功耗的 MSP430F5229 實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙音頻功能（SBC 編碼/解碼）
設(shè)計(jì)中將音頻處理任務(wù)從 MCU 轉(zhuǎn)移到藍(lán)牙器件，從而實(shí)現(xiàn)低功耗音頻
這種經(jīng)濟(jì)高效的低端無(wú)線音頻解決方案，采用 4 層布局和 QFN 封裝
此解決方案的內(nèi)核是 TI 的 CC2564，此內(nèi)核擁有一流藍(lán)牙性能（+12dBm 輸出功率）
設(shè)計(jì)中還采用了 TI 的低功耗數(shù)字輸入揚(yáng)聲器放大器（TAS2505） 和 USB 充電管理器件 （BQ24055）
CC256x 和 Bluetopia 堆棧均有藍(lán)牙子系統(tǒng) QDID，因此您可以只需要一份藍(lán)牙最終產(chǎn)品列表
相關(guān)器件
1.BQ24055 具有自動(dòng) AC/USB 檢測(cè)功能和PG的800mA單輸入單節(jié)鋰離子電池充電器
BQ24055 功能方框圖
詳細(xì)資料：BQ24055 單節(jié)鋰離子電池充電器
2.CC2560 藍(lán)牙 Smart Ready 控制器，TICC256x器件是一款完整的藍(lán)牙BR/EDR/LEHCI解決方案，此解決方案減輕了設(shè)計(jì)工作并可實(shí)現(xiàn)快速上市?；赥I的第七代藍(lán)牙內(nèi) 核，器件實(shí)現(xiàn)了已經(jīng)證明的解決方案，此解決方案支持藍(lán)牙4.0雙模式（BR/EDR/LE）協(xié)議。TI的電源管理硬件和軟件算法大大節(jié)省了所有廣泛使用的 藍(lán)牙BR/EDR/LE模式運(yùn)行的能耗。
CC2560 功能方框圖
應(yīng)用：建筑照明、用于 HMI 和 POS 的單板計(jì)算機(jī)
詳細(xì)資料：CC2560藍(lán)牙Smart Ready控制器
1、便攜式設(shè)備對(duì)處理器提出的挑戰(zhàn)
隨著電子便攜式設(shè)備在全球的風(fēng)行，人們對(duì)電子 便攜式設(shè)備的要求也越來(lái)越高，希望產(chǎn)品有更多的功能，如手機(jī)攝像機(jī)自動(dòng)對(duì)焦與手機(jī)閃信與計(jì)步器；希望產(chǎn)品功耗更低，如無(wú)線設(shè)備、手持POS機(jī)和家庭醫(yī)療產(chǎn)品；希望產(chǎn)品體積更小，如運(yùn)動(dòng)手表；希望產(chǎn)品的保密性好；處理能力強(qiáng)，如便攜式儀器和高精度運(yùn)動(dòng)控制；希望價(jià)格更低和開發(fā)周期短。
然而困惑的是，很多的便攜式設(shè)備往往會(huì)同時(shí)要有上面的多個(gè)要求，然而現(xiàn)實(shí)中很難做到：同時(shí)滿足高速處理、低功耗和價(jià)格？ARM高速，但是功耗而價(jià)格高； 同時(shí)滿足高速處理和小封裝？希望封裝面積小到3×3mm，又要不犧牲速度；同時(shí)滿足小封裝和SOC？需要ADC、SPI和12個(gè)I/O，而尺寸，最好小于 5×5mm；開發(fā)周期，ARM性能完全合適，但ARM往往需要操作系統(tǒng)支持，開發(fā)周期長(zhǎng)，而市場(chǎng)機(jī)遇稍縱即逝。
為此，本文將從為電子便攜式設(shè)備開發(fā)解決上述這些難題出發(fā)，對(duì)如何設(shè)計(jì)一個(gè)低功耗的單片機(jī)系統(tǒng)與方法和MCU在低功耗方面的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行分析，并小尺寸系列單片機(jī)的應(yīng)用為例作出介紹。
2、如何設(shè)計(jì)一個(gè)低功耗的單片機(jī)系統(tǒng)
問(wèn)題提出：?jiǎn)纹瑱C(jī)系統(tǒng)的功耗是否只是由單片機(jī)的功耗決定？回答是，以單片機(jī)為核心構(gòu)成的系統(tǒng)，其系統(tǒng)的總能耗是由單片機(jī)能耗及其外圍電路能耗共同構(gòu)成。為了降低整個(gè)系統(tǒng)的功耗，除了要降低單片機(jī)自身的運(yùn)行功耗外，還要降低外圍電路的功耗。
2.1如何設(shè)計(jì)低功耗單片機(jī)系統(tǒng)？
要設(shè)計(jì)一個(gè)低功耗的單片機(jī)系統(tǒng)，需要從硬件和軟件兩方面入手。
2.11硬件設(shè)計(jì)
*選用盡量簡(jiǎn)單的CPU內(nèi)核。在選擇CPU內(nèi)核時(shí)切忌一味追求性能。選擇的原則應(yīng) 該是“夠用就好”。8位機(jī)夠用，就沒(méi)有必要選用16位機(jī)。一般來(lái)說(shuō)，單片機(jī)的運(yùn)行速度越快，功耗也越大。一個(gè)復(fù)雜的CPU集成度高、功能強(qiáng)，但片內(nèi)晶體管 多，總漏電流大，即使進(jìn)入STOP狀態(tài)，漏電流也變得不可忽視；而簡(jiǎn)單的CPU內(nèi)核不僅功耗低，成本也低。
*選用低電壓供電的系統(tǒng)。低電壓供電可以大大降低系統(tǒng)的工作電流。目前單片機(jī)從與TTL兼容的5V供電降低到3.3V、3V、2V乃至1.8V供電，降低單片機(jī)的供電電壓可以有效降低其功耗。供電電壓降低也是未來(lái)單片機(jī)發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)。
*選擇帶有低功耗模式的系統(tǒng)。低功耗模式指的是系統(tǒng)的Idel（閑置）、Stop（停止）和Suspen（暫停）模式。處于這類模式下的單片機(jī)功耗將大大小于運(yùn)行模式下的功耗。
*選擇合適的時(shí)鐘方案。時(shí)鐘的選擇對(duì)于系統(tǒng)功耗相當(dāng)敏感，有兩方面的問(wèn)題要注意：
其一、系統(tǒng)總線頻率應(yīng)當(dāng)盡量低。單片機(jī)內(nèi)部的總電流消耗分為：運(yùn)行電流和漏電流。單片機(jī)集成度越高，環(huán)境溫度越高，漏電流也越大。單片機(jī)的運(yùn)行電流幾乎和其時(shí)鐘頻率成正比。降低時(shí)鐘頻率，就可以有效降低單片機(jī)的功耗。
其二、關(guān)于時(shí)鐘方案。是否使用鎖相環(huán)，使用內(nèi)部振蕩器還是外部振蕩器?，F(xiàn)代單片機(jī)普遍使用鎖相環(huán)技術(shù)，使單片機(jī)的時(shí)鐘頻率可以由程序控制。單片機(jī)使用外 部較低的振蕩器，通過(guò)軟件控制，系統(tǒng)時(shí)鐘可以在一個(gè)很寬的范圍內(nèi)調(diào)整，得到比較高的總線時(shí)鐘。使用鎖相環(huán)會(huì)帶來(lái)額外的功耗。單就時(shí)鐘方案來(lái)講，使用外部晶 振且不使用鎖相環(huán)是功率消耗最小的一種。有的單片機(jī)帶有內(nèi)部時(shí)鐘，也可使用外部時(shí)鐘。這可以根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的需要使用雙時(shí)鐘：一個(gè)高速時(shí)鐘和一個(gè)低速時(shí)鐘。 處理事件時(shí)使用高速時(shí)鐘，空閑時(shí)使用低速時(shí)鐘。這鐘雙時(shí)鐘系統(tǒng)可以有效地降低功耗。
2.12應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)
應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)對(duì)于一個(gè)低功耗系統(tǒng)的重要性常常被人們忽略。一個(gè)重要的原因是，軟件上的缺陷并不像硬件那樣容易發(fā)現(xiàn)，同時(shí)也沒(méi)有一個(gè)嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)判斷一個(gè) 軟件的低功耗特性。盡管如此，設(shè)計(jì)者如果能盡量將應(yīng)用的低功耗特性反映在軟件中，就可以避免那些“看不見”的功耗損失。
*用“中斷”代 替“查詢”。在沒(méi)有要求低功耗的場(chǎng)合，程序使用中斷方式還是查詢方式并不重要。但在要求低功耗場(chǎng)合，這兩種方式相差甚遠(yuǎn)。使用中斷方式，CPU可以什么都 不做，甚至可以進(jìn)入等待模式或停止模式；而查詢方式下，CPU必須不停地訪問(wèn)I／0寄存器，這會(huì)帶來(lái)很多額外的功耗。
*用“宏”代替“子程序”。子程序調(diào)用的入棧出棧操作，要對(duì)RAM進(jìn)行兩次操作，會(huì)帶來(lái)更大的功耗。宏在編譯時(shí)展開，CPU按順序執(zhí)行指令。使用宏，會(huì)增加程序的代碼量，但對(duì)不在乎程序代碼量大的應(yīng)用，使用宏無(wú)疑會(huì)降低系統(tǒng)的功耗。
*盡量減少CPU的運(yùn)算量。減少CPU的運(yùn)算工作量，可以有效地降低CPU的功耗。減少CPU運(yùn)算的工作可以從很多方面入手：其一，用查表的方法替代實(shí) 時(shí)的計(jì)算。其二，不可避免的實(shí)時(shí)計(jì)算，算到精度夠了就結(jié)束，避免“過(guò)度”的計(jì)算。其三，盡量使用短的數(shù)據(jù)類型，例如，盡量使用字符型的8位數(shù)據(jù)替代16位 的整型數(shù)據(jù)，盡量使用分?jǐn)?shù)運(yùn)算而避免浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算等。其四，讓I／O模塊間歇運(yùn)行，即不用的I／O模塊或間歇使用的UO模塊要及時(shí)關(guān)掉，以節(jié)省電能；不用的 I/O引腳要設(shè)置成輸出或設(shè)置成輸入，用上拉電阻拉高。
3、單片機(jī)（MCU）在低功耗方面的優(yōu)勢(shì)。
當(dāng)今面臨的問(wèn)題是，使用者或市場(chǎng)均對(duì)單片機(jī)（MCU）低功耗有嚴(yán)酷的要求，那么將如何來(lái)設(shè)計(jì)MCU來(lái)滿足市場(chǎng)？應(yīng)該說(shuō)，當(dāng)今眾多廠商的MCU均有在低功耗面的優(yōu)勢(shì)，值此僅以Silabs MCU為例作分析說(shuō)明MCU在低功耗方面的優(yōu)勢(shì)。
*供電電壓低。MCU供電電壓為2.0～5.25V。供電電壓低可以有效降低整個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)的功耗。
*有多種低功耗模式。MCU的低功耗模式有Idle模式和Stop模式。為了更進(jìn)一步地降低MCU的功耗，提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，從2006年下半年己推出的MCU都將帶有Suspend模式。這種模式下的功耗為納安級(jí)。
*有多種時(shí)鐘方案供選擇。MCU內(nèi)置振蕩器有高速震蕩模式和低速震蕩模式可供選擇。每種模式下的頻率又有多種選擇。而且還可以外接振蕩器。更重要的是， 在MCU運(yùn)行中，這些時(shí)鐘模式可以實(shí)時(shí)切換。這很方便客戶進(jìn)行低功耗控制。例如：在處理數(shù)據(jù)時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行在高速狀態(tài)；空閑時(shí)運(yùn)行在低速狀態(tài)。
*高速實(shí)時(shí)的中斷響應(yīng)。MCU響應(yīng)中斷的時(shí)間非?？?，一般只需要5個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期。中斷響應(yīng)速度快，CPU花費(fèi)在等待方面的時(shí)間少，這可以節(jié)省不少的等待功耗。
*靈活的I/O設(shè)置。MCU的I／0口資源豐富，配置靈活。有三種配置方式：漏極開路、推拉輸出和弱上拉方式。用戶可以根據(jù)實(shí)際需要通過(guò)相關(guān)寄存器的設(shè) 置來(lái)禁止或使能這些方式。其中將端口配置成漏極開路方式是最省電的方式。另外，MCU片上沒(méi)有用到的其他外設(shè)可以通過(guò)軟件來(lái)關(guān)閉?？傊?，根據(jù)項(xiàng)目的要求， 靈活運(yùn)用MCU的各種低功耗特性，通過(guò)軟件的控制，就可以很好地實(shí)現(xiàn)低功耗的要求。
使用每MIPS功耗來(lái)衡量MCU的低功耗性能是相對(duì) 比較準(zhǔn)確。比如執(zhí)行一個(gè)需要10K條指令的任務(wù)，甲MCU的工作電流為3mA，速度為10MIPS，則甲MCU需要工作lmS完成該任務(wù)，消耗 3mA*1ms*Vcc，然后甲MCU就可以進(jìn)入低功耗模式了。而乙MCU的工作電流為1mA，速度為2MIPS，則乙MCU需要工作5mS完成，這樣乙 MCU完成該任務(wù)的消耗為1mA*5mS*Vcc。電流大但是速度快的MCU可能更省電！
4、MCU在低功耗方面的設(shè)計(jì)方法怎樣？
一般來(lái)說(shuō)，MCU的運(yùn)行的速度越高，供電電壓越高，功耗也就越高。要降低單片機(jī)系統(tǒng)的功耗，就要降低單片機(jī)系統(tǒng)的供電電壓，降低MCU運(yùn)行的頻率。
舉例分析說(shuō)明：客戶要做一個(gè)無(wú)線計(jì)時(shí)類產(chǎn)品，使用電池做供電電源，要求平均功耗不超過(guò)200uA。該產(chǎn)品是間歇工作的：當(dāng)收到數(shù)據(jù)時(shí)激活，快速處理數(shù) 據(jù)；當(dāng)空閑時(shí)進(jìn)入休眠狀態(tài)，來(lái)降低功耗，己有不少制造商可達(dá)150μA以滿蘭客戶要求。例如，C8051F333型MCU。
*正常模式，CPU從Flash取指令。
IDD（當(dāng)Vdd=3.6v F=25MHz時(shí)）為10.7mA-11.7mA；IDD （當(dāng)Vdd=3.0v F=25MHz時(shí)）為7.mA-8.3mA；IDD （當(dāng)Vdd=3.6v F=1MHz時(shí)）為0.38mA；IDD （當(dāng)Vdd=3.0v F=80Hz時(shí)）為31μA。
*Idel模式，CPU停止工作。
IDD（當(dāng)Vdd=3.6v F=25MHz時(shí)）為4.mA-5.2mA；IDD （當(dāng)Vdd=3.0v F=25MHz時(shí)）為3.8mA-4.1mA；IDD （當(dāng)Vdd=3.6v F=1MHz時(shí)）為0.2mA；IDD （當(dāng)Vdd=3.0v F=80Hz時(shí)）為16μA。
光看上面兩個(gè)模式的數(shù)據(jù)，肯定不行。因 為要滿足系統(tǒng)的運(yùn)行速度，又要滿足低功耗≥1MHZ的頻率，則功耗都要超過(guò)客戶的要求。而正確答案是：在不降低MCU運(yùn)行速度（MCU處理數(shù)據(jù)時(shí)的運(yùn)行頻 率是24.5MHZ）的情況下，客戶使用C8051F333成功實(shí)現(xiàn)了低功耗的要求：比150μA還低， 真可謂魚和熊掌兼得。
4.2它是怎樣實(shí)現(xiàn)的？
見圖1所示。使用了內(nèi)外兩種晶振。工作時(shí)使用內(nèi)部高速晶振24.5MH2，空閑時(shí)切換到外部低速晶振32.768KH2，并且進(jìn)入Idle模式。并且把 沒(méi)有用到的外設(shè)全部關(guān)閉，就這么簡(jiǎn)單。由此看出，功耗是一個(gè)系統(tǒng)的問(wèn)題，單片機(jī)系統(tǒng)的功耗是由MCU和其外圍電路的功耗共同決定的，低功耗是無(wú)數(shù)個(gè)細(xì)節(jié)省 出來(lái)的。
5、小尺寸單片機(jī)在便攜式設(shè)備中的應(yīng)用
面對(duì)如今便攜式設(shè)備提出的挑戰(zhàn)單片機(jī)，如何應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)？而用小尺寸單片機(jī)是在一種理想的舉措應(yīng)對(duì)，值此以C8051F小尺寸單片機(jī)為例，分析其在便攜式設(shè)備中的應(yīng)用。為此先介紹C8151F小尺寸單片機(jī)應(yīng)用特征。
5.1C8051F小尺寸單片機(jī)應(yīng)用特征
概括為：小封裝，低功耗， 寬電壓工作范圍（2.7V-3.6V）， 高速、高集成度與高保密性。
5.2應(yīng)用
以TFT屏背光管理、閃信應(yīng)用為例說(shuō)明。
5.21C8051F30X在彩色TFT屏背光中的應(yīng)用
隨著便攜式電子設(shè)備的普及，人們對(duì)其彩色顯示屏的要求也越來(lái)越高，LED正在被逐步應(yīng)用于LCD的背光。傳統(tǒng)的LED背光是采用白色LED作為背光源， 有以下的缺點(diǎn)：一般背光需要多個(gè)白色LED，但白色LED有個(gè)體差異，一致性不好，容易導(dǎo)致彩色顯示屏色彩不均勻，失真等現(xiàn)象；白色LED容易老化，使彩 色顯示屏的亮度降低。產(chǎn)品如果有這些問(wèn)題，容易給消費(fèi)者留下不好的印象，消弱產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。
那應(yīng)該如何去解決這些問(wèn)題？而采用C8051F30X的彩色TFT屏背光方案就很好地解決了這些問(wèn)題，其功能框圖（見圖2所示）如下：
*技術(shù)特征
背光采用紅、綠、藍(lán)三色LED，發(fā)出的光組成白光。因?yàn)槊糠N顏色的LED采用串聯(lián)連接方式，所以使用了AMS高性能的LED Driver AS3691；通過(guò)Avago的CoIor Sensor芯片HDJD-S722-QR999，檢測(cè)R、G和B三色的亮度；C8051F30X根據(jù)HOJD-S722-QR999送過(guò)來(lái)的信號(hào)，產(chǎn)生 相應(yīng)的PWM來(lái)控制R、G和B三色的亮度，使白光的效果始終在最佳狀；同時(shí)C8051F30X通過(guò)一個(gè) 接口與主CPU通訊，接收主CPU對(duì)亮度調(diào)整的控制命令。
*對(duì)MCU的要求
屏的尺寸現(xiàn)在都很緊湊，同時(shí)厚度很薄，對(duì) MCU的尺寸要求很高，C8051F30X尺寸只有3×3mm，厚度只有0.9mm；要求具備PWM輸出，多路輸入的ADC和通訊接 口；C8051F30X支持3個(gè)PWM輸出，多路復(fù)用的AD輸入，支持UART和 通訊接口，3×3mm的封裝上可以提供8個(gè)用戶I/O口。
*方案特點(diǎn)
很好地解決了傳統(tǒng)的白光LED個(gè)體差異問(wèn)題，使彩色顯示屏的色彩始終處在均勻狀態(tài)；很好地解決了白光LED老化帶來(lái)的亮度降低問(wèn) 題；C8051F30X、AS3691和HDJD-S722-QR999封裝小，容易和TFT顯示屏做成一個(gè)模塊；C8051F30X有Idee和 Stop兩種低功耗模式，特別是Stop模式，其功耗小于0.1uA。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入Stop模式時(shí)，可以使外圍電路關(guān)閉，進(jìn)入省電狀態(tài)，當(dāng)需要顯示時(shí)，由主 控制器喚醒。
5.22 C8051F313在手機(jī)閃信和計(jì)步器中的應(yīng)用
隨著手機(jī) 的普及，人們對(duì)手機(jī)的功能要求也越來(lái)越高。那些具有彰顯個(gè)性的手機(jī)越來(lái)越深受人們的喜愛，特別是年輕一族的喜愛;手機(jī)功能的增多，意味著手機(jī)體積的增大和 功耗的增加，這與人們對(duì)手機(jī)小巧和待機(jī)時(shí)間長(zhǎng)的要求又成了矛盾；要解決這些矛盾，手機(jī)設(shè)計(jì)者不得不追求元器件的小型化、低功耗和高性 能；MCUC8051F313在手機(jī)閃信和計(jì)步器中的應(yīng)用就是一個(gè)典型例子。圖3為C8051F313在手機(jī)閃信和計(jì)步器功能應(yīng)用示意框圖。
*關(guān)于計(jì)步器
計(jì)步器原理：人在行走或者跑步的加速度與時(shí)間軸大致成為一個(gè)正弦波；利用加速度，可以計(jì)算走了多少步，還可根據(jù)步幅進(jìn)而估算所走的距離。
計(jì)步器功能的實(shí)現(xiàn)：采用MCUC8051F313和MEMS IC加速度傳感器MAX6500；C8051F313采樣MAX6500兩路加速度傳感器的輸入，分析加速度，計(jì)算出走了多少步；根據(jù)步行者的步幅，還可以估算出所走的距離。
*關(guān)于手機(jī)閃信
手機(jī)閃信原理：利用手機(jī)上的閃燈，在光線較暗的環(huán)境下，通過(guò)快速左右搖動(dòng)手機(jī)，利用人類視網(wǎng)膜延時(shí)現(xiàn)象，造成視覺(jué)殘像，從而形成連續(xù)的光影信號(hào)，令受信者視覺(jué)產(chǎn)生連續(xù)信息。
手機(jī)閃信功能的實(shí)現(xiàn)：采用MCUC8051F313和MEMSIC加速度傳感器MAX6500；C8051F313接收要顯示的信息，并驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的 LED；MAX6500檢測(cè)加速度在X軸和Y軸的分量變化（力的大小和方向），并送給C8051F313；C8051F313分析MAX6500檢測(cè)到的 加速度信號(hào)，對(duì)要顯示的字符方向?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)翻轉(zhuǎn)。
*手機(jī)閃信和計(jì)步器對(duì)MCU的要求
體積要求苛刻：手機(jī)對(duì)MCU提出的 要求極其苛刻，要在盡可能小的尺寸上提供最多的1/0口；C8051F313在5×5mm的封裝上提供了25個(gè)I/O和模擬輸入16個(gè)I/O口用來(lái)驅(qū)動(dòng) 16個(gè)LED；2個(gè)模擬輸入用來(lái)采樣加速度傳感器輸出；1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)2線的控制器用來(lái)與Baseband CPU進(jìn)行通訊。
嚴(yán)格的低功耗設(shè)計(jì)：在STOP模式下功耗小于1μA；良好的I/O口設(shè)計(jì)確保待機(jī)時(shí)I/O對(duì)外阻抗很高，在兆歐級(jí)以上，有效切斷I/O口待機(jī)功耗。
完善的大批量生產(chǎn)要求：一旦生產(chǎn)，編程數(shù)量將非常巨大，具有完善的量產(chǎn)編程方案，快速的手持編程器，無(wú)需PC參與，無(wú)需操作員熟悉編程方法，具有boot程序，在手機(jī)開機(jī)時(shí)自動(dòng)加載應(yīng)用程序，通過(guò)C2編程接口進(jìn)行編程。又具有良好的保密功能。
描述
此解決方案使用近場(chǎng)通信 （NFC） 技術(shù)實(shí)現(xiàn)了無(wú)電池鍵盤。此解決方案的核心部分是可以由主機(jī)微控制器讀寫的 TI 動(dòng)態(tài) NFC 標(biāo)簽。支持 NFC 的手機(jī)可以快速發(fā)現(xiàn)并識(shí)別該鍵盤，然后在鍵盤和應(yīng)用程序之間建立連接。此設(shè)計(jì)是無(wú)電池系統(tǒng)（即，無(wú)需電池即可工作），客戶可以利用該系統(tǒng)構(gòu)建具有優(yōu)化尺寸 的產(chǎn)品（例如薄鍵盤）以及重量更輕的產(chǎn)品（例如易于攜帶）。
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特性
無(wú)電池解決方案
標(biāo)準(zhǔn) PC/AT 鍵盤字符集
大于 400 個(gè)字符/分鐘的輸入能力
MSP430 MCU 和 RF430CL330 標(biāo)簽的功耗都約為 20 mW
提供 Android 測(cè)試工具和 InputMethod 應(yīng)用程序
原理框圖
無(wú)電池近場(chǎng)通信 (NFC) 鍵盤原理圖
硬件框圖
無(wú)電池近場(chǎng)通信 (NFC) 鍵盤硬件框圖
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功能框圖
MSP430FR573x MSP430FR572x 混合信號(hào)微控制器功能框圖
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2.RF430CL330H 動(dòng)態(tài) NFC 接口轉(zhuǎn)發(fā)器
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功能框圖
RF430CL330H 動(dòng)態(tài) NFC 接口轉(zhuǎn)發(fā)器功能框圖
詳細(xì)資料：RF430CL330H 動(dòng)態(tài) NFC 接口轉(zhuǎn)發(fā)器
3.TPS70933 具有反向電流保護(hù)的 150mA、30V 超低 IQ、寬輸入、低壓降穩(wěn)壓器
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功能框圖
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引言
隨著人們生活水平的不斷提高，家庭防盜這一問(wèn)題也變得尤為突出。傳統(tǒng)的機(jī)械 鎖因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全性差等缺陷，已經(jīng)逐漸被淘汰，電磁鎖由于其保密性高、使用靈話、安全系數(shù)高，逐漸進(jìn)入千家萬(wàn)戶。如果在一個(gè)家居系統(tǒng)中有多個(gè)門，就需 要一套綜合的門控系統(tǒng)，這樣就可以監(jiān)控所有樓門的開關(guān)。
參考文獻(xiàn)設(shè)計(jì)的門控系統(tǒng)是以AT89S51單片機(jī)為控制核心，系統(tǒng)功耗較大，使 用成本較高，所以其應(yīng)用具有一定的局限性。參考文獻(xiàn)設(shè)計(jì)的門控系統(tǒng)利用局域網(wǎng)進(jìn)行組網(wǎng)控制，所以制作成本較高，而且應(yīng)用范圍有限。針對(duì)以上缺點(diǎn)，本系統(tǒng)采用MSP430系列單片機(jī)CCA30F5135芯片為控制核心，其不但具有 MSP430系列單片機(jī)的低功耗性能，而且具有RF無(wú)線收發(fā)器的功能，RF無(wú)線功能可以實(shí)現(xiàn)對(duì)門進(jìn)行無(wú)線控制，方便用戶使用，而且低功耗特性使得使用成本 較低，達(dá)到了目前應(yīng)用的要求。
1 門控系統(tǒng)運(yùn)行原理
本系統(tǒng)主要由兩部分 組成：一部分是中央控制中心，其主要作為管理中心，用戶可以監(jiān)控所有樓門的開關(guān)狀態(tài)；另一部分是門控模塊，其作用主要是控制門的開關(guān)，并且將門的開關(guān)信息 傳送給中央控制中心，包括鍵盤電路、顯示電路、報(bào)警電路和開鎖控制電路等。系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)整體框圖
本系統(tǒng)采用電子密碼鎖控制開關(guān)門，電子密碼鎖相對(duì)于射頻卡成本較低，而且可以隨時(shí)更改密碼，安全性較高。當(dāng)需要開門時(shí)，首先從矩陣鍵盤輸入6位數(shù)密碼， 其初始密碼由程序設(shè)定，輸入完密碼后按開門鍵開鎖，如果想清除輸入可以按取消鍵，按鍵時(shí)均會(huì)有“短滴”聲提示。若輸入的密碼正確，密碼輸入正確指示燈 亮，LCD顯示“密碼正確”，并且輸出一個(gè)打開電磁鎖的信號(hào)；若密碼輸入錯(cuò)誤，則密碼輸入錯(cuò)誤指示燈亮，LCD顯示“密碼錯(cuò)誤”。如果在6 s內(nèi)無(wú)任何操作，則清除所有輸入內(nèi)容。如果某個(gè)門控模塊有密碼輸入情況，門控模塊內(nèi)部的CC430F5135單片機(jī)會(huì)通過(guò)內(nèi)部集成的RF無(wú)線收發(fā)器，將有 人輸入密碼開門的信號(hào)傳輸給中央控制中心，這樣中央控制中心就能知道所有樓門的情況，中央控制中心通過(guò)一個(gè)LCD顯示所有的樓門開關(guān)情況。如果用戶想打開 或者關(guān)閉某個(gè)門，則只需要通過(guò)鍵盤找到門號(hào)并輸入相關(guān)指令。門控模塊和中央控制中心均以CC430F5135為控制核心，如果在40 s之后無(wú)任何操作，單片機(jī)就會(huì)進(jìn)入到低功耗模式。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
門禁控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)包括中央控制中心設(shè)計(jì)和門控模塊設(shè)計(jì)，下面就各個(gè)部分進(jìn)行詳細(xì)介紹。
2．1 中央控制中心設(shè)計(jì)
中央控制中心和門控模塊都是以MSP430系列單片機(jī)CC430F5135為控制核心，其內(nèi)部集成的RF無(wú)線模塊節(jié)省了外部擴(kuò)展的無(wú)線通信模塊，降低了 成本。CC430F5135是TI公司MSP430F5xx MCU與低功耗RF收發(fā)器相結(jié)合的產(chǎn)品，可實(shí)現(xiàn)極低的電流消耗，從而使采用電池供電的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用無(wú)需維修即可工作長(zhǎng)達(dá)10年以上；此外，微型封裝所包含 的高級(jí)功能性還可為創(chuàng)新型RF傳感器網(wǎng)絡(luò)提供核心動(dòng)力，以向中央采集點(diǎn)報(bào)告數(shù)據(jù)。CC430F5135為16位超低功耗MCU，具有16 KB閃存、2 KB RAM、CC1101無(wú)線電收發(fā)器、AES-128和USCI，供電電壓為1．8～3．6 V，正常工作模式消耗電流為160 μA／MHz，低功耗模式3消耗電流為2．0μA。
2．1．1 CC430F5135的RF無(wú)線收發(fā)模塊外圍電路
CC430F5135內(nèi)部集成了CC1101無(wú)線電收發(fā)器，本系統(tǒng)的RF頻率設(shè)為315 MHz，信道間隔為540 kHz，數(shù)據(jù)傳輸速率為250 kbps。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，發(fā)送功率最大可以達(dá)到-96 dBm，實(shí)際應(yīng)用中還可以根據(jù)發(fā)射距離的遠(yuǎn)近設(shè)置發(fā)送功率的大小，這樣可以使功耗達(dá)到最低。其電路如圖2所示。CC430F5135的供電電源為兩節(jié)5號(hào) 電池，其電壓為+3 V，外接晶振為26 MHz。RF_N和RF_P為RF無(wú)線電發(fā)射引腳，兩引腳外接天線，其功率可以達(dá)到-96 dBm，傳輸距離可以達(dá)到200m左右。
圖2 CC430F5135的RF無(wú)線收發(fā)模塊外圍電路
2．1．2 LCD顯示模塊
考慮到設(shè)備低功耗的要求，所選的顯示模塊必須達(dá)到低功耗的目的。本系統(tǒng)采用了LCD12864作為顯示模塊，其供電電壓為4．5～5 V供電，工作電流為3 mA，低功耗、長(zhǎng)壽命、高可靠性。模塊內(nèi)自帶2個(gè)液晶顯示驅(qū)動(dòng)芯片，分別控制顯示屏的左區(qū)和右區(qū)，每個(gè)驅(qū)動(dòng)芯片都帶有512字節(jié)的RAM，其與 CC430F5135的硬件連接圖如圖3所示。其中LCD12864采用+5V供電，+3V電壓經(jīng)升壓芯片轉(zhuǎn)換成+5 V后供給LCD12864。單片機(jī)的P1口作為控制LCD12864的控制口，P2口作為數(shù)據(jù)口與LCD12864進(jìn)行通信。因?yàn)镃C430F5135端 口輸出電壓為+3 V，而LCD12864的端口電壓為+5 V，兩者的端口不能直接相連，所以需要一個(gè)電壓轉(zhuǎn)換芯片來(lái)解決電壓不匹配的問(wèn)題。本系統(tǒng)采用TI公司的雙電壓供電雙向驅(qū)動(dòng)器SN74 ALVCA24_5來(lái)實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，一邊是3 V，另一邊是5 V，這樣就較好地解決了3 V與5 V電平的轉(zhuǎn)換問(wèn)題。
圖3 CC430F5135與LCD12864接口電路
2．1．3 4×4矩陣鍵盤硬件電路
4×4矩陣鍵盤硬件電路圖如圖4所示。本系統(tǒng)采用中斷方式來(lái)確定按鍵的輸入，因?yàn)镃C430F5135內(nèi)部的P0口全部都可以當(dāng)作外部中斷口，所以只要 其中的任一按鍵被按下，那么此時(shí)其中兩個(gè)端口的電平就會(huì)突變，這樣根據(jù)內(nèi)部預(yù)先設(shè)定好的程序，就可以知道哪個(gè)鍵被按下。鍵盤有數(shù)字鍵和功能鍵，數(shù)字鍵用于 密碼的輸入，功能鍵有取消鍵、確認(rèn)鍵、左移鍵、右移鍵、開門鍵和關(guān)門鍵。其中的取消鍵是用于刪除輸入的密碼，確認(rèn)鍵用丁確定輸入正確，開門鍵和關(guān)門鍵起開 關(guān)門的作用。當(dāng)中火控制中心需要開關(guān)某個(gè)門時(shí)，就可以按左移鍵或者右移鍵來(lái)選擇要開關(guān)的門號(hào)，選擇成功后按開門鍵或者關(guān)門鍵就可以開關(guān)門。
圖4 4×4矩陣鍵盤硬件電路
2．2 門控模塊設(shè)計(jì)
門控模塊包括CC430F5135的RF無(wú)線收發(fā)模塊電路、LCD硬件電路、鍵盤硬件電路、繼電器驅(qū)動(dòng)房門硬件電路和蜂鳴器指示燈硬件電路等。 CC430F5135的RF無(wú)線收發(fā)模塊電路，LCD硬件電路和鍵盤硬件電路與中央控制中心的設(shè)計(jì)基本相同，在這里就不再介紹。下面主要介紹蜂鳴器指示燈 硬件電路和繼電器驅(qū)動(dòng)房門硬件電路。
2．2．1 蜂鳴器指示燈硬件電路
如圖5所 示，CC430F5135通過(guò)控制三極管的開通與關(guān)斷去控制蜂鳴器和指示燈的導(dǎo)通與關(guān)閉，從而達(dá)到指示的目的。CC430F5135單片機(jī)的 P3．0、P3．1和P3．2口通過(guò)控制輸出信號(hào)的高低電平來(lái)控制三極管8050的導(dǎo)通或截止，從而實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。如果P3．0口為高電平，三極管導(dǎo) 通，則蜂鳴器發(fā)出響聲，如果P3．1和P3．2置高電平，則紅色指示燈或綠色指示燈會(huì)亮。其中紅色指示燈的作用是警告密碼輸入錯(cuò)誤，綠色指示燈則表示密碼 輸入正確，并且門會(huì)打開。
圖5 蜂鳴指示燈及繼電器驅(qū)動(dòng)房門硬件電路
2．2．2 繼電器驅(qū)動(dòng)房門硬件電路
此電路功能是當(dāng)輸入密碼正確并按開門鍵或者關(guān)門鍵后，可以自動(dòng)使樓門開通或者關(guān)閉。本系統(tǒng)采用CC430F5135控制繼電器開通，進(jìn)而控制旋轉(zhuǎn)電機(jī)工 作去控制門的動(dòng)作。為了保證繼電器穩(wěn)定而可靠的工作，選用HJR-3FF-S系列繼電器。此繼電器負(fù)載端電壓可以加到250 V（AC）／30 V（DC），在環(huán)境溫度為-30～+60℃時(shí)可以工作1×105次以上。其額定工作電壓為+5 V，額定工作電流最大為70 mA，因?yàn)镃C430F5135的I／O輸出為+3 V，所以不能直接驅(qū)動(dòng)繼電器工作，需加一個(gè)三極管8050作為開關(guān)來(lái)控制繼電器的開關(guān)，繼電器通過(guò)接收CC430F5135的控制信息完成相應(yīng)的控制動(dòng) 作。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
門禁控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括中央控制中心的軟件設(shè)計(jì)和門控模塊的軟件設(shè)計(jì)。
3．1 中央控制中心軟件設(shè)計(jì)
中央控制中心程序流程如圖6所示。在開機(jī)運(yùn)行時(shí)，中央控制中心利用無(wú)線模塊給所有的門控模塊發(fā)送一條指令，要求所有門控模塊將此時(shí)其控制的門的開關(guān)狀態(tài) 報(bào)告給中央控制中心，這樣中央控制中心就會(huì)知道所有門的狀態(tài)。如果其中有一個(gè)門的狀態(tài)改變（開或關(guān)）時(shí)，這個(gè)門的門控模塊會(huì)利用內(nèi)部的RF無(wú)線收發(fā)模塊將 門的狀態(tài)信息發(fā)送給中央控制中心，這樣就能不斷地刷新中央控制中心的數(shù)據(jù)。如果用戶想控制一個(gè)門的開通或者關(guān)閉，則只需要按左移或者右移鍵選擇要打開或者 關(guān)閉的門號(hào)并按確定鍵，選擇開門或者關(guān)門功能，此時(shí)中央控制中心就會(huì)發(fā)出一條控制指令給相應(yīng)的門控模塊，達(dá)到開關(guān)門的目的。
圖6 中央控制中心程序流程
3．2 門控模塊程序設(shè)計(jì)
門控模塊程序流程如圖7所示。在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，CC430F5135單片機(jī)會(huì)一直處于低功耗模式中，這樣可以達(dá)到降低功耗的目的。當(dāng)有按鍵被按下或者發(fā)生 RF無(wú)線接收中斷時(shí)，單片機(jī)會(huì)從低功耗模式中被喚醒，開始判斷鍵盤輸入指令或者接收的控制指令。如果是鍵盤輸入指令，單片機(jī)會(huì)根據(jù)輸入的指令要求執(zhí)行相應(yīng) 操作。如果輸入密碼正確并且按下開門鍵，單片機(jī)的P3．3口會(huì)置為高電平，繼電器閉合，門被打開，同時(shí)綠色指示燈亮；如果密碼輸入錯(cuò)誤，單片機(jī)會(huì)發(fā)出長(zhǎng)警 告音，并且紅色指示燈亮，警告密碼輸入錯(cuò)誤。在這兩種情況發(fā)生時(shí)，單片機(jī)都會(huì)通過(guò)無(wú)線模塊將有人輸入密碼的信息傳送給中央控制中心。如果是RF無(wú)線接收中 斷發(fā)生，單片機(jī)會(huì)接收數(shù)據(jù)指令并判斷指令功能，執(zhí)行相應(yīng)操作。
RF無(wú)線中斷子程序：
結(jié)語(yǔ)
本文設(shè)計(jì)了一種基于CC430F5135的門禁控制系統(tǒng)。此系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)無(wú)線門禁控制，制作成本和使用成本都較低，且達(dá)到了目前低功耗的要求。經(jīng)過(guò)測(cè)試，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，有較好應(yīng)用前景，適用于整個(gè)樓宇的控制。
在消費(fèi)電子領(lǐng)域，便攜式電子產(chǎn)品由于體積小、質(zhì)量輕的特點(diǎn)越來(lái)越受到消費(fèi)者的喜愛，已成為人們生活中不可缺少的部分?；谶@個(gè)思路，我們?cè)O(shè)計(jì)了 一款便攜式心率計(jì)，它可以替代用脈搏聽診器等進(jìn)行測(cè)量的傳統(tǒng)方法，使用非常方便。該產(chǎn)品主要包括三個(gè)部分：信號(hào)的采集、數(shù)據(jù)處理以及LED 顯示和報(bào)警電路。
系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
如圖1 所示，從傳感器檢測(cè)到的脈搏信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)送入電壓跟隨器，起到緩沖的作用，使前級(jí)和后級(jí)隔離開來(lái)，避免相互干擾。輸出的信號(hào)經(jīng)前置放大后送入高通濾 波器，以濾除傳感器的熱電干擾，再經(jīng)過(guò)低通濾波器濾除環(huán)境中的高頻干擾。處理完的信號(hào)送入后級(jí)繼續(xù)放大以便得到干擾小且清晰的信號(hào)，此信號(hào)經(jīng)比較器和二極 管整流后直接送入單片機(jī)處理，以驅(qū)動(dòng)顯示電路和報(bào)警電路。
系統(tǒng)硬件電路原理圖
圖2 為電路原理圖，下面對(duì)各模塊進(jìn)行逐一描述。
圖2 系統(tǒng)硬件電路原理圖
1 電壓跟隨和前置放大電路
電壓跟隨器的輸入信號(hào)，即脈搏傳感器信號(hào)從V+端輸入，反饋電阻置零，構(gòu)成一個(gè)同相跟隨器，起到緩沖作用，隔離前后級(jí)的影響。心音脈搏放大器的功能是將mV 級(jí)的心音信號(hào)放大到V 級(jí)，以供顯示和記錄使用。
根據(jù)心音脈搏信號(hào)的特性，要求放大器具有以下特性：
1、足夠高的增益，約800 倍。
2、有合適的頻帶寬度（0.78～ 3.33Hz）
3、因?yàn)樾囊裘}搏信號(hào)比較微弱，干擾和噪聲比較大，要求電路有高輸入阻抗來(lái)減小信號(hào)的損失，有高共模抑制比（大于80dB）來(lái)抑制干擾和噪聲。
由于在實(shí)際應(yīng)用中，外界信號(hào)的干擾，以及考慮到放大器的穩(wěn)定性，一級(jí)放大器不能實(shí)現(xiàn)如此大的增益，所以電壓放大器一般由兩級(jí)組成。其中，前級(jí)采用負(fù)反饋 差動(dòng)放大電路，以提高共模信號(hào)抑制比。此部分的關(guān)鍵是如何抑制各種噪聲，避免讓噪聲竄入后級(jí)電路。因此在系統(tǒng)中，采用基于雙運(yùn)放電路的微功耗儀表放大器 LM358 作為心音脈搏信號(hào)的前級(jí)放大器。為防止產(chǎn)生非線性失真以致?lián)p害電路的共模抑制比，該部分的放大倍數(shù)不宜過(guò)高，選擇為1000 倍左右。
電壓跟隨和前置放大電路
2 高低通濾波器電路
在本設(shè)計(jì)中，信號(hào)頻率較低，在 0.78～3.33Hz 之間，因此濾波器的設(shè)計(jì)成為本電路的關(guān)鍵。首先，要經(jīng)過(guò)一個(gè)0.5Hz 的高通濾波器，以濾出傳感器的熱電干擾，然后再經(jīng)過(guò)一個(gè)低通濾波器以濾除心音信號(hào)的絕大多數(shù)干擾。在實(shí)現(xiàn)電路中，普通的濾波器已經(jīng)很難對(duì)這么低的信號(hào)進(jìn)行 濾波，因此在本設(shè)計(jì)中采用增益變化較平坦的巴特沃斯濾波器。其中，高通為二階的巴特沃斯濾波器，低通為截止頻率為5Hz 的巴特沃斯濾波器。圖3 為低通濾波的原理圖。
圖3：低通濾波原理圖
圖3：低通濾波原理圖
3 后級(jí)放大和比較整流電路設(shè)計(jì)
心音信號(hào)經(jīng)過(guò)前級(jí)放大后，幅度還未達(dá)到理想的應(yīng)用值，且還有一定的干擾，因此需要后級(jí)放大器繼續(xù)放大，以達(dá)到使用要求。整個(gè)電路采用一般的反向放大器模 塊電路。比較整流電路的作用是將處理后的信號(hào)轉(zhuǎn)化為不含負(fù)脈沖的方波，以送入單片機(jī)進(jìn)行處理。該電路由一個(gè)過(guò)零比較器和整流電路構(gòu)成，由于送入單片機(jī)的信 號(hào)要求為正電壓，所以經(jīng)過(guò)整流電路后，信號(hào)將全部轉(zhuǎn)化為正跳沿的方波。
4 單片機(jī)控制電路
本部分主要包括單片機(jī)控制顯示電路以及驅(qū)動(dòng)蜂鳴器的報(bào)警，具體電路如圖4 所示。
圖4 單片機(jī)控制電路
圖5 為單片機(jī)程序流程圖。
圖5 單片機(jī)控制流程圖
20 幀標(biāo)準(zhǔn)Jlink 接口：
20 幀標(biāo)準(zhǔn)Jlink 接口
本系統(tǒng)電路的軟件部分能夠精確跟蹤微小心電信號(hào)的頻率。所采用的技術(shù)是單片機(jī)的中斷捕獲功能以及數(shù)學(xué)算法誤差消除、硬件結(jié)構(gòu)誤差消除。
5 電源管理模塊
本電路采用9V 鋰電池供電，對(duì)于大多數(shù)電子產(chǎn)品而言，具有普遍性和方便性。由于此單片機(jī)為低功耗工作模式，我們通過(guò)7805 和LM1117 穩(wěn)壓芯片提供±5V、3.3V 的工作電壓，然后給各個(gè)模塊供電。
電路測(cè)試與數(shù)據(jù)分析
實(shí)際測(cè)出的值與理論計(jì)算的值有所差別，且當(dāng)輸入信號(hào)較弱時(shí)，輸出信號(hào)受干擾較大。本電路中，跟隨器就受到傳感器的很大干擾，因此在實(shí)際的測(cè)量中，一定要注意電路的抗干擾能力。外部時(shí)鐘晶振為32768Hz，對(duì)其進(jìn)行1/2 分頻。
結(jié)論
本設(shè)計(jì)通過(guò)數(shù)?；旌想娐方Y(jié)合單片機(jī)控制的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)心率信號(hào)的實(shí)時(shí)測(cè)定，并能發(fā)出警告。整個(gè)電路盡量考慮到各方面的因素，做到線路簡(jiǎn)單，減小電磁場(chǎng)干 擾，充分利用軟件編程，彌補(bǔ)元器件的精度不足，另外由于引入了世界上超低功耗的ARM—EFM32，使得待機(jī)時(shí)間超長(zhǎng)，功能升級(jí)空間也很大，還可以以該設(shè) 計(jì)為基礎(chǔ)加載其他功能，使其功能和結(jié)構(gòu)更加完善，擴(kuò)展至對(duì)人體其他生理狀態(tài)的測(cè)定。
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