macpro网速慢解决方案:基于Atmega48单片机的低功耗系统设计

摘要：介绍了Atmega48单片机的特性，提出了其低功耗设计的一般方法，并以定时控制系统的设计为例，具体说明Atmega48的低功耗设计方案。

随着微电子技术和计算机技术的发展，尤其是微机在各个领域的普遍应用，功耗、成本、体积以及可靠性等指标均成为设计者所关注的重要问题。尤其是在由电池供电的设备中，如何降低设备功耗成为设计的首要任务。本文中以ATMEL公司的Atmega48单片机为例，介绍了单片机低功耗设计的一般方法。

Atmega48单片机

低功耗系统设计首要是选择合适的单片机。Atmega48单片机是一款8位微控制器，具有高性能、低功耗的显著特点。由于采用RISC精简指令集结构，其指令集大多为单周期指令，具有高速运行的特点。3V供电时，未使能内部看门狗的情况下，Atmega48的典型掉电电流小于1uA。具体工作电流见图1。而且该单片机在1.8V~5.5V的电压范围内均能正常工作，片内自带4K字节的flash、256字节的E2PROM,以及512字节SRAM；并内置6~8路10位AD转换器、看门狗、3个16位的定时/计数器、具有独立振荡器的实时计数器RTC 和6路PWM输出。另外还具有五种休眠模式，引脚变化及中断可唤醒MCU。

        图1 工作电流与系统频率的关系  图2工作电流与供电电压的关系(128k)

低功耗设计方法

以单片机为核心构成的系统，其系统的总能耗是由单片机能耗及其外围电路能耗共同构成。为了降低整个系统的功耗，除了要降低单片机自身的运行功耗外，还要降低外围电路的功耗。对外围电路而言，首先选择低电压低功耗器件，如用LMV324代替传统的LM324，SP3223EEY代替MAX232等。其次，CMOS器件输入引脚不能悬空。如果输入引脚悬空，在输入引脚上很容易积累电荷，产生较大的感应电动势，使引脚电位处于0至1间的过渡区域。另外，单片机外围电路应尽量避免采用阻性元件。

Atmega48单片机的功耗主要与系统频率，工作模式，电源电压及外围模块有关。由图1和图2可知，Atmega48单片机的工作电流与其工作频率、工作电压成正比。

降低系统时钟频率
功耗与工作频率有关。工作频率增加时，功耗也线性的增加。系统工作频率的降低，电路的延时增加导致系统性能下降，因此在利用频率降低系统功耗的时候，要在能耗和速度之间进行权衡。

Atmega48的时钟源可以选择片内的RC振荡器，也可以是来自外部时钟。片内RC振荡器提供了可校准的8M时钟和128k低功率振荡器。外部时钟可以选用低功率晶体，满振幅晶体和低频晶振。通过编程Flash 熔丝位，可以选择所需的时钟源。      
     
ATmega48可以通过设置时钟预分频寄存器CLKPR来得到分频的系统时钟。当需要的系统处理能力比较低时可以利用这个特性来降低功耗。预分频对所有时钟源都适用，并且影响CPU 及所有同步外设的时钟频率。

单片机的时钟系统主要包括：CPU时钟，Flash时钟，I/O时钟，异步定时器时钟和ADC时钟。在大多数情况下，这些时钟并不需要同时工作。时钟功耗抑制寄存器PRR 提供终止单独外设时钟的方法以降低功耗。通过设置功耗抑制寄存器PRR，将不使用的外围模块关掉，以降低芯片功耗。例如，如果不使用ADC模块，可以向功耗抑制寄存器PRR中的PRADC位写“1”，关闭芯片的ADC模块。同时，为了降低功耗，可以通过使用不同的休眠模式来禁止无需工作的模块。

单片机的休眠模式
休眠模式可以使应用程序关闭MCU 中没有使用的模块，从而降低功耗。AVR 具有不同的休眠模式，允许用户根据自己的应用要求实施剪裁。Atmega48单片机具有五种休眠模式：空闲模式、ADC 噪声抑制模式、掉电模式、省电模式和等待模式。使用内部128 kHz RC 振荡器，其工作电流见表2。在此以空闲模式为例说明如何根据需要选择最低功耗的运行模式。因为这种休眠模式只停止clkCPU 和clkFLASH，而其他时钟继续工作。所以当用SLEEP指令使MCU进入空闲模式时，CPU停止运行，而 USART、模拟比较器、ADC、两线串行接口、定时器/ 计数器、看门狗和中断系统则继续工作。如果我们只需要其中一种或几种模块运行，还可以启用功耗抑制寄存器关闭其他模块来降低功耗。具体程序如下：
ldi r16,$e7          
sts prr,r16      ;关闭未用外设
ldi r16,$01
out smcr,r16     ;进入掉电模式
wait:
sleep
nop
rjmp wait 
值得注意的是在休眠模式，要使端口引脚配置为最小的功耗模式，必须避免引脚悬空和防止模拟输入电平接近VCC/2时以消耗太多的电流。当引脚未被使用，将引脚配置为输入，并使能内部上拉，给引脚一个确定的电平。

电源电压的选择
CMOS 逻辑电路中的电流与电源电压成正比，功耗与电源电压的平方成正比，因此降低器件的供电电压可以减小功耗。芯片所要求的电源电压为1.8-5.5V。由于供电电压与芯片能工作的最大频率有关联，因此应在频率满足处理速度的要求下，尽可能采用低的电源电压。

表1 各种工作模式的典型供电电流值

典型设计

图3是以ATmega48为核心的定时控制系统框图。该系统是油井工具投放机的控制部分。设备匀速从地面向下投放，延时时间控制设备投放的深度。延时时间一到，电机马上启动，使设备投放机停止运行。延时时间由多圈线位器设定。设定值经内部AD转换后，在液晶上显示。液晶采用北京青云公司的LCM061A模块。该液晶能在2.7V-5.2V内工作，且工作电流小。为了加强驱动能力，PB1、PB2并联使用，并通过TIP122直接驱动直流电机。考虑到系统时钟越低，功耗越低，并结合本系统的实际功能要求，时钟源采用内部128k低频时钟。在2节500mA可充电电池供电的情况下，系统能可靠的运行14天。

                                   图3定时控制系统框图

                                  图4  主程序流程图

主程序流程图如图4所示。在主程序中，在程序初始化时，关闭未用到的外设模块，避免消耗过多的电流。IO口初始化时，PD口为输入口，使能内部上拉。所有悬空的IO口都使能内部上拉，使之有确定的电平。当检测到有按键按下时，单片机禁用对应IO口的内部上拉，避免内部上拉电阻消耗不必要的电流。(ATmega48的引脚上拉电阻为30K~60K之间。)

在单片机完成初始化后，单片机进入空闲模式，CPU停止运行，定时器/ 计数器和中断系统继续工作。此时，实测消耗电流为0.14mA。当定时时间一到，CPU即被唤醒，执行响应的程序后继续进入空闲模式。

结语

本文介绍了ATmega48单片机低功耗特性，并通过具体实例，说明了在硬件电路设计和编制程序时，应注意的问题和低功耗设计方法，具有一定的参考价值。■

参考文献：
1.  Atmel Corporation.  ATmega48/88/168 Preliminary Summary [EB/OL].www.atmel.com/literature，2005
2.  陆希玉，唐昆，催慧娟. 基于嵌入式系统的低功耗设计[J]. 微型计算机信息，2005(7-2)
3.  陈春鸿. CMOS集成电路的功耗分析及低功耗设计技术[J]. 浙江大学学报，1998(9)