在嵌入式系统的设计中,低功耗设计(Low-Power Design)是许多设计人员必须面对的问题。
1)选用节能的微处理器 同样的工作状态,电源电压不同,功耗是非线性增加的。
我们是在CPU的性能(Performance)和功耗(Power Consumption)方面进行比较和选择。通常可以采用每执行1M次指令所消耗的能量来进行衡量,即Watt/MIPS。但是,这仅仅是一个参考指标,实际上各个CPU的体系结构相差很大,衡量性能的方式也不尽相同,所以,我们还应该进一步分析一些细节。 我们把CPU的功率消耗分为两大部分:内核消耗功率PCORE和外部接口控制器消耗功率PI/O,总的功率等于两者之和,即P=PCORE+PI /O。对于PCORE,关键在于其供电电压和时钟频率的高低;对于PI/O来讲,除了留意各个专门I/O控制器的功耗外,还必须关注地址和数据总线宽度。
2)尽量选用CMOS集成电路 CMOS集成电路(Complementary Metal Oxide Semiconductor)即互补金属-氧化物-半导体集成电路,它最大的优点是微功耗(静态功耗几乎为零),其次的优点是输出逻辑电平摆幅大,因而抗干扰能力强,同时它的工作温度范围也宽,因此CMOS电路一开始出现就和低功耗便携式仪器仪表结下了不解之缘。
3)、采用电池低电压供电 系统功耗和系统的供电电压存在着一定的函数关系。供电电压越高,系统功耗也就越大。目前已经出现了不少低电压供电(小于4.5V)的单片机及其外围电路,工作电压可低至1.8V。在1.8V~6V之间均可正常工作,而且对于测量精度没有影响。 在设计开发中要注意,单片机电源电压可以从6V降到1.8V,工作期间电压可以在该范围波动,但是国内的仿真器还达不到这个要求,一般都在5V下仿真工作。这时候的仿真和真正的工作状态是有区别的,所以单片机系统设计完之后一定要进行低电压测试,避免仿真时可以用,实际应用时出现问题。
4)、尽量使用"高速低频"工作方式 低功耗单片微机系统中几乎全部采用的是CMOS器件,而CMOS集成电路由自己的结构所决定,它静态功耗几乎为零,仅在逻辑状态发生转换期间,电路有电流流过。所以它的动态功耗和它的逻辑转换频率成正比,和电路的逻辑状态转换时间成正比。所以,CMOS集成电路从降低功耗的角度上来说应当快速转换,低频率地工作。
5)、充分利用微控制器上集成的功能 微控制器已经将许多硬件集成到一块芯片之中,使用这些功能比用扩展方式扩展外围电路要有效得多。首先单片化的成本要比使用扩展方式低,而且性能更好。如外围器件的驱动电压很难降低到微控制器芯片的水平,微控制器可以降低到1.8V,外围电路降到3V恐怕有相当多的芯片就会工作不稳定,而微控制器内部集成的硬件却可以有更好的电压适应能力。
6)、选用低功耗高效率的外围器件和电路 在必须选择使用某些外围器件时,尽可能选择低功耗、低电压、高效率的外围器件,象LCD液晶显示器、EEPROM等,这样是为了降低系统的总体功耗。此外还尽量选用低功耗及高效率的电路形式。低功耗的电路以低功耗为主要技术指标,它不盲目追求高速度和大的驱动能力,以满足要求为限度,因而电路的工作电流都比较小。