基于单片机P89LPC932A1的微功耗设计

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摘 要:洋细介绍1’利用1'89LPC932A1单片机实现微功耗嵌人式指纹锁的设计思路和方法。根据单片机P89LPC932A1高集成度和完全掉电工作模式的低功耗的优点，给出了完善的软硬件设计方案，非常适合于电池供电和空间受限的工作环境以及便携式、嵌人式应用场合。
关键词89LPC932A 1单片机;微功耗;指纹锁;嵌人式系统
1 引言
    在嵌人式应用系统中，普遍存在功耗浪费现象。一个电子系统要运行就会有功耗。基于单片机的嵌人式指纹锁设备中采用电池供电，单片机芯片的工作电压、频率设置、工作模式设置都将影响系统的整体功耗，此外，外围器件的功耗管理或电源管理以及合理的外围电路设计也是影响功耗的关键因素。在许多手持式、便携式或嵌人式设备中，大多采用电池供电。合理地设计这些单片机系统，可以在不换电池的情况下，能连续工作数年时间。要满足这些要求必须在设计中解决好单片机系统的微功耗问题，必须从单片机的选择、单片机的设计与使用、外部电路的设计以及电源供电和软件设计等方面综合考虑。本文结合单片机P89LPC932A1在指纹锁的设计应用中遇到的问题，给出详尽的单片机微功耗设计策略和外围电路省电设计方法。

2 选择合适的CPU芯片是微功耗设计的关键
    目前的单片机种类很多，而且大都针对某一个特定的应用，可根据具体应用情况选择合适的单片机。在需要进行微功耗设计的应用中，可以根据下面的规则来选择:
    1.选择尽可能减少外部电路的单片机。
    2.在选择单片机时，不但要考虑其工作电流，还要仔细考虑其在休眠状态下的静态电流。
    3.在满足设计要求的情况下，尽可能使用单片机内部的ROM, RAM,
    4.选择合适的工作时钟频率。在较低的时钟频率下，单片机的功耗也较低。
    5.选择合适的工O管脚数，单片机驱动的10管脚数越多，其功耗也就越大。.
    依据上面所述的选型原则，选择合适的单片机，实现真正意义上单片化，可以省去了大量的硬件开发调试工作，提高了工作效率，系统的可靠性、抗干扰能力得到了显著的改善，同时使系统成本降低，更加适合微型化和便携化，对降低系统功耗有着决定性的作用。
    我们在指纹锁的设计中采用P89LPC932A 1单片机，这是一款单片封装的微控制器，适合于许多要求高集成度、低成本的场合，可以满足多方面的性能要求。P89LPC932A 1采用了高性能的处理器结构，指令执行时间只需2到4个时钟周期，6倍于标准8OC51器件。P89LPC932A1集成了许多系统级的功能，这样可大大减少元件的数目、电路板面积以及系统的成本[I]。操作电压范围为2.4--3.6V，可编程的1/O口可承受5V电压，8KB的Flash程序存储器可实现在应用中编程，2个Flash保密位可防止程序被读出，具有8个键盘中断输人和2个模拟比较器，可以低电平复位，有空闲和另外两种不同的掉电节电模式。提供从掉电模式中唤醒功能。可配置的片内振荡器支持的频率范围为20kHz-12MHz。图1给出P89LPC932A1的28脚TSSOP封装的具体引脚图。


740)this.width=740" border=undefined>3 单片机的微功耗设计
3.1微功耗设计策略
    基于P89LPC932Al单片机的指纹门锁系统微功耗设计的重要因素如表1所示。


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    单片机的工作电压越高，内部晶体管在放大区的工作时间也越长，单片机的功耗也就越大。为了降低系统功耗，可尽量采用低电压设计。本单片机采用3.3V的供电电压。单片机供电电压范围的放宽，可以进一步拓宽单片机的应用领域，尤其是便携式或掌上型设备中，可以放心地使用电池作为电源，而不必关心放电过程电压曲线是否平衡、在低电压下是否会影响单片机正常工作，更不必因电池供电而专门增加稳压电路，从而可减少大量的功率消耗。设计中使内部电路可选择性地工作，一般不会用到全部的单片机内部电路，而那些没有用到的电路将产生额外的功耗。通过对内部特殊功能寄存器编程，选择使用不同的功能模块，对于不使用的功能模块使其停止工作，减少系统无效功耗。
    在空闲状态时，采用低速时钟信号单片机的功耗与其工作频率成正比，系统运行频率越高，电源功耗就会相应增大。可以看出随着单片机主时钟频率的增加，其vec上的电流也呈线形增加，则其功耗也随着主时钟频率的增加而增加。不用的1/O口不能悬空，要统一接地，避免不必要的功耗浪费。充分利用片内资源，尽量减少外围电路，单片机外围电路低功耗设计在后面章节中详细描述。
3.2 实时时钟的低功耗应用
    芯片设计实时时钟RTC是为了给应用系统在各种状态下一个准确的计时，如果对RTC计时的功耗要求不高，可选用系统时钟作RTC的时钟源，为了得到精确的时间系统时钟应设为外部晶体振荡器或由外部提供精确的时钟信号，如果没有计时要求可将其作为普通计数器或关闭不用。在要求精确计时又对功耗有较严格要求时有一种标准的解决方法，即芯片的系统时钟用内部振荡器，RTC使用外部晶体振荡器为时钟源，这时使用的外部晶体振荡器频率不可太高，一般使用32. 768KHz的晶体。
    在P89LPC932A1的XTALI和XTAL2的引脚上接一个32.768kHz的晶振和两个33P的电容。实测在仅有RTC工作时芯片仅耗电约12uA。为更好地降低功耗，在许多单片机的内部集成了两套独立的时钟系统，即高速的主时钟和低速的副时钟，在不需要高速运行的情况下，可选用低速的副时钟，维持内部基本的定时要求。某些单片机的主时钟也可通过功能寄存器来重新设定，在满足功能需要的情况下，按一定比例降低主时钟频率，以
降低电源功耗。可在程序运行的过程中，通过软件对特殊功能寄存器赋值在线改变时钟频率，进行主时钟和副时钟切换。下表2给出不同晶振条件下的系统功耗。


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    由表2可知系统消耗电流随着晶振频率的降低而降低。
3.3 单片机的完全掉电方式
    P89LPC932A 1有三种工作方式:
    (1)空闲模式 空闲模式下片内外围功能继续工作，允许其在产生中断时激活处理器。任何一个使能的中断或复位均可结束空闲模式。
    (2)掉电模式 掉电模式将振荡器停振以使功耗最小。
    (3)完全掉电模式 和掉电模式的区别在于:完全掉电模式下掉电检测电路和电压比较器都被关闭，功耗降到最低。完全掉电模式下不会产生掉电复位或中断，电压比较器中断和掉电中断不能作为唤醒源。
    在本系统中，选择最省电的模式一完全掉电模式。选择3.3V作为单片机的供电电压;选择内部晶振，节省了外部资源的浪费同时降低了功耗。当MCU进人完全掉电状态以后，可由看门狗定时器(利用复位或中断)，外部中断INTO/INTI,键盘中断，实时时钟等唤醒。INTO/INTI中断为下降沿/低电平有效，键盘中断为低电平有效，因此在进人中断前必须保证相应引脚为高电平，否则很难将单片机从完全掉电状态下唤醒。下面一段程序给出完全掉电模式下的功耗测试。
    刀一一 一一一一一 一 — 一 一一一一一一—
    WDCON=OxEO; //关闭WDCON，如果缺少这条指
令，将测得系统电流为18. 5uA
    delay(); //如果缺少这句延时，将测得系统
电流为14uAa
  //节省晶振功耗
AUXR 1=0x80;
PCONA=Oxff ;
//关闭其他外围相应功能模块
//进入完全掉电模式后，将测得系统电
    PCON=0x03;
流远低于luA
//一一— 一一一一一一一一一一 一一一一一— —
    1.如果去掉对端口初始化程序段，会测得系统有一定的电流。
    2. PCONA寄存器中，没有关闭看门狗模块供电的位，要停止对看门狗模块的供电，必须调用WDCON寄存器。
    3.要使完全掉电状态下，系统电流低于IuA，必须调用WDCON寄存器后，进行一段us级别的延时，以保证掉电的彻底性。
    4.将AUXR1寄存器的CLKLP置位，可以在一定程度上，降低系统的功耗。
    当系统需要工作时，由外部键盘中断唤醒，图2给出完全掉电模式下的中断唤醒电路。图2中KEY1或S1键按下，系统均可退出完全掉电模式，回到激活状态，完成相应的操作。S1键代表锁把上电操作，即有人想开门搬动锁把时唤醒指纹锁系统，KEY1键代表有人操作控制板上的键盘，唤醒电路，执行操作。低功耗系统完全是在CPU的控制下完成功耗管理，因此，它是依据总体设计的要求，在系统硬件支持下，通过功耗管理应用软件实现的，遵循系统有效操作的时空占空比来及时关闭或唤醒相应的单元。


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4单片机外围电路的微功耗设计
    单片机P89LPC932A 1通过串口与指纹识别模块进行通讯，完成对指纹的录入、删除、身份确认，验证通过后电机控制门锁执行开关门的动作。P89LPC932A1强大的I/O口可以最多达到26个，完全胜任外设部分的键盘操作、数码管显示、指示灯、按键、蜂鸣器等的需求。键盘是用来输人密码的，也可以执行指纹注册、删除等按键操作;数码管显示用户注册的ID号;双色指示灯和蜂鸣器用来提醒用户操作是否成功或是报警提示;另外配有一些远程控制的按键开关，用于设备的上电或执行有关开关门的操作，具体设计可根据不同的应用场合和实际功能需求增减外围器件，在尽量满足功能的前提下降低系统功耗。图3显示以单片机P89LPC932A1为核心的门锁控制电路原理图。图中Ul是电源控制芯片R1121N输出3.3V给单片机，U2是12C读写模块，指纹锁的开关门记录和密码等重要信息都保存在其中。目前系统中使用的电压调节器为R1121N(图中的Ul元件)。1121N是CMOS工艺电压调节器，具有很高的电压输出精度、很低的输入电流、很小的片上电阻以及很高的抗波浪电压冲击等特点。每一个电压调节器都具有一个电压参考电路、一个误差放大器、电阻、一个电流限制电路以及一个片允许电路。R1121N系列对于线性瞬态响应和负载瞬态响应的灵敏度非常高，因此他们非常适合为手持式设备提供电源。芯片输出电压具有很高的精确度。又使用了SOT-23-5的封装形式，可以很好的嵌人元件密度很高的板上。
    单片机周边电路的微功耗设计十分复杂，对产品的整体耗电而言也非常重要。复杂，庞大的周边电路将会带来很大的电源消耗，因此，应尽量少选用外部电路，尽可能利用单片机内部的资源。作为一个用电池供电的指纹锁而言，其静态功耗最好为几微安一几十微安，由于这部分电流是在待机状态下加在设备上，是常供电电流，在系统不工作的情况下将造成很大的电能浪费。因此在设计中，应该使外部电路最少，并减少外部电路在静态需要供电的部分[21。同时，还需要考虑以下问题:
    1.系统中单片机以外的其它器件尽可能选用静态功耗低的器件，如尽量选用CMOs器件。
    2.将不用的引脚接至地或者高电平，悬空的输人脚将会增大芯片的静态电流。
    3.在10管脚上尽量少用上拉或下拉电阻，这些电阻将消耗一定的静态电流。
    4.在许多情况下，对于分时地多区操作的独立电路单元，采用分布式带关断功能的供电电路来实现功耗管理是十分有效的。例如，指纹识别模块的电源管理可采用可关断、低耗、稳压线性稳压器。
    5.多用电压驱动电路，少用电流驱动电路。


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5 单片机具体应用中的功耗测试与改进
    对于指纹识别产品，如何省电、如何降低功耗是个很关键的技术。指纹锁的主要功能包括指纹验证、指纹录人、删除、指纹开关门以及设置密码、时间、浏览记录等辅助功能。所有这些任务的操作都要经过单片机控制，但是并不要求每次执行都要启动指纹识别模块以及电机控制开锁装置，所以经过合理的任务分配
后，可大大降低系统功耗。在系统硬件支持下，通过功耗管理的应用软件实现的，应用软件要遵循系统有效操作的时空占空比来及时关闭或唤醒相应的电路单元[[3]
    基于单片机的嵌人式指纹锁的实时功耗管理能力表现在能保证按照系统有操作时空占空比来实现系统时空的最大静态化运行。其中核心的技术是系统中时钟与信号流的控制与调度。在系统无效操作的时间和区域上，终止时钟运行或进人，禁止开关、脉冲信号进人。在程序设计时，根据不同的操作，决定哪些回路
何时工作、何时供电，在完成相应的操作后将其关断，以减少无效的功耗。当然要充分考虑电路上电后需要的稳定的时间，在软件设计的过程中，要在电路工作之前提前给电路供电，保证电路正常工作。经过合理的任务分配后可以大大降低系统静态功耗，同时在硬件资源选择上作了调整。改进后的工作状态下各个电路
的功耗分配测试清况如表 3所示。


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    在系统软件设计时充分利用完全掉电模式，既降低了系统的静态功耗又节省了硬件资源。完全掉电模式与掉电模式的主要区别在于为了节省功耗掉电检测电路和模拟比较器也被关闭。此模式下的典型的掉电电流为1uA，这意味着4节1.5V /250mA的电池可以连续工作至少5年以上，当然必须是优质电池自放电要小。本嵌人式门锁系统设计时要求当电池盒供电电压低于4.5V时，就报警提示用户更换电池，系统在电压为4.3V时仍可工作，保证了在低电报警后还有1001〕次左右的正常开门操作。
6 结语
    采用了这种完善的单片机微功耗设计方案的嵌人式指纹锁，在硬件资源上的高集成度有效设计和软件设计方面的合理任务分配，系统采用完全掉电的外部中断唤醒功能，大大降低了系统静态功耗。实验表明本系统的静态功耗可以降到10uA，正常工作电流低于100 mA，与同类指纹锁产品相比，本系统的微功耗性能良好。以单片机P89LPC932A1为核心制作的第一批小样本指纹锁于05年年末供海外市场，它的微功耗性能指标经过实际验证，得到认可。
参考文献:
.北京:北
    [1]周立功.LPC900系列Flash单片机应用技术【M京航空航天大学出版社， 2003.
    121 吴春国，李文石.单片机控制电子锁技术剖析【M].哈尔滨东北林业大学学报，2002，(5).
    [31 王田苗.嵌人式系统设计与实例开发【M].北京:清华大学出版社，2002.
         
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