基于Atmega48单片机的低功耗系统设计

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
　　rjm
p 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
　　
　　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。)

　　图4 主程序流程图
　　
　　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。