MCU基本技术原理及应用方案集锦

　　一、单片机与单片微计算机系统

　　计算机系统已明显地朝巨型化、单片化、网络化三个方向发展。巨型化发展的目的在于不断提高计算机的运算速度和处理能力，以解决复杂系统计算和高速数据处理，比如系统仿真和模拟、实时运算和处理。单片化就是把计算机系统尽可能集成在一块半导体芯片上，其目的在于计算机微型化和提高系统的可靠性，通常把这种单片计算机简称单片机。准确而言，单片机（单片微型计算机）实际上是一种将CPU（中央处理器）、存储器和输入输出接口集成在一个芯片中的微型计算机。单片机的内部硬件结构和指令系统主要是针对自动控制应用而设计的，所以单片机又称微控制器mcu（MicroController Unit），又由于用它可以很容易地将计算机嵌入到各种仪器和现场控制设备中，因此单片机也叫嵌入式微控制器（Embedded MCU）。

　　单片机要进行工作，必须构成单片机系统。单片机系统实质上就是一个微计算机系统，它主要由硬件和软件两大部分组成，硬件是指构成计算机系统的所有电子、机械和磁性的部件或设备，软件则是各种程序及数据的总称。图1给出单片微计算机系统的具体构成。

　　二、单片机发展概述

　　单片机出现的历史并不长，但发展十分迅猛。 它的产生与发展和微处理器的产生与发展大体同步，自1971年美国Intel公司首先推出4位微处理器以来，它的发展到目前为止大致可分为5个阶段。下面以Intel公司的单片机发展为代表加以介绍。

　　第1阶段（1971～1976）： 单片机发展的初级阶段。 1971年11月Intel公司首先设计出集成度为2000只晶体管/片的4位微处理器Intel 4004， 并配有RAM、 ROM和移位寄存器， 构成了第一台MCS—4微处理器， 而后又推出了8位微处理器Intel 8008， 以及其它各公司相继推出的8位微处理器。

　　第2阶段（1976～1980）：低性能单片机阶段。 以1976年Intel公司推出的MCS—48系列为代表， 采用将8位CPU、 8位并行I/O接口、8位定时/计数器、RAM和ROM等集成于一块半导体芯片上的单片结构， 虽然其寻址范围有限（不大于4 KB）， 也没有串行I/O， RAM、 ROM容量小， 中断系统也较简单， 但功能可满足一般工业控制和智能化仪器、仪表等的需要。

　　第3阶段（1980～1983）：高性能单片机阶段。 这一阶段推出的高性能8位单片机普遍带有串行口， 有多级中断处理系统， 多个16位定时器/计数器。片内RAM、 ROM的容量加大，且寻址范围可达64 KB，个别片内还带有A/D转换接口。

　　第4阶段（1983～80年代末）： 16位单片机阶段。 1983年Intel公司又推出了高性能的16位单片机MCS－96系列， 由于其采用了最新的制造工艺， 使芯片集成度高达12万只晶体管/片。

　　第5阶段（1990年代）：单片机在集成度、功能、速度、可靠性、应用领域等全方位向更高水平发展。

　　按照单片机的特点，单片机的应用分为单机应用与多机应用。在一个应用系统中，只使用一片单片机称为单机应用。单片机的单机应用的范围包括：

　　（1） 测控系统。 用单片机可以构成各种不太复杂的工业控制系统、自适应控制系统、数据采集系统等， 达到测量与控制的目的。

　　（2） 智能仪表。 用单片机改造原有的测量、控制仪表， 促进仪表向数字化、智能化、多功能化、综合化、柔性化方向发展。

　　（3） 机电一体化产品。单片机与传统的机械产品相结合， 使传统机械产品结构简化， 控制智能化。

　　（4） 智能接口。 在计算机控制系统， 特别是在较大型的工业测、控系统中， 用单片机进行接口的控制与管理， 加之单片机与主机的并行工作， 大大提高了系统的运行速度。

　　（5） 智能民用产品。 如在家用电器、玩具、游戏机、声像设备、电子秤、收银机、办公设备、厨房设备等许多产品中， 单片机控制器的引入， 不仅使产品的功能大大增强， 性能得到提高， 而且获得了良好的使用效果。

　　单片机的多机应用系统可分为功能集散系统、并行多机处理及局部网络系统。

　　（1） 功能集散系统。 多功能集散系统是为了满足工程系统多种外围功能的要求而设置的多机系统。

　　（2） 并行多机控制系统。 并行多机控制系统主要解决工程应用系统的快速性问题， 以便构成大型实时工程应用系统。

　　（3） 局部网络系统。

　　二、常用单片机系列

　　1．8051系列单片机

　　Intel公司于1980年推出8位的高性能8051单片机，在工业控制领域引起不小的轰动，并迅速确立了其不可动摇的地位。之后不久，Intel公司彻 底开放了8051单片机的技术，引来世界上很多半导体厂商加入了开发和改造8051单片机的行列中，这其中贡献最大的有Philipe公司，它着力发展了 单片机的控制功能和外围单元；Atmel公司，它在单片机内部植入了Flash ROM，使得单片机应用变得更灵活，在我国拥有大量的用户；ADI公司，它推出的AduC8 xx系列单片机，在单片机向SOC发展的模/数混合集成电路发展过程中扮演了很重要的角色；Cygnai公司，它采用一种全新的流水线设计思路，使单片机 的运算速度得到了极大的提高，在向SOC发展的过程中迈出了一大步。

　　目前8051系列单片机各生产厂商的主流产品有几十个系列，几百个品种。尽管其各具特色，名称各异，但作为集CPU、RAM、ROM（或EPROM）、 I/O接口、定时器/计数器、中断系统为一体的单片机，其原理大同小异。现以Intel公司的系列产品为例，说明其各系列之间的区别。

　　Intel公司从其生产单片机开始，发展到现在，大体上可分为3大系列： MCS-48系列、MCS-51系列、MCS-96系列。该3大系列的性能简介见表1。

　　表1 Intel单片机系列性能简介

　　这里，我们仅对MCS-51系列作一简要介绍。MCS-51系列单片机虽已有10多种产品，但可分为两大系列：MCS-51子系列与MCS-52子 系列。 MCS-51子系列中主要有8031、8051、8751 三种类型。而MCS-52子系列也有3种类型8032、8052、8752。各子系列配置见表1.2所示。

　　表1.2中列出了MCS-51系列单片机的两个子系列，在4个性能上略有差异。 由此可见，在本子系列内各类芯片的主要区别在于片内有无ROM或EPROM；MCS-51与MCS-52子系列间所不同的是片内程序存储器ROM从4 KB增至8 KB；片内数据存储器由128个字节增至256个字节；定时器/计数器增加了一个；中断源增加了1～2个。另外，对于制造工艺为CHMOS的单片机，由于采用 CMOS技术制造，因此具有低功耗的特点，如8051功耗约为630 mW，而80C51的功耗只有120 mW。

　　2．其它单片机

　　当很多公司在改造MCS-51系列单片机的同时，世界上一些有影响力的大公司也在开发自己的单片机，比如Motorola、TI、Microchip、OKI、Epson等。这些单片机的指令系统和内部结构都和MCS-51系列单片机不同，功能也各有千秋。

　　（1）Motorola的单片机

　　Motorola是世界上最早开发单片机的著名厂商，是目前全球最大的8位单片机生产商。现在已经拥有8位、16位和32位约十几个系列的单片机，这其中 8位机主要有68HC05、68HC08和68HC11等3个系列；16位机主要有HCS12、68HC12、DSP56800和68HC16等4个系 列；32位机主要有Coldfire的MC683xx、MCORE、MPC500和MCF5 xxx等系列。Motorola单片机的功能一般都很强，进入我国的时间也很早，在单片机应用领域有很高的威望，但由于其开发工具价格较高，影响了普及率。

　　（2）Microchip公司的PIC单片机

　　Microchip公司是当今世界上第二大8位单片机生产商，Microchip单片机在我国也有比较多的用户，近几年随着Microchip不断推出颇 具特色的各型单片机，Microchip已越来越受到业界的广泛关注。目前，市面上比较常见的单片机主要有以下3个系 列：PIC12C5xxx/16C5x系列，这两个系列的单片机是PIC单片机中的低端产品，其中PIC16C5x系列是最早在市场上得到发展的系列，因其价格较低，且有较完善的开发手段，因此在国内应用最为广泛；而PIC12C5xx是世界上第一个8脚低价位单片机，可用于一些对单片机体积要求较高的简 单智能控制领域，前景十分广阔。PIC12C6xx/ PIC16Cxxx系列是PIC中档产品，是Microchip近年来重点发展的系列产品，品种最为丰富，其性能比低档产品有所提高，指令周期可达到 200ns，增加了中断功能、带A/D、内部E2PROM数据存储器、双时钟工作、比较输出、捕捉输入、PWM输出、I2C和SPI接口、异步串行通信 （USART）、模拟电压比较器及LCD驱动等，其封装从8脚到68脚，可用于高、中、低档的电子产品设计中，适合于高级复杂系统的开发，其性能在中档位单片机的基础上增加了硬件乘法器，指令周期可达成160ns，它是目前世界上8位单片机中性价比最高的机种之一，可用于高、中档产品的开发，如马达控制、音调合成。

　　（3）TI（Texas Instruments）公司的MSP430单片机

　　TI公司是闻名全球的DSP制造商，但其前几年才推出的MSP430系列16位单片机同样在业界掀起不小的波澜。MSP430系列单片机最突出的特点是低电压供电和超低功耗，非常适合应用于采用电池长时间工作的场合。电压范围为1.8~3.6V；在1MHZ2.2V下，活动模式功耗为225μA，待机模式 功耗为0.8μA、掉电模式功耗为0.1μA。在这个系列中有很多个型号，它们是由一些基本功能模块按照不同的应用目标组合而成的。MSP430系列单片 机的CPU采用16位RISC精简指令系统，集成有16位寄存器和常数发生器，发挥了最高代码效率；它采用数字控制振荡器（DCO），使得从低功耗模式到 唤醒模式的转换时间小于6μs；内部集成了A/D转换器，工业应用方便；其中MSP430x41x系列设计有一个16位定时器、一个比较器、96段LCD 液晶驱动器和48个通用I/O口。

　　下面介绍MCU的应用案例及参考设计。

　　描述

　　TI 的蓝牙 + MSP430 音频散热器参考设计可供客户用于创建各种低端、低功耗音频解决方案的应用。一些可能的应用 - 玩具、低端蓝牙扬声器、音频播放配件。此参考设计是一种经济实惠的音频实施方案，通过参考其提供的完整设计文件，您可以将重心转移到应用和最终产品开发工 作上。此参考设计支持的软件包括 Stonestreet One Bluetopia 蓝牙堆栈（经过认证且免专利费）。

　　蓝牙和MSP430 音频信宿参考设计

　　特性

　　凭借最低成本、最低功耗的 MSP430F5229 实现蓝牙音频功能（SBC 编码/解码）

　　设计中将音频处理任务从 MCU 转移到蓝牙器件，从而实现低功耗音频

　　这种经济高效的低端无线音频解决方案，采用 4 层布局和 QFN 封装

　　此解决方案的内核是 TI 的 CC2564，此内核拥有一流蓝牙性能（+12dBm 输出功率）

　　设计中还采用了 TI 的低功耗数字输入扬声器放大器（TAS2505） 和 USB 充电管理器件 （BQ24055）

　　CC256x 和 Bluetopia 堆栈均有蓝牙子系统 QDID，因此您可以只需要一份蓝牙最终产品列表

　　相关器件

　　1.BQ24055 具有自动 AC/USB 检测功能和PG的800mA单输入单节锂离子电池充电器

BQ24055 功能方框图

　　详细资料：BQ24055 单节锂离子电池充电器

　 　2.CC2560 蓝牙 Smart Ready 控制器，TICC256x器件是一款完整的蓝牙BR/EDR/LEHCI解决方案，此解决方案减轻了设计工作并可实现快速上市。基于TI的第七代蓝牙内 核，器件实现了已经证明的解决方案，此解决方案支持蓝牙4.0双模式（BR/EDR/LE）协议。TI的电源管理硬件和软件算法大大节省了所有广泛使用的 蓝牙BR/EDR/LE模式运行的能耗。[page]

　　CC2560 功能方框图

　　应用：建筑照明、用于 HMI 和 POS 的单板计算机

　　详细资料：CC2560蓝牙Smart Ready控制器

　　1、便携式设备对处理器提出的挑战

　　随着电子便携式设备在全球的风行，人们对电子 便携式设备的要求也越来越高，希望产品有更多的功能，如手机摄像机自动对焦与手机闪信与计步器；希望产品功耗更低，如无线设备、手持POS机和家庭医疗产品；希望产品体积更小，如运动手表；希望产品的保密性好；处理能力强，如便携式仪器和高精度运动控制；希望价格更低和开发周期短。

　 　然而困惑的是，很多的便携式设备往往会同时要有上面的多个要求，然而现实中很难做到：同时满足高速处理、低功耗和价格？ARM高速，但是功耗而价格高； 同时满足高速处理和小封装？希望封装面积小到3×3mm，又要不牺牲速度；同时满足小封装和SOC？需要ADC、SPI和12个I/O，而尺寸，最好小于 5×5mm；开发周期，ARM性能完全合适，但ARM往往需要操作系统支持，开发周期长，而市场机遇稍纵即逝。

　　为此，本文将从为电子便携式设备开发解决上述这些难题出发，对如何设计一个低功耗的单片机系统与方法和MCU在低功耗方面的优势进行分析，并小尺寸系列单片机的应用为例作出介绍。

　　2、如何设计一个低功耗的单片机系统

　　问题提出：单片机系统的功耗是否只是由单片机的功耗决定？回答是，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。

　　2.1如何设计低功耗单片机系统？

　　要设计一个低功耗的单片机系统，需要从硬件和软件两方面入手。

　　2.11硬件设计

　 　*选用尽量简单的CPU内核。在选择CPU内核时切忌一味追求性能。选择的原则应 该是“够用就好”。8位机够用，就没有必要选用16位机。一般来说，单片机的运行速度越快，功耗也越大。一个复杂的CPU集成度高、功能强，但片内晶体管 多，总漏电流大，即使进入STOP状态，漏电流也变得不可忽视；而简单的CPU内核不仅功耗低，成本也低。

　　*选用低电压供电的系统。低电压供电可以大大降低系统的工作电流。目前单片机从与TTL兼容的5V供电降低到3.3V、3V、2V乃至1.8V供电，降低单片机的供电电压可以有效降低其功耗。供电电压降低也是未来单片机发展的一个重要趋势。

　　*选择带有低功耗模式的系统。低功耗模式指的是系统的Idel（闲置）、Stop（停止）和Suspen（暂停）模式。处于这类模式下的单片机功耗将大大小于运行模式下的功耗。

　　*选择合适的时钟方案。时钟的选择对于系统功耗相当敏感，有两方面的问题要注意：

　　其一、系统总线频率应当尽量低。单片机内部的总电流消耗分为：运行电流和漏电流。单片机集成度越高，环境温度越高，漏电流也越大。单片机的运行电流几乎和其时钟频率成正比。降低时钟频率，就可以有效降低单片机的功耗。

　 　其二、关于时钟方案。是否使用锁相环，使用内部振荡器还是外部振荡器。现代单片机普遍使用锁相环技术，使单片机的时钟频率可以由程序控制。单片机使用外 部较低的振荡器，通过软件控制，系统时钟可以在一个很宽的范围内调整，得到比较高的总线时钟。使用锁相环会带来额外的功耗。单就时钟方案来讲，使用外部晶 振且不使用锁相环是功率消耗最小的一种。有的单片机带有内部时钟，也可使用外部时钟。这可以根据实际系统的需要使用双时钟：一个高速时钟和一个低速时钟。 处理事件时使用高速时钟，空闲时使用低速时钟。这钟双时钟系统可以有效地降低功耗。

　　2.12应用软件设计

　 　应用软件设计对于一个低功耗系统的重要性常常被人们忽略。一个重要的原因是，软件上的缺陷并不像硬件那样容易发现，同时也没有一个严格的标准来判断一个 软件的低功耗特性。尽管如此，设计者如果能尽量将应用的低功耗特性反映在软件中，就可以避免那些“看不见”的功耗损失。

　　*用“中断”代 替“查询”。在没有要求低功耗的场合，程序使用中断方式还是查询方式并不重要。但在要求低功耗场合，这两种方式相差甚远。使用中断方式，CPU可以什么都 不做，甚至可以进入等待模式或停止模式；而查询方式下，CPU必须不停地访问I／0寄存器，这会带来很多额外的功耗。

　　*用“宏”代替“子程序”。子程序调用的入栈出栈操作，要对RAM进行两次操作，会带来更大的功耗。宏在编译时展开，CPU按顺序执行指令。使用宏，会增加程序的代码量，但对不在乎程序代码量大的应用，使用宏无疑会降低系统的功耗。

　 　*尽量减少CPU的运算量。减少CPU的运算工作量，可以有效地降低CPU的功耗。减少CPU运算的工作可以从很多方面入手：其一，用查表的方法替代实 时的计算。其二，不可避免的实时计算，算到精度够了就结束，避免“过度”的计算。其三，尽量使用短的数据类型，例如，尽量使用字符型的8位数据替代16位 的整型数据，尽量使用分数运算而避免浮点数运算等。其四，让I／O模块间歇运行，即不用的I／O模块或间歇使用的UO模块要及时关掉，以节省电能；不用的 I/O引脚要设置成输出或设置成输入，用上拉电阻拉高。

　　3、单片机（MCU）在低功耗方面的优势。

　　当今面临的问题是，使用者或市场均对单片机（MCU）低功耗有严酷的要求，那么将如何来设计MCU来满足市场？应该说，当今众多厂商的MCU均有在低功耗面的优势，值此仅以Silabs MCU为例作分析说明MCU在低功耗方面的优势。

　　*供电电压低。MCU供电电压为2.0～5.25V。供电电压低可以有效降低整个单片机系统的功耗。

　　*有多种低功耗模式。MCU的低功耗模式有Idle模式和Stop模式。为了更进一步地降低MCU的功耗，提高市场竞争力，从2006年下半年己推出的MCU都将带有Suspend模式。这种模式下的功耗为纳安级。

　 　*有多种时钟方案供选择。MCU内置振荡器有高速震荡模式和低速震荡模式可供选择。每种模式下的频率又有多种选择。而且还可以外接振荡器。更重要的是， 在MCU运行中，这些时钟模式可以实时切换。这很方便客户进行低功耗控制。例如：在处理数据时，系统运行在高速状态；空闲时运行在低速状态。

　　*高速实时的中断响应。MCU响应中断的时间非常快，一般只需要5个系统时钟周期。中断响应速度快，CPU花费在等待方面的时间少，这可以节省不少的等待功耗。

　 　*灵活的I/O设置。MCU的I／0口资源丰富，配置灵活。有三种配置方式：漏极开路、推拉输出和弱上拉方式。用户可以根据实际需要通过相关寄存器的设 置来禁止或使能这些方式。其中将端口配置成漏极开路方式是最省电的方式。另外，MCU片上没有用到的其他外设可以通过软件来关闭。总之，根据项目的要求， 灵活运用MCU的各种低功耗特性，通过软件的控制，就可以很好地实现低功耗的要求。

　　使用每MIPS功耗来衡量MCU的低功耗性能是相对 比较准确。比如执行一个需要10K条指令的任务，甲MCU的工作电流为3mA，速度为10MIPS，则甲MCU需要工作lmS完成该任务，消耗 3mA*1ms*Vcc，然后甲MCU就可以进入低功耗模式了。而乙MCU的工作电流为1mA，速度为2MIPS，则乙MCU需要工作5mS完成，这样乙 MCU完成该任务的消耗为1mA*5mS*Vcc。电流大但是速度快的MCU可能更省电！

　　4、MCU在低功耗方面的设计方法怎样？

　　一般来说，MCU的运行的速度越高，供电电压越高，功耗也就越高。要降低单片机系统的功耗，就要降低单片机系统的供电电压，降低MCU运行的频率。

　 　举例分析说明：客户要做一个无线计时类产品，使用电池做供电电源，要求平均功耗不超过200uA。该产品是间歇工作的：当收到数据时激活，快速处理数 据；当空闲时进入休眠状态，来降低功耗，己有不少制造商可达150μA以满兰客户要求。例如，C8051F333型MCU。

　　4.1看一下C8051F333的电气参数就知道了

　　*正常模式，CPU从Flash取指令。

　 　IDD（当Vdd=3.6v F=25MHz时）为10.7mA-11.7mA；IDD （当Vdd=3.0v F=25MHz时）为7.mA-8.3mA；IDD （当Vdd=3.6v F=1MHz时）为0.38mA；IDD （当Vdd=3.0v F=80Hz时）为31μA。

　　*Idel模式，CPU停止工作。

　　IDD（当Vdd=3.6v F=25MHz时）为4.mA-5.2mA；IDD （当Vdd=3.0v F=25MHz时）为3.8mA-4.1mA；IDD （当Vdd=3.6v F=1MHz时）为0.2mA；IDD （当Vdd=3.0v F=80Hz时）为16μA。

　　光看上面两个模式的数据，肯定不行。因 为要满足系统的运行速度，又要满足低功耗≥1MHZ的频率，则功耗都要超过客户的要求。而正确答案是：在不降低MCU运行速度（MCU处理数据时的运行频 率是24.5MHZ）的情况下，客户使用C8051F333成功实现了低功耗的要求：比150μA还低， 真可谓鱼和熊掌兼得。

　　4.2它是怎样实现的？

　 　见图1所示。使用了内外两种晶振。工作时使用内部高速晶振24.5MH2，空闲时切换到外部低速晶振32.768KH2，并且进入Idle模式。并且把 没有用到的外设全部关闭，就这么简单。由此看出，功耗是一个系统的问题，单片机系统的功耗是由MCU和其外围电路的功耗共同决定的，低功耗是无数个细节省 出来的。

　　5、小尺寸单片机在便携式设备中的应用

　　面对如今便携式设备提出的挑战单片机，如何应对挑战？而用小尺寸单片机是在一种理想的举措应对，值此以C8051F小尺寸单片机为例，分析其在便携式设备中的应用。为此先介绍C8151F小尺寸单片机应用特征。

　　5.1C8051F小尺寸单片机应用特征

　　概括为：小封装，低功耗， 宽电压工作范围（2.7V-3.6V）， 高速、高集成度与高保密性。

　　5.2应用

　　以TFT屏背光管理、闪信应用为例说明。

　　5.21C8051F30X在彩色TFT屏背光中的应用

　 　随着便携式电子设备的普及，人们对其彩色显示屏的要求也越来越高，LED正在被逐步应用于LCD的背光。传统的LED背光是采用白色LED作为背光源， 有以下的缺点：一般背光需要多个白色LED，但白色LED有个体差异，一致性不好，容易导致彩色显示屏色彩不均匀，失真等现象；白色LED容易老化，使彩 色显示屏的亮度降低。产品如果有这些问题，容易给消费者留下不好的印象，消弱产品的竞争力。

　　那应该如何去解决这些问题？而采用C8051F30X的彩色TFT屏背光方案就很好地解决了这些问题，其功能框图（见图2所示）如下：

　　*技术特征

　 　背光采用红、绿、蓝三色LED，发出的光组成白光。因为每种颜色的LED采用串联连接方式，所以使用了AMS高性能的LED Driver AS3691；通过Avago的CoIor Sensor芯片HDJD-S722-QR999，检测R、G和B三色的亮度；C8051F30X根据HOJD-S722-QR999送过来的信号，产生 相应的PWM来控制R、G和B三色的亮度，使白光的效果始终在最佳状；同时C8051F30X通过一个 接口与主CPU通讯，接收主CPU对亮度调整的控制命令。

　　*对MCU的要求

　　屏的尺寸现在都很紧凑，同时厚度很薄，对 MCU的尺寸要求很高，C8051F30X尺寸只有3×3mm，厚度只有0.9mm；要求具备PWM输出，多路输入的ADC和通讯接 口；C8051F30X支持3个PWM输出，多路复用的AD输入，支持UART和 通讯接口，3×3mm的封装上可以提供8个用户I/O口。

　　*方案特点

　 　很好地解决了传统的白光LED个体差异问题，使彩色显示屏的色彩始终处在均匀状态；很好地解决了白光LED老化带来的亮度降低问 题；C8051F30X、AS3691和HDJD-S722-QR999封装小，容易和TFT显示屏做成一个模块；C8051F30X有Idee和 Stop两种低功耗模式，特别是Stop模式，其功耗小于0.1uA。当系统进入Stop模式时，可以使外围电路关闭，进入省电状态，当需要显示时，由主 控制器唤醒。

　　5.22 C8051F313在手机闪信和计步器中的应用

　　随着手机 的普及，人们对手机的功能要求也越来越高。那些具有彰显个性的手机越来越深受人们的喜爱，特别是年轻一族的喜爱;手机功能的增多，意味着手机体积的增大和 功耗的增加，这与人们对手机小巧和待机时间长的要求又成了矛盾；要解决这些矛盾，手机设计者不得不追求元器件的小型化、低功耗和高性 能；MCUC8051F313在手机闪信和计步器中的应用就是一个典型例子。图3为C8051F313在手机闪信和计步器功能应用示意框图。

　　*关于计步器

　　计步器原理：人在行走或者跑步的加速度与时间轴大致成为一个正弦波；利用加速度，可以计算走了多少步，还可根据步幅进而估算所走的距离。

　　计步器功能的实现：采用MCUC8051F313和MEMS IC加速度传感器MAX6500；C8051F313采样MAX6500两路加速度传感器的输入，分析加速度，计算出走了多少步；根据步行者的步幅，还可以估算出所走的距离。

　　*关于手机闪信

　　手机闪信原理：利用手机上的闪灯，在光线较暗的环境下，通过快速左右摇动手机，利用人类视网膜延时现象，造成视觉残像，从而形成连续的光影信号，令受信者视觉产生连续信息。

　 　手机闪信功能的实现：采用MCUC8051F313和MEMSIC加速度传感器MAX6500；C8051F313接收要显示的信息，并驱动相应的 LED；MAX6500检测加速度在X轴和Y轴的分量变化（力的大小和方向），并送给C8051F313；C8051F313分析MAX6500检测到的 加速度信号，对要显示的字符方向实现自动翻转。

　　*手机闪信和计步器对MCU的要求

　　体积要求苛刻：手机对MCU提出的 要求极其苛刻，要在尽可能小的尺寸上提供最多的1/0口；C8051F313在5×5mm的封装上提供了25个I/O和模拟输入16个I/O口用来驱动 16个LED；2个模拟输入用来采样加速度传感器输出；1个标准2线的控制器用来与Baseband CPU进行通讯。

　　严格的低功耗设计：在STOP模式下功耗小于1μA；良好的I/O口设计确保待机时I/O对外阻抗很高，在兆欧级以上，有效切断I/O口待机功耗。

　　完善的大批量生产要求：一旦生产，编程数量将非常巨大，具有完善的量产编程方案，快速的手持编程器，无需PC参与，无需操作员熟悉编程方法，具有boot程序，在手机开机时自动加载应用程序，通过C2编程接口进行编程。又具有良好的保密功能。

　　描述

　　此解决方案使用近场通信 （NFC） 技术实现了无电池键盘。此解决方案的核心部分是可以由主机微控制器读写的 TI 动态 NFC 标签。支持 NFC 的手机可以快速发现并识别该键盘，然后在键盘和应用程序之间建立连接。此设计是无电池系统（即，无需电池即可工作），客户可以利用该系统构建具有优化尺寸 的产品（例如薄键盘）以及重量更轻的产品（例如易于携带）。
 

　　特性

　　无电池解决方案

　　标准 PC/AT 键盘字符集

　　大于 400 个字符/分钟的输入能力

　　MSP430 MCU 和 RF430CL330 标签的功耗都约为 20 mW

　　用于能量收集的低成本 PCB 线圈天线

　　提供 Android 测试工具和 InputMethod 应用程序

　　原理框图

无电池近场通信 (NFC) 键盘原理图

　　硬件框图

无电池近场通信 (NFC) 键盘硬件框图

　　相关器件

　　1.（TI）MSP430FR573x MSP430FR572x 混合信号微控制器

　 　德州仪器 （TI） MSP430FR573x 系列超低功率微控制器由多个器件组成，这些器件特有嵌入式 FRAM 非易失性存储器，超低功率 16 位 MSP430 CPU，以及针对多种应用的不同外设。 此架构，FRAM，和外设，与 7 种低功率模式组合在一起，针对在便携式和无线感测应用中实现延长电池寿命进行了优化。 FRAM 是一款全新的非易失性存储器，此存储器将 SRAM 的速度，灵活性，和耐久性与闪存的稳定性和可靠性结合在一起，总体能耗更低。 外设包括一个 10 位模数转换器 （ADC），一个具有电压基准生成和滞后功能的 16 通道比较器，3 条支持 I2C，SPI，或 UART 协议的增强型串行通道，一个内部 DMA，一个硬件乘法器，一个实时时钟 （RTC），5 个 16 位定时器和数字 I/O。

　　功能框图

MSP430FR573x MSP430FR572x 混合信号微控制器功能框图

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　　2.RF430CL330H 动态 NFC 接口转发器

　 　德州仪器 （TI） 动态 NFC 接口应答机 RF430CL330H 是一个 NFC 标签类型 4 器件，此器件将一个无线 NFC 接口和一个接线 SPI 或 I2C 接口组合在一起，将此器件与一个主机相连。 SRAM 内的 NDEF 消息可由集成型 SPI 或 I2C 串行通信接口写入和读取，而此消息也可通过集成型 ISO14443B 兼容 RF 接口（支持高达 848kbps 数据速率）进行无线存取和更新。

　 　这可实现针对替代载波的 NFC 连接切换，如同，低功耗 （BLE），和 Wi-Fi 等，只需一次敲击的简便且直观的配对过程或认证过程。 作为一个常见 NFC 接口，RF430CL330H 使得终端设备能够与启用 NFC 的智能手机、平板电脑和笔记本电脑的快速增长的基础设施进行通信。[page]

　　功能框图

RF430CL330H 动态 NFC 接口转发器功能框图

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　　3.TPS70933 具有反向电流保护的 150mA、30V 超低 IQ、宽输入、低压降稳压器

　 　TPS709xx 系列线性稳压器是设计用于功耗敏感类应用的超低静态电流器件。 一个精密带隙和误差放大器在温度范围内的精度为 2%。 只有 1µA 的静态电流使得这些器件成为要求极小闲置状态功率耗散的电池供电类常开系统的理想解决方案。 为了增加安全性，这些器件还具有热关断、电流限制和反向电流保护功能。通过将使能 （EN） 引脚下拉至低电平可将这些稳压器置于关断模式。 这个模式的关断电流低至 150nA（典型值）。

　　功能框图

TPS70933功能框图

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　　NFC产品使用指南

　　引言

　　随着人们生活水平的不断提高，家庭防盗这一问题也变得尤为突出。传统的机械 锁因其结构简单、安全性差等缺陷，已经逐渐被淘汰，电磁锁由于其保密性高、使用灵话、安全系数高，逐渐进入千家万户。如果在一个家居系统中有多个门，就需 要一套综合的门控系统，这样就可以监控所有楼门的开关。

　　参考文献设计的门控系统是以AT89S51单片机为控制核心，系统功耗较大，使 用成本较高，所以其应用具有一定的局限性。参考文献设计的门控系统利用局域网进行组网控制，所以制作成本较高，而且应用范围有限。针对以上缺点，本系统采用MSP430系列单片机CCA30F5135芯片为控制核心，其不但具有 MSP430系列单片机的低功耗性能，而且具有RF无线收发器的功能，RF无线功能可以实现对门进行无线控制，方便用户使用，而且低功耗特性使得使用成本 较低，达到了目前应用的要求。

　　1 门控系统运行原理

　　本系统主要由两部分 组成：一部分是中央控制中心，其主要作为管理中心，用户可以监控所有楼门的开关状态；另一部分是门控模块，其作用主要是控制门的开关，并且将门的开关信息 传送给中央控制中心，包括键盘电路、显示电路、报警电路和开锁控制电路等。系统整体框图如图1所示。

图1 系统整体框图

　 　本系统采用电子密码锁控制开关门，电子密码锁相对于射频卡成本较低，而且可以随时更改密码，安全性较高。当需要开门时，首先从矩阵键盘输入6位数密码， 其初始密码由程序设定，输入完密码后按开门键开锁，如果想清除输入可以按取消键，按键时均会有“短滴”声提示。若输入的密码正确，密码输入正确指示灯 亮，LCD显示“密码正确”，并且输出一个打开电磁锁的信号；若密码输入错误，则密码输入错误指示灯亮，LCD显示“密码错误”。如果在6 s内无任何操作，则清除所有输入内容。如果某个门控模块有密码输入情况，门控模块内部的CC430F5135单片机会通过内部集成的RF无线收发器，将有 人输入密码开门的信号传输给中央控制中心，这样中央控制中心就能知道所有楼门的情况，中央控制中心通过一个LCD显示所有的楼门开关情况。如果用户想打开 或者关闭某个门，则只需要通过键盘找到门号并输入相关指令。门控模块和中央控制中心均以CC430F5135为控制核心，如果在40 s之后无任何操作，单片机就会进入到低功耗模式。

　　2 系统硬件设计

　　门禁控制系统的硬件设计包括中央控制中心设计和门控模块设计，下面就各个部分进行详细介绍。

　　2．1 中央控制中心设计

　 　中央控制中心和门控模块都是以MSP430系列单片机CC430F5135为控制核心，其内部集成的RF无线模块节省了外部扩展的无线通信模块，降低了 成本。CC430F5135是TI公司MSP430F5xx MCU与低功耗RF收发器相结合的产品，可实现极低的电流消耗，从而使采用电池供电的无线网络应用无需维修即可工作长达10年以上；此外，微型封装所包含 的高级功能性还可为创新型RF传感器网络提供核心动力，以向中央采集点报告数据。CC430F5135为16位超低功耗MCU，具有16 KB闪存、2 KB RAM、CC1101无线电收发器、AES-128和USCI，供电电压为1．8～3．6 V，正常工作模式消耗电流为160 μA／MHz，低功耗模式3消耗电流为2．0μA。

　　2．1．1 CC430F5135的RF无线收发模块外围电路

　 　CC430F5135内部集成了CC1101无线电收发器，本系统的RF频率设为315 MHz，信道间隔为540 kHz，数据传输速率为250 kbps。在本系统设计中，发送功率最大可以达到-96 dBm，实际应用中还可以根据发射距离的远近设置发送功率的大小，这样可以使功耗达到最低。其电路如图2所示。CC430F5135的供电电源为两节5号 电池，其电压为+3 V，外接晶振为26 MHz。RF_N和RF_P为RF无线电发射引脚，两引脚外接天线，其功率可以达到-96 dBm，传输距离可以达到200m左右。

图2 CC430F5135的RF无线收发模块外围电路

　　2．1．2 LCD显示模块

　 　考虑到设备低功耗的要求，所选的显示模块必须达到低功耗的目的。本系统采用了LCD12864作为显示模块，其供电电压为4．5～5 V供电，工作电流为3 mA，低功耗、长寿命、高可靠性。模块内自带2个液晶显示驱动芯片，分别控制显示屏的左区和右区，每个驱动芯片都带有512字节的RAM，其与 CC430F5135的硬件连接图如图3所示。其中LCD12864采用+5V供电，+3V电压经升压芯片转换成+5 V后供给LCD12864。单片机的P1口作为控制LCD12864的控制口，P2口作为数据口与LCD12864进行通信。因为CC430F5135端 口输出电压为+3 V，而LCD12864的端口电压为+5 V，两者的端口不能直接相连，所以需要一个电压转换芯片来解决电压不匹配的问题。本系统采用TI公司的双电压供电双向驱动器SN74 ALVCA24_5来实现电平转换，一边是3 V，另一边是5 V，这样就较好地解决了3 V与5 V电平的转换问题。

　　
图3 CC430F5135与LCD12864接口电路

　　2．1．3 4×4矩阵键盘硬件电路

　 　4×4矩阵键盘硬件电路图如图4所示。本系统采用中断方式来确定按键的输入，因为CC430F5135内部的P0口全部都可以当作外部中断口，所以只要 其中的任一按键被按下，那么此时其中两个端口的电平就会突变，这样根据内部预先设定好的程序，就可以知道哪个键被按下。键盘有数字键和功能键，数字键用于 密码的输入，功能键有取消键、确认键、左移键、右移键、开门键和关门键。其中的取消键是用于删除输入的密码，确认键用丁确定输入正确，开门键和关门键起开 关门的作用。当中火控制中心需要开关某个门时，就可以按左移键或者右移键来选择要开关的门号，选择成功后按开门键或者关门键就可以开关门。

　　
图4 4×4矩阵键盘硬件电路

　　2．2 门控模块设计

　 　门控模块包括CC430F5135的RF无线收发模块电路、LCD硬件电路、键盘硬件电路、继电器驱动房门硬件电路和蜂鸣器指示灯硬件电路等。 CC430F5135的RF无线收发模块电路，LCD硬件电路和键盘硬件电路与中央控制中心的设计基本相同，在这里就不再介绍。下面主要介绍蜂鸣器指示灯 硬件电路和继电器驱动房门硬件电路。

　　2．2．1 蜂鸣器指示灯硬件电路

　　如图5所 示，CC430F5135通过控制三极管的开通与关断去控制蜂鸣器和指示灯的导通与关闭，从而达到指示的目的。CC430F5135单片机的 P3．0、P3．1和P3．2口通过控制输出信号的高低电平来控制三极管8050的导通或截止，从而实现相应的功能。如果P3．0口为高电平，三极管导 通，则蜂鸣器发出响声，如果P3．1和P3．2置高电平，则红色指示灯或绿色指示灯会亮。其中红色指示灯的作用是警告密码输入错误，绿色指示灯则表示密码 输入正确，并且门会打开。

图5 蜂鸣指示灯及继电器驱动房门硬件电路

　　2．2．2 继电器驱动房门硬件电路

　 　此电路功能是当输入密码正确并按开门键或者关门键后，可以自动使楼门开通或者关闭。本系统采用CC430F5135控制继电器开通，进而控制旋转电机工 作去控制门的动作。为了保证继电器稳定而可靠的工作，选用HJR-3FF-S系列继电器。此继电器负载端电压可以加到250 V（AC）／30 V（DC），在环境温度为-30～+60℃时可以工作1×105次以上。其额定工作电压为+5 V，额定工作电流最大为70 mA，因为CC430F5135的I／O输出为+3 V，所以不能直接驱动继电器工作，需加一个三极管8050作为开关来控制继电器的开关，继电器通过接收CC430F5135的控制信息完成相应的控制动 作。

　　3 系统软件设计

　　门禁控制系统的软件设计包括中央控制中心的软件设计和门控模块的软件设计。

　　3．1 中央控制中心软件设计

　 　中央控制中心程序流程如图6所示。在开机运行时，中央控制中心利用无线模块给所有的门控模块发送一条指令，要求所有门控模块将此时其控制的门的开关状态 报告给中央控制中心，这样中央控制中心就会知道所有门的状态。如果其中有一个门的状态改变（开或关）时，这个门的门控模块会利用内部的RF无线收发模块将 门的状态信息发送给中央控制中心，这样就能不断地刷新中央控制中心的数据。如果用户想控制一个门的开通或者关闭，则只需要按左移或者右移键选择要打开或者 关闭的门号并按确定键，选择开门或者关门功能，此时中央控制中心就会发出一条控制指令给相应的门控模块，达到开关门的目的。

　　
图6 中央控制中心程序流程

　　3．2 门控模块程序设计

　 　门控模块程序流程如图7所示。在系统运行时，CC430F5135单片机会一直处于低功耗模式中，这样可以达到降低功耗的目的。当有按键被按下或者发生 RF无线接收中断时，单片机会从低功耗模式中被唤醒，开始判断键盘输入指令或者接收的控制指令。如果是键盘输入指令，单片机会根据输入的指令要求执行相应 操作。如果输入密码正确并且按下开门键，单片机的P3．3口会置为高电平，继电器闭合，门被打开，同时绿色指示灯亮；如果密码输入错误，单片机会发出长警 告音，并且红色指示灯亮，警告密码输入错误。在这两种情况发生时，单片机都会通过无线模块将有人输入密码的信息传送给中央控制中心。如果是RF无线接收中 断发生，单片机会接收数据指令并判断指令功能，执行相应操作。

　　RF无线中断子程序：

　　结语

　　本文设计了一种基于CC430F5135的门禁控制系统。此系统可以实现无线门禁控制，制作成本和使用成本都较低，且达到了目前低功耗的要求。经过测试，系统运行稳定可靠，有较好应用前景，适用于整个楼宇的控制。

　　在消费电子领域，便携式电子产品由于体积小、质量轻的特点越来越受到消费者的喜爱，已成为人们生活中不可缺少的部分。基于这个思路，我们设计了 一款便携式心率计，它可以替代用脉搏听诊器等进行测量的传统方法，使用非常方便。该产品主要包括三个部分：信号的采集、数据处理以及LED 显示和报警电路。

　　系统总体设计

　　图1 系统结构框图

　 　如图1 所示，从传感器检测到的脉搏信号转化为电压信号送入电压跟随器，起到缓冲的作用，使前级和后级隔离开来，避免相互干扰。输出的信号经前置放大后送入高通滤 波器，以滤除传感器的热电干扰，再经过低通滤波器滤除环境中的高频干扰。处理完的信号送入后级继续放大以便得到干扰小且清晰的信号，此信号经比较器和二极 管整流后直接送入单片机处理，以驱动显示电路和报警电路。[page]

　　系统硬件电路原理图

　　图2 为电路原理图，下面对各模块进行逐一描述。

　　图2 系统硬件电路原理图

　　1 电压跟随和前置放大电路

　　电压跟随器的输入信号，即脉搏传感器信号从V+端输入，反馈电阻置零，构成一个同相跟随器，起到缓冲作用，隔离前后级的影响。心音脉搏放大器的功能是将mV 级的心音信号放大到V 级，以供显示和记录使用。

　　根据心音脉搏信号的特性，要求放大器具有以下特性：

　　1、足够高的增益，约800 倍。

　　2、有合适的频带宽度（0.78～ 3.33Hz）

　　3、因为心音脉搏信号比较微弱，干扰和噪声比较大，要求电路有高输入阻抗来减小信号的损失，有高共模抑制比（大于80dB）来抑制干扰和噪声。

　 　由于在实际应用中，外界信号的干扰，以及考虑到放大器的稳定性，一级放大器不能实现如此大的增益，所以电压放大器一般由两级组成。其中，前级采用负反馈 差动放大电路，以提高共模信号抑制比。此部分的关键是如何抑制各种噪声，避免让噪声窜入后级电路。因此在系统中，采用基于双运放电路的微功耗仪表放大器 LM358 作为心音脉搏信号的前级放大器。为防止产生非线性失真以致损害电路的共模抑制比，该部分的放大倍数不宜过高，选择为1000 倍左右。

　　电压跟随和前置放大电路

　　2 高低通滤波器电路

　 　在本设计中，信号频率较低，在 0.78～3.33Hz 之间，因此滤波器的设计成为本电路的关键。首先，要经过一个0.5Hz 的高通滤波器，以滤出传感器的热电干扰，然后再经过一个低通滤波器以滤除心音信号的绝大多数干扰。在实现电路中，普通的滤波器已经很难对这么低的信号进行 滤波，因此在本设计中采用增益变化较平坦的巴特沃斯滤波器。其中，高通为二阶的巴特沃斯滤波器，低通为截止频率为5Hz 的巴特沃斯滤波器。图3 为低通滤波的原理图。

　　图3：低通滤波原理图

　　图3：低通滤波原理图

　　3 后级放大和比较整流电路设计

　 　心音信号经过前级放大后，幅度还未达到理想的应用值，且还有一定的干扰，因此需要后级放大器继续放大，以达到使用要求。整个电路采用一般的反向放大器模 块电路。比较整流电路的作用是将处理后的信号转化为不含负脉冲的方波，以送入单片机进行处理。该电路由一个过零比较器和整流电路构成，由于送入单片机的信 号要求为正电压，所以经过整流电路后，信号将全部转化为正跳沿的方波。

　　4 单片机控制电路

　　本部分主要包括单片机控制显示电路以及驱动蜂鸣器的报警，具体电路如图4 所示。

　　图4 单片机控制电路

　　图5 为单片机程序流程图。

　　图5 单片机控制流程图

　　20 帧标准Jlink 接口：

　　20 帧标准Jlink 接口

　　本系统电路的软件部分能够精确跟踪微小心电信号的频率。所采用的技术是单片机的中断捕获功能以及数学算法误差消除、硬件结构误差消除。

　　5 电源管理模块

　　本电路采用9V 锂电池供电，对于大多数电子产品而言，具有普遍性和方便性。由于此单片机为低功耗工作模式，我们通过7805 和LM1117 稳压芯片提供±5V、3.3V 的工作电压，然后给各个模块供电。

　　电路测试与数据分析

　　实际测出的值与理论计算的值有所差别，且当输入信号较弱时，输出信号受干扰较大。本电路中，跟随器就受到传感器的很大干扰，因此在实际的测量中，一定要注意电路的抗干扰能力。外部时钟晶振为32768Hz，对其进行1/2 分频。

　　结论

　 　本设计通过数模混合电路结合单片机控制的设计实现了对心率信号的实时测定，并能发出警告。整个电路尽量考虑到各方面的因素，做到线路简单，减小电磁场干 扰，充分利用软件编程，弥补元器件的精度不足，另外由于引入了世界上超低功耗的ARM—EFM32，使得待机时间超长，功能升级空间也很大，还可以以该设 计为基础加载其他功能，使其功能和结构更加完善，扩展至对人体其他生理状态的测定。