单片机低功耗设计十年硬件老司机，结合实际案例，带你探索单片机低功耗设计|设计与开发|上海羊羽卓进出口贸易有限公司

十年硬件老司机，结合实际案例，带你探索单片机低功耗设计

经过了多年的低功耗硬件设计 （公司硬件设计和软件设计是分开的，我一直是做硬件，在面对低功耗生产事故中做硬件的往往很苦逼），其中容易出的一个问题是单片机进睡眠模式前IO没配好 ，产品上主要出的问题是这些出问题的IO比较隐蔽，当时经过多次测试也没测试出来，后来在生产或现场才发现的概率性功耗偏大 的问题。

站在硬件的角度，最近才意识到原来软件上一直容易犯的一个毛病是进睡眠前没有把所有IO重新配置一遍 ，这样容易导致IO低功耗的BUG出现。

这个心得总结起来是：要求在进睡眠模式前把所用的单片机的所有的IO从代码上1个IO接1个IO的配置一遍。不要偷懒，不要多个IO一起配置。

分析：

外设时钟

外设的时钟没关，单片机内部模块没关等，部分单片机进睡眠后自动会关闭，部分不会自动关闭的，没关的话当场测试功耗就偏高，会马上发现的。所以这些在实际生产中都没出过问题。

IO配置

1个IO接1个IO配置，不要多个IO用类似BIT1|BIT2……，|=0xxx这类一起配置。因为代码上越是直观，出现笔误的概率越低。 而且我们核对IO的时候都是一个IO一个IO的去核对配置对不对。所以代码上依次写一下其实花了不了多少时间和代码空间的。花个5到30分钟撑死，但是后续节省的时间和金钱就不好说了。人的总是有惰性的，我自己写代码的时候之前进低功耗前也只是配置了一部分，现在慢慢开始习惯全部配置 ，很多配置可以复制之前的IO初始化（这个已经养成了1个IO，1个IO的配置，改起来其实很舒服的）。

案例分析

实际出现的最麻烦，最隐蔽的情况往往跟IO的配置有关，越简单的往往越容易出问题。

1、比如大多数情况下程序从A子程序进入睡眠后IO配置没问题，经过大量测试也没发现问题。但是当某次执行了B后再进睡眠，B中对IO进行了操作，再进睡眠没有把IO改回来 ，这时问题就可能出现了。而要是执行C,D……等程序再睡眠都不会出IO的隐患。

案例： 产品在客户那里发现有50%左右放了一段时间后电池耗光。研发 百思不得其姐 ，多次查看代码没发现问题，之前也没出现死机的问题（死机后会导致不能进低功耗，功耗超高）。派人去现场测试，进过大量测试后发现一个IO部分产品输出高。导致电流多了1mA左右。原因是客户上电做了秒脉冲输出，下电后产品就用电池供电了。客户下电前没有配置关闭秒脉冲输出，程序下电后也没有把IO配置回来， 导致有50%的概率IO输出高电平。

2、一个产品已经生产了几万台，一直没发现问题。后来换了一家PCB厂家后，生产发现功耗个别产品偏高个10uA左右， 研发拿回来分析，发现换了芯片就好了。但是生产出现百分之几的功耗不好的情况，芯片不可能出现这么大概率的损坏。430芯片，走正规供应商的。再一个IO一个IO的查找，通过手摸IO最终发现一个连光耦输入端的IO配置的是输入模式。换了芯片好了是因为焊接过，板子变脏，电阻变小，IO有一个比较固定的偏向与GND的电压，因而没问题。之前没问题可能是板子的阻值比现在的这家小了点，或当时生产的时候湿度大点，或光耦的反向漏电流大些，也是各种可能了。软件发现这个IO本来是配置没问题的，中间不知道哪里配置过或配置别的IO时不小心连这个IO也配置了。总之当时没搜到这个IO的配置哪里改动了，只是在进低功耗前重新配置了下这个IO。

3、产品上使用的一个外购低功耗RF模块的IO问题。使用CC1101和430F2132。都算低功耗的芯片吧。前后找了2家开发模块，第一家2132一个IO没配置好，生产阶段发现部分产品功耗偏高。后来是因为领导的原因换了家做无线的厂家来做这个，还是CC1101+2132方案。照理来说之前犯过错误应该吸取经验教训了吧。并且软件人员也是老手了。结果生产是没问题，发货到客户那里还是发现了个别产品出问题， 最后还是发现一个IO没配置好状态。

4、以上心得很简单，但是是付出多次时间+金钱得出的惨痛心得。 而且这些都是软件的问题，但是功耗问题往往第一个找个是硬件：你设计的产品功耗偏高，电池没电，你查查看，哪里出问题了。 做硬件的又开不到代码，软件人员往往开始还不承认IO配置上有问题，尤其是之前找外面厂家开发的模块，他们的意思是，我做软件xx年了。开发了这么多产品，这么简单的一个产品怎么会出问题 ，是你们自己的产品没做好才出的问题。苦逼的硬件工程师没办法，只能自己想各种办法找到出问题的那个IO。软件人员经过改代码对比测试才完成，但是软件最后还是不会说自己的代码有问题。

5、关于IO的问题。430单片机IO设置是最弱的 ，大部分没有上下拉电阻，默认是输入状态，没配置IO就容易出功耗问题，ST的相对好的多，51的IO默认的51状态有上拉电阻，没用到的脚不去配置也不会出问题。空的IO我之前喜欢配置成输出0状态，最近在用STM8S看了下代码发现喜欢配置成上拉输入状态，STM8S没下拉电阻，STM32有，配置成下拉输入状态更好些，不小心碰到不会对外输出电流。题外话： 关于单片机的低功耗模式之前没深入了解STM32，最近才发现进最低功耗的STANDBAY模式RAM中数据对丢失，这点不如8位机，之前用STC的51和STM8系列从不担心ram数据丢失的问题。看STM32L系列进最低功耗也有这个问题，只是可以掉电保的RAM区域分的更多，更大。

节约到极致，谈谈单片机低功耗设计

所谓智能硬件至少是单片机控制系统。那么现在，有许多单片机应用领域，都是用电池供电，节能成为设计工程师肯定是普遍关心的问题。今天，就说说追求极致节约下的单片机低功耗设计。

进入掉电模式

现在有很多的低功耗的片子，特别是在进入掉电模式之后，只有1uA的电流。也可以使用电源管理的方法，在不工作的时候，把系统电源关断，这样更省电我用了很久51芯片，本来对它的功耗非常不满，但是因为其价格越来越便宜，本身的性价比依旧很好，所以总也甩不掉。

1、休眠。 一般的系统都不会到了忙不过来的地步，适当的休眠还是可以节省一些功耗的，在一些简单的系统，多抽时间休眠成了省电的关键，你看别的芯片都不耗电，只有单片机了，它就是关键了，在有些时候，提高主频反而会获取更多的休眠时间，反而使系统功耗更小了。但是值得注意的是，经常性的切换休眠和工作状态会让电源产生mV级的波动，特别对于很多线性稳压器只有100mA以内的输出能力的情况更明显，这样的波动或许会影响系统内的AD和一些其他模拟电路，值得注意。

2、掉电。 如果进入了掉电模式，很多51芯片是无法通过中断重新开始工作的，可以外加一个微功耗的单片机来提供复位，这个单片机只负责键盘扫描和复位51单片机，以及发送键盘编码到51芯片。我以前见过一个手持设备，耗电很小，但是包括了大容量存储、显示、输入、数据输出、检索等功能，平时89C51总是处于掉电状态，但是有了键盘操作后，就复位开始运行，处理完键盘送来的任务之后又自动掉电了。

3、复杂运算。 复杂运算(譬如指数运算、浮点乘除)一定会占据更多系统时序，响应减少休眠时间，可以通过查表方式，这样用大容量的表格代替了现场计算，更多的时间不就可以睡觉了吗?

4、如果软件任务少到一定程度，那么可以考虑把晶体搞到32k去运行 ，其实这样更省电，但是这意味着51软件基本没什么高速的事情做，也不需要串行通信，否则，还是老老实实面对现实吧。

51芯片用于电池供电的系统不是很合适，但是从开发周期看，它的开发环境很好，毕竟可以承载8位机的相对大型的应用，有时候又不得不用它。我觉得距离51最靠近的AVR单片机更适合将来的应用，因为其性能价格比相对其他单片机还是不错的，除非51芯片可以将来做到在3MIP下，工作电流小于2mA，休眠电流小于500uA，掉电电流小于10uA。

在很多的设计中，采用线性降压的方法，电源损耗大，如提高供电电压，并用高效率的DC-DC电源，可延长电源使用的时间89C8252掉电工作，看门狗做“系统运行时钟”同时把看门狗复位“软件模拟成看门狗中断”“狗”叫一次跳起来看看，“RAM值班室登个记”，同时还登记下当前PC+1的值，然后“睡死”过去!

平均功耗不大于5V/0。3MA，而且有很强的抗干扰性!

软件优化很重要!

如64MS一次“狗”叫!起来做40条指令，24MHZ下最多：40*0.5=20us。于是占空比：20/64000=1/3200 即平均电流下降3200倍!!! 外设会受复位改变吗？当然！但锁存器干什么啊？！如何知道程序能运行多久?下一条运行指令运行到那？如果任何时刻，你自己编的程序运行在那个片区，你都不知道，那还叫什么搞软硬件的要天人合一啊？！

系统任务不忙的情况下，你的看门狗定时复位方法还可以，但是。。。好多情况下似乎做不到呀。我的51系统只有200微安省电是个大难题，特别是51，但只有用心还是可以做到的，特别是工作任务少的时候。

我的一个水文遥测系统，用12伏电池供电耗电只有200微安，有8Mbit data flash，一个调制解调器，一个时钟，一个485通信口，一个232通信口，还有6个数码管，是不是够多的了，但它们平时都不工作，我也是用看门狗复位来唤醒51单片机的，每1.6秒一次，用的是x25045，可是25045的复位时间有200毫秒之多，实验发现，51从掉电返回到正常工作只要有30个毫秒足了，别小看节省的这一百多毫秒，因为51在每次醒来是只要发现没有任务就可以马上POWERDOWN了，所以加了一个CMOS的单稳来复位。

其它的就是口线的状态一定要注意，不要让它吸收电流也不要输出电流，要是做不到可以试着加一此电路，如反相器.

稳压电源是个要权衡的事，虽然开关稳压有较高的效率，但在低功耗设计不一定对，开关电源本身消耗的电流就是一个大问题，一个微安级的系统也许要特别对待，我用的是Max667线性稳压数微安静态电流.我想开关电源做不到对于外部事务频繁的应用，无法使用掉电方式虽然很多51芯片支持外中断触发芯片脱离POWER DOWN状态(如华邦的W78E58、W77E58)，但还是解决不了串行通信的问题，而且对于需要内部精确定时的场合，从POWER DOWN到正常工作需要很长时间，这个恐怕还是难于让人接受。莫非没有一个厂家可以产出高速小功耗的51芯片?没到理呀，PHILIPS不是玩了很久吗?怎么弄出的芯片在12MHz下还是大于10mA，休眠也有几个mA，这也吹牛没下功夫嘛!

用51做低功耗，太累了低功耗多得是，象PIC、EMC轻松做到20uA以下，51有POWER DOWN，但只能复位唤醒，有少数可用INT唤醒，太麻烦。有些有双晶体的单片机，做低功耗最简单，平时用32768工作也只有20uA，这种单片机一般带有LCD。EMC内有PLL单片机做功耗系统很方便，象78565，567，功能强价格低samgsung的单片机可以做到565匠人也用过。

平时进IDLE模式，功耗只有几个UA分级供电和外部唤醒确是一种可行的办法在分级供电中要注意的是如果电源是小电流的稳压器件最好有一个比较大的蓄电电路，要不然单片机唤醒和上电时可能会起动不了，而且可能会进入一个不希望的振荡期，比如单片机要起振，电流增大，这时电源供不起，电压就下降，引起的是单片机又停振电压又回升！

所以一个合理的电源管理电路就显得很关键，这方面的专业IC将是未来一个很有前途的产业!这个IC应有一个内部低速的定时器和一个专门的蓄电管理电路，当电路进入低功耗后应该将蓄电电路冲满以备唤醒和大功耗时用，这种电路主要用于小电流供电的环境，它可以为小电流供电环境提供一个短时间的大电流工作。另外单片机的耗电除了核本身的耗电外，大多是IO口的耗电，大家可以通过降低主频，将IO口置在比较合适的状态来达到一个比较省心又省力的方式。而且不全理的频繁唤醒有时会带来更多的电耗!

用TI的单片机MSP430系列非常省电。正常工作时几百微安，掉电时约1微安87LPC76X低功耗51，32k时20uA使用双振的单片机，在系统不忙的时候使用32768的晶振，同时进入SLEEP这样处理通常耗电都在几个uA.在处理SLEEP唤醒后的程序需要小心处理，特别是台湾的单片机，有时厂家给出的资料都要小心。

大家不要以为更换CPU是很难的事情，仅仅用2周就能更换成功CPU先天不足，51低功耗没前途的MSP430，M16等有很多低功耗单片机，功能强，又是精简指令，全天uA级工作成本也是关键，不一定非要低功耗器件。我觉得要很好的利用单片机的中断和休眠功能，单片机尽可能的处于休眠等待状态，同时注意空闲IO口的状态，输出的最好置低，输入的要视外围电路而定，不用的脚要处理好，不是简单不接就可以的

另外，外围电路可以做分区域的电源开关，不用时，关闭电源，并将与其相连的单片机的IO口置低，减少信号线馈电。不知说的对不对。

刚开始做电池产品时，只有8031 ，考虑用PSEN什么的控制外部RAM，休眠方式，但是还是在十毫安级。现在好了，有许多型号单片机本身就是低功耗，为了减少体积，还要追求更低。

1.系统设计，好的系统设计是降低功耗的关键 。减少外围器件，降低晶体频率。可以采用带lcd，ad，实时时钟功能的单片机，即降低成本，又减少了故障率，可谓一举两得.HOLTEL，PHILIPS，PIC 都有此类单片机。低的主频也可以降低功耗，如ZILOG的单片机可以程序控制对主频的分频，在不忙时把频率降低，需要时在提高。 HOLTEK的可以采用双频率工作，高主频可以关闭，32768可以提供内部精确计时，还可以激活休眠的单片机工作。

2.降低系统电压，可以降低功耗。

3.合理处理不用的IO口，最好设为输入态。 对外围电路也要考虑，如光耦，尽量使其导通态<断开态。驱动三极管的状态。还有就是上拉，下拉电阻值，太小也会造成漏电。

Mega8的一个特点是带有内部的RC振荡器，别小看他，他与晶振的不同之处在于他的起振时间很短，只要几uS，而晶振一般要几十mS，所以低功耗设计时一定要用，430的宣传不是也讲起动时间6uS吗，那一样是指的RC振荡开始工作的时间。我得设计静态电流50uA，实际只是LCD模块的电流，单片机平时处在掉电的状态。

每隔1S倍液晶模块唤醒一次，作一次显示的刷新工作，耗时约4mS，正常工作时如果有脉冲来的话，就作一些运算，脉冲频率50Hz，每次运算不过200uS，这样下来，正极的功耗大大降低，加上一些外围电路，平均在100uA以下.