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篇1
【要害词】微操控器;软硬件;抗搅扰规划
跟着微操控器在各个范畴中的广泛运用，其关于现代工业的奉献也越来越大。微操控器的抗搅扰功用好坏，是影响着工业出产安全和日常运用感触的重要要素，因而有必要要高度重视。可是，由于周围环境的杂乱状况，微操控器作业时会遭到多重搅扰。
一、搅扰构成的软件问题
微操控器内部的计数器的PC状况一般指向咱们需求其指定的地址空间的固定方位，可是，若PC状况被损坏，程序损失了安稳性，体系就会失控，CPU履行的指令也会随之发生过错，继续性的长时间过错，就会导致程序终究“死机”而无法运转。CPU与外部设备的接口非常灵敏，一旦发生搅扰，二者之间的查询-间断的作业办法就会被打乱。CPU不断的进行间断操作，重复到必定程度，就会引发体系的“死锁”成果。软件操控状况遭到搅扰，构成输出条件发生误差和过错，然后引起软件操控的逻辑处理失灵。
二、软件处理搅扰问题的对策
,一规划程序进行自检
工程师针对微操控器内部的某些单元设定特别标志，规划随开机主动发动的自检程序，对微操控器进行不断的循环检测，以确保体系能够一向正常运转。
,二冗余技能
冗余技能气氛指令冗余和数据冗余两种办法。
1.指令冗余
程序指令多为双字节、三字节或多字节，超越单字节的指令在微操控器的内部计数器发生PC值紊乱时简略呈现“乱飞”现象，频频发生程序死循环。因而，操作指令应该尽量多用单字节，并在恰当的当地进行人为重写操作或灵敏运用NOP指令，经过指令冗余的办法来防止搅扰构成的“死机”。
在双字节或三字节指令后紧跟着运用NOP指令，数量为两条最佳。这样能够确保PC数值指向操作数时，后边的指令不会被履行。需求留意的是NOP指令的数目问题，若NOP指令过多，将会影响程序的运转速度，因而，需求依据实践状况每隔几条指令刺进一条或一对NOP指令。如在跳转指令,LCALL、LJMP、JZ、JNZ、JC、JNC、DJNZ前或一些重要指令,SETB EA前刺进。
可是，刺进NOP指令的操作没有批改之前的过错，跟着过错的不断累积，终究仍会影响体系运转，因而，需求编写一些重要指令,常用RET、RETI、LCALL、LJMP、JZ、JC等，以使得体系遇到搅扰时不会失控，继续遵从着引导方向运转。
2.数据冗余
RAM是微操控器参数所存储的区域，分为运转和备份两个部分，微操控器断电易构成RAM的数据损坏，然后发生CPU履行紊乱或体系无法运转的问题。因而，能够经过备份操作来确保RAM数据的保存，体系复位后，运用备份文件康复RAM数据。RAM的备份区域主张再分，树立两层或多重备份，其间一份作为片内RAM存在，其它备份作为片外RAM，这样在片内RAM被仓库操作冲垮数据时，能够确保备份数据的可用性。总归，备份数越多，就越牢靠。还能够在RAM区规划专门程序进行数据的检测和自救，添加承认操作，完结多重确保。
,三运用软件技能制造圈套
本文之前说到的指令冗余办法适用于PC指向还处于程序区的状况，若PC指向现已飞到非程序区，就只能用软件技能来制造圈套了，即设置一个软件圈套,过错地址为ERR时运用NOP、LJMP ERR指令，将过错的程序引进专门的地址，以便程序能够对犯错问题进行处理。
软件圈套的设置有特定的方位：
1.正常程序不会履行到的当地。
2.表格尾部：为了确保表格的接连性。
3.不在运用状况的EPROM单元。
4.不在运用状况的间断向量区。
,四“看门狗”软件
这种技能办法适用于指令冗余和软件圈套都不起效果的状况。看门狗软件能够仿照人工办法，对程序实施监督，一旦发生“死循环”现象，就能逼迫程序回来特定区域，再经过其他处理程序，使体系康复正常。需求留意CPU会遭到PC值影响故看门狗不能依靠CPU，有必要能够独立操作。看门狗首要经过周期性的守时与CPU进行联络来确保体系正常运转。CPU一卡机就能发现，以确保体系能及时复位。以MCS-51型号为例，晶振频率设为6MHZ，可编程：
,五程序自救法
程序自救法即选用指令冗余和软件圈套还有看门狗技能来处理CPU失控的问题。遇到搅扰的侵略，程序会主动康复至初始进口。
,六滤波法
叠加的噪声搅扰由于其随机性的特征，简略构成丈量误差很大，因而需求经过滤波法进行降噪处理。低通滤波办法和滑动均匀滤波能够按捺周期性的搅扰，中位值滤波则按捺偶尔的动摇搅扰或仪器不稳构成的脉冲搅扰。
,七逃避法
鉴于软件操作比硬件操作要简略便利，因而面临电源过压、尖峰搅扰等强搅扰发生时，能够采纳逃避法。
在体系与大功率负载发生接通或间断操作时，运用软件规划间断CPU运转，避其矛头，这样能够削减体系的毛病频率。
如CHMOS微操控器具有待机、掉电两种办法，电源操控器PCON的DO值指向1则变成待机办法，计数器、指针、RAM信息主动保存;若要退出待机状况，可用硬件复位或RETI指令。
,八开关量软件
开关量软件首要是为了扫除占绝大大都的瞬时输入毛病，针对离散尖脉冲搅扰。
三、微操控器搅扰问题的硬件处理――电磁兼容规划
微操控器抗搅扰才干遭到其自身电磁兼容才干的约束，想要处理微操控器的搅扰问题，从硬件视点来说，便是要进行科学的电磁兼容规划。
,一按捺客观存在的搅扰源
按捺搅扰源的条件是找到搅扰源，然后极力下降搅扰源的du/dt和di/dt，或许为继电器加增续流二极管，为可控硅下降噪声。
图1
图2
,二切换耦合途径的搅扰
1.电源、接地线抗搅扰
微操控器电源剩下电网接通，电网中大型设备的起停会发生电压改动，对微操控器构成搅扰。这种电源耦合搅扰占搅扰原因的一大半，因而，需求将电源做好。在变压器能够加增一个滤波器，过滤掉较强的传导搅扰和脉冲搅扰，并约束正常电压;或许在电路板布线时选用粗直径的电线来下降耦合噪声，进一步削减噪声对电源线和地线的搅扰。接地电路的点多少以1MHZ、10MHZ为分界线，缺乏1MHZ，介于1-10MHZ与超越10MHZ的接地办法如图1所示。
2.阻隔
阻隔办法抗搅扰能够经过电磁或光电办法来完结。电磁阻隔首要经过变压器来切换环路构成独立无扰。光电阻隔则经过光电耦合进行无导线传递电流，这一办法能够按捺尖脉冲与噪声搅扰,见图2。
3.屏蔽
铜铝等原料的关闭金属盒能够按捺电场搅扰并屏蔽静电，能够用于灵敏器材的保护。
4.其他
余下还有许多硬件屏蔽搅扰的办法，如磁珠、多层板的运用，接插件、模仿电压输入线的装置办法等，都能够有用下降电磁搅扰，鉴于篇幅有限，这儿就不逐个赘述了。
四、结语
微操控器的抗搅扰规划触及的状况非常杂乱，其规划的好坏、完善与否，均影响着整个体系的功用发挥。本文从软件和硬件两个视点进行深入剖析，为实践开发作业供给尽可能全面的依据。
参阅文献
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[2]尹明，张金凤，刘吉军.微操控器体系PCB的EMC问题和抗搅扰规划[J].齐齐哈尔大学学报，2002,02.
[3]吴增桂.浅析电动机保护器体系抗搅扰规划[J].科技立异导报，2010,17.
篇2
微操控器,Microcontroller自上世纪70年代呈现以来，在将近30年的时间里得到了迅猛的开展和广泛的运用。跟着微电子技能的飞速开展，微操控器以其功用好、体积小、价格优、功用齐全等杰出长处被广泛运用于家用电器、核算和外设、通讯、工业操控、主动化出产、智能化设备以及仪器仪表等范畴，成为科研、教育、工业技能改造最得力的东西。从开端选用普林斯顿结构的简略微操控器到现在遍及选用哈佛总线结构的RISC微操控器，微操控器取得了飞速的开展。
8位微操控器现在运用数量最大的微操控器，也是现在最多公司努力耕耘的商场；其商场及价格竞赛都极为剧烈，各种多功用需求以及不同标准的产品移风易俗的速度也极为快速。跟着集成电路和半导体工艺技能的快速开展，FPGA和SOC技能的不断竞赛和交融，电子产品的规划逐步向体系功用更好、功耗更小、本钱更低、牢靠性更高、开发更简略的方向开展。因而，敏捷推出契合商场需求的高性价比、低功耗、高经济效益的8位微操控器芯片或IP Core成为了如今不少公司竞赛相逐的热门。
2.现在8位微操控器的更新和规划趋势
关于不同的微操控器,MCU产品运用，不只需求考虑不同厂家MCU的性价比，并且还需求考虑不同指令体系下MCU运用特色。针对不断涌现出来的新的智能化电子产品，们一向在开发适合于不同嵌入式体系运用的MCU新产品[2].不同厂家的MCU产品其指令集各不相同，特别是指令集体系架构的不同，如商场上广泛运用的MCS51系列和PIC系列微操控器则别离选用CISC指令体系和RISC指令体系。
微操控器依照指令体系能够分为CISC、RISC、类RISC,RISC-LIKE等几种。传统的MCS51操控器归于CISC型，其代码密度高，但大大都指令需求多个时钟周期完结。RISC型一般指令密度较低，但指令功率很高。类RISC型则兼有CISC和RISC的长处。RISC和类RISC之所以有如此高的指令功率，得益于小指令集带来的硬布线结构和流水线结构。简略的指令集能够用硬布线进行指令译码，而不需求用微码操控的办法，进步了译码的功率。流水线结构将指令分红几步完结，在流水线填满作业时，每条指令的均匀履行时间,CPI在1个时钟周期左右[3].一般来说，RISC比平等的CISC要快50%——70%，一同更简略规划和纠错。
因而，现在对8位微操控器的产品开发和研讨规划首要是以兼容商场上已被客户广泛选用的产品为条件，不断进步功用并下降功耗以习惯商场竞赛和技能开展。关于原先为CISC指令体系的微操控器产品，在层出不穷的更新系列中现已逐渐的交融进了RISC思维；关于选用RISC指令体系的微操控器来说，更多的做法仍然是针对高功用低功耗的需求对其整个体系架构不断地进行优化和改善，特别是流水线结构的改善最为多见。本文正是在种局势下提出的，首要评论RISC体系架构的8位微操控器产品的规划技能。
3.RISC微处理器的结构特征和规划准则
虽然现在业界对RISC 处理器应该具有什么特征还有不同的观点，可是各种RISC结构都有一些共性：,1选用哈佛总线结构，大大都指令在一个时钟周期内完结以便于完结结构流水化；,2选用独立且简略的装载/存储结构；,3指令解码一般都是硬连线完结而不是微解码，以便加速履行速度；,4大都指令具有固定格局，以简化指令编码和译码；,5较小的指令集和少量几种寻址办法；,6数据通道流水线化，使处理进程高度并行；,7选用大容量高速寄存器堆,或称为寄存器文件，尽量防止与速度较低的体系RAM交流数据。尽量将运算数据存放在寄存器中，然后削减拜访内存的次数。依据以上的评论，下文要点从体系架构的视点动身，就高功用、低功耗两方面临8位RISC微操控器在规划中的要害技能进行了讨论研讨。
4.要害技能
4.1 RISC指令集的选取
操控器体系的运用跟软件编程与硬件规划之间的标准接口密切相关，这个接口便是微操控器的指令集。指令体系结构,ISA是进行微处理器软硬件协同规划的条件。指令集有必要齐备，使一切可核算的功用都在合理的程序空间内得以完结；并且指令集又有必要是高效的，以便使常用的功用能够用相对少的指令完结。因而，供给给运用软件开发的微操控器体系有必要有一个齐备而高效的指令集。
指令集直接决议微操控器的内部硬件结构，一同也是用户程序编译生成方针代码的依据。指令集的终究承认与整个体系所需的程序存储器、数据存储器、寄存器变量及存储器寻址办法密切相关且彼此约束。各个部件乃至详细的字节都应该有仅有的地址，以便指令集能够正确对各个部件或字节进行辨认操作。因而也就有了相应的一系列针对不同产品的不同办法： 1从所需求的地址度和相应添加的寄存器来权衡指令的长度；2对指令进行分类并别离承认各类的指令字节格局，以简化操作操控信号的译码逻辑；3添加相应的寄存器以补偿指令字节长度的缺乏；4指令字节格局分配应考虑到相应部件的结构杂乱度及对应的寻址办法；5存储器、寄存器、I/O口是否一致寻址。以上所罗列的并不翔实也无先后顺序之分，应该一同进行剖析。相应的办法所对应的功用、功耗、规划杂乱度各不相同，应一致考虑。
对ISA进行功耗剖析应该从指令代码容量和指令履行功率两方面考虑。指令集巨细、寄存器变量、存储器寻址办法、流水线结构等技能的选定都和指令代码密度有紧密联络。研讨发现，在RISC的精简指令会集恰当添加一些特定的杂乱指令不失为进步代码密度、确保处理器高功用、低功耗的可行办法。因而能够发生高指令代码密度的指令集无疑是RISC低功耗规划的首选。
4.2 具有同享区的寄存器堆的分页规划
RISC规划思维的最首要特色是一切的操作都是面向寄存器的。运用寄存器——寄存器操作的指令进行数据传送，加速了速度，并且还简化了指令操控逻辑，缩小了硬布线逻辑构成的操控部件的芯片面积。
在指令中固定寄存器地址的位数必定约束寄存器的数量，可是引进高端处理器的分段、分页的规划思维就能够扩展寻址的规模。分段、分页的规划思维的底子动身点在于将存储器的线性地址分解成二维或多维地址；在指令中只表达最低维地址，而运用其它设备,如段号寄存器、页号寄存器用来存放高维地址。一般将寄存器堆分红若干个页，每个页有固定的巨细，在指令中只运用寄存器的页内地址。在体系专用寄存器中设置一个页号寄存器，经过改动其内容来切换对不同页寄存器的拜访。
为战胜单纯分页机制中的各种缺陷，一般选用具有同享区的分页规划，这样不只削减了指令中寄存器逻辑地址的位数，并且在任何时分都能够拜访体系寄存器，一同便于不同页寄存器之间经过同享区中的通用寄存器交流信息。当然还得有相应的逻辑地址到物理地址的映射的办法办法。
4.3 程序空间的分页规划
由于和寄存器堆相同的原因，在指令中若选用完好的程序空间地址，也会限制程序空间的巨细，所以对程序空间一般也选用了分页的规划思维，一同在不同页内设置了公共程序区,若指令长度彻底契合程序空间地址的要求，则无需此思维，其规划思维类同于具有同享区的寄存器分页规划，在此不再赘述。仅有与寄存器公共区不同的是：程序公共区是为程序在不同页之间跳转供给渠道。
4.4 流水线技能
流水线规划与8位RISC微操控器体系架构密不行分，是整个体系的规划中心，它的选用好坏直接影响到体系的功用和功耗。
流水线技能能最大极限地运用了微操控器资源，使每个部件在每个时钟周期都作业，大大进步了功率，但由于流水线的各个段之间存在很强的依靠联系。假如处理不妥， 指令的运转将达不到预期的成果，因而有必要熟知流水线的相关和搬运问题。其一为资源抵触， 即同一时间内战用同一功用部件， 一般为一同拜访存储器， 这就需求间断一拍流水线； 其二为数据相关抵触， 有三种类型： RAW、WAR、WAW ， 处理该抵触运用内部直通结构或许推迟一拍流水线； 其三为操控搬运抵触， 即关于条件跳转指令， 依据运算成果判别是否跳转， 才干承认新的PC值， 运算成果是在履行阶段后取得， 这使流水线损失许多的功用， 一般选用添加硬件预先取得运算成果处理该抵触。
越是长的流水线，相关和搬运两大问题也越严峻：一方面导致硬件操控电路杂乱程度大大添加， 另一方面， 由于流水线节拍的间断， 导致CPI值的增大及体系功用的下降。所以，流水线并不是越长越好，找到一个速度与功率的平衡点才是最重要的。
在8位RISC微操控器的流水线规划中，存在许多种计划。不同计划所对应的面积、速度与功耗各不相同。详细的选用则应该从多个方面交融考虑。首先应该由体系的作业速率要求和流水线级数、深度推导出多种详细的流水线结构计划及其所需求的严厉时序；然后从体系的功耗、面积、功用及由流水线相关和搬运问题引起的规划杂乱度等方面考虑动身，判别各计划的好坏；终究折衷挑选契合的最优计划。
4.5 低功耗技能
跟着半导体工业的迅猛开展，集成电路进入深亚微米阶段，微处理器的时钟频率和芯片集成度不断进步，功耗已在许多规划范畴成为了首要重视的问题，这点最为杰出的便是高功用微处理器和便携电子设备产品。
在依据体系功用阐明进行软硬件协同规划、承认指令体系结构时，不同的规划动身点所导致的规划功耗成果不同会很大。因而整个体系架构的承认无疑是低功耗问题应该考虑的首要问题，首要表现以下几个方面：1尽可能依据功用需求优化指令集，简化体系的译码单元和履行单元；2经过开发硬件的并行性以及功用单元的流水履行来完结低功耗的结构；3合理设置承认存储器、寄存器的容量，削减所需的总线数目；4体系硬件的各个子模块区分以及软件上设置不同的作业状况对功耗的优化非常重要。
篇3
便携式产品的功用和功用一日千里。顾客对产品功用的要求也越来越高，需求更强壮的运算才干支撑；另一方面，期望产品具有更低的功耗。
虽然现已呈现了许多功耗处理器，但它们的功用一般很有限。Dallas公司的系列高速微操控器在功用和功耗之间取得了一个很好的折衷，选用了8051架构——世界上最盛行的微操控器之一。简略易用、丰厚的I/O资源使这种微操控器深受规划者的喜欢，并被广泛承受。它的盛行气势已延伸到了便携式范畴，在许多运用中都有其用武之地。
本文旨在讨论运用8051操控器时，怎么下降功率的耗费，要点介绍一种改善架构的高功用8051规划。
1 时钟频率
任何微操控器规划中，决议功耗的一个首要要素便是体系的时钟频率。互补金属氧化物半导体,CMOS工艺的器材功耗直接正比于时钟频率。因而，从省电的视点考虑，将处理器运转于尽可能低的频率比较有利。
图1表明一个一般的8051微操控器的典型功率曲线，一个被一切便携体系规划得所熟知的联系。一般来讲，电流随频率的改变曲线为线性，具有必定的DC偏移。这个静态电流由片由的静态电路所耗费，例如比较器、运算放大器等。其数值一般很小,<1mA，是一个不行疏忽的固定吸收电流。
任何功率受限的规划都应该考虑选用尽可能慢的运转速度。决议最低体系频率，也便是最低功耗的，有许多要素，包括期望得到的体系功用、间断呼应延尽等。不论选用什么标准，终究方针是相同的：使器材的作业频率尽可能地挨近运用的需求。
2 高速内核
要下降依据8051体系的功率耗费，最直接的办法便是改善微操控器的功率。8051开端的规划选用了一个12时钟周期、每机器周期两次取指的架构。可是，高速微操控器选用的是每机器周期4个、乃至1个时钟的内核。它们具有更高的运算功率，履行一个指令需求很少的时钟周期，具有更快的运转速度和更高的时钟频率。
虽然高速核的优势一般考虑其处理才干，它们在下降功耗方面有很重要的含义。当处理器的运转指令经过优化后，履行同一使命所需的时间很短。许多便携式产品作业在猝发办法，其特色是只很短的活动时间，例如记载环境数据或扫描一个条码，而在随后的很长时间内都处于非活动状况。削减处理器的活动时间能够相应地下降功耗。
功率进步带来的另一个优点是，取得相同的功用所需的时钟频率能够更低。假如一个经过从头规划的内核选用4时钟机器周期而非12时钟，这就意味着完结相同的作业，只需更低的晶振频率。由于功率正比于晶振频率，这样，不用献身功用即可下降功耗。
图2显现三种微操控器以相同的速度完结同一使命时的功耗状况。其间两种是标准80C3X的衍出产品：一种是作业于每机器周期12个外部时钟办法；别的一种是DS80C320微操控器，作业于4时钟机器周期。测出各个器材的耗费电流，然后进行比照，保存地估量DS80C320具有250%,2.5倍的速度进步。正如图2所显现的，每周期时钟数削减后的处理器内核作业于相同的吞吐率时，耗费的电流显着下降，高速运转时特别显着。
3 集成化
将外围功用集成于芯片内部是节省电能的办法之一。在向芯片外部驱动一个信号时，每周期时钟数削减后的处理器内核作业于相同的吞吐率时，以便驱动外部负载和补偿DC损耗。开关功率是数字信号过渡进程中耗费的功用。开关功率可依据下面的公式预算：
PSW∝CV2/T ,1
其间C是接纳门输入电容和连线电容的总和，T是时钟信号周期。一个CMOS门的典型输入电容为10pF。虽然很难准确核算出体系的开关功率，但有一点是显着的，每个额外的外部负载或引脚都会给微操控器构成额外的功耗。
依据微操控器的体系一般都会有必定数量的外围器材，例如从餐部的UART和上电昨位电路到看门狗守时器。8051系列的优势之一便是将许多的外围功用集成于片内。除了削减元件数量、简化规划外，外围功用的集成化也有利于下降功耗。能够以为任何外围器材的中心功用耗费的功率是相同的，与它坐落处理器的内部仍是外部没有联系。可是，将功用放在片内无疑节省了驱动外部总线所需的开关功率。
3.1 内部程序存储器
8051别的一个一般不被视作外设功用单元是程序存储器。一切8051的衍出产品都包括了不同容量的片内程序存储器。这是许多体系规划所期望的，以便削减外围元件数量和印制板面积，一同改善了便携体系的电源寿数。正如前面说到的，集成的程序存储器由于免去了外部总线驱动，因而下降了功耗。选用片内存储器还有别的一个省电的原因。8051架构有必要选用一个74373类型的锁存器，以便锁存低字节地址。图3显现选用内部和外部程序存储器时的功耗状况比照。前者选用DS87C520高速微操控器和一个74AC573锁存器，以及一片27C256EPROM，拜访时间70ns。第二个体系选用相同的微操控器，作业于内部存储器。两个体系均作业在11.0592MHz，履行一个简略、一般的程序。从图3能够显着看到，高频运转的体系中省掉外部EPROM和锁存器后，可节省多达49mA的电流。
3.2 内部数据存储器
如前所述，选用片内存储器代替外部RAM能够节省电能。80C32衍出产品具有扩大了的暂时存储器,256字节，满足小的程序的仓库操作和数据存储，不用外接RAM。
关于需求更大都据存储器或设置外部仓库的规划，还需求额外的SRAM。虽然能够找到低功耗的SRAM，在考虑它所带来的功耗时，还应将相关的74373系列锁存器、驱动外部总线的容性损耗等一同考虑在内。
4 时钟源
影响功耗的另一个重要的体系元素是时钟源。标准8051规划一般选用内部振荡器鼓励一个外部石英晶体发生时钟，或许选用外部晶体振荡器。假如选用外部晶体振荡器，时钟的波形会影响到功耗。假如选用外部晶体振荡器，时钟的波形会影响到功耗。XTAL1引肚子内的输入级用来将外部时钟信号输入8051内核，一般选用互补式驱动器。跟着输入时钟在高、低电平之间的跳动，驱动器中的互补对管会有一个短时间的一同开经进程，构成显着的电流浪涌。关于矩 形波来说，高、低状况之间的过渡进程非常时间短，两管一同注册的时间最短。关于上升和下降时间比较长的波形，例如正弦或三角波，过渡进程比较长，驱动器两管一同注册的时间也更长。这将会添加电流和功耗。
图4表明电流耗费和波形的联系。时钟源是一个可编程波形发生器，能够发生正弦波、三角波或方波。图4显现的电流是4个器材的均匀值，包括传统的和改善的高速处理核。比较发现电流耗费直接正比于时钟波形的上升,和下降时间。三角波具有最小的斜率，而矩形波斜率最大。选用矩形波时的电流均匀要比三角波低0.75mA。这预示着在用外部时钟振荡器时，选用上升和下降时间更快的振荡器将有利于下降电流功耗。这一点在较低频率下尤为重要，此刻器材需求花费更多的时间用于过渡进程。
有些8051衍出产品包括了一个片内的环形振荡器。一般是一串反相器，脉冲在其间传达。它能够供给一个2～4MHz的内部时钟源，驱动器材。由于不需求运用晶体，这种振荡器是功耗很低的时钟源。从DS87C520高速微操控器的特功用够看出，作业于环形振荡器时，能够供给等同于7MHz8051的功用，而功耗仅有3.6mA。虽然环形振荡器没有压电式晶体那样安稳，它们的低拉耗以及能够疏忽的上电推迟在功率办理方面占有显要方位。
5 时钟办理
微操控器的作业频率是影响器材功耗最重要的一个要素。虽然体系的时钟频率首要取决于硬件装备，8051仍是供给了一些有限的操控手法。这些手法减缓或中止器材悉数或部分单元的作业时钟。传统的8051架构选用了两种操控办法：闲暇和停机。
5.1 改善停机办法
停机办法是8051规划得所能运用的最低功耗状况。在该办法下，内部振荡器停振，器材间断作业。脱离停机办法一般靠外部复位。某些变种也能够经过外部间断退出停机办法。
停机办法有一个缺陷，便是在晶振康复作业的一个死时间内的功耗问题。晶体振荡器的作业依靠于石英晶体的振荡。物理层限性决议了晶体振荡器有必要有一个承认的时间，才干到达满足的振荡器起伏来驱动器材作业。这个预热进程不论选用内部振荡器仍是外部振荡器都会存在。时间大约在3～12ms，与晶体和振荡器的功用有关。
预热进程关于功耗的效果在于，在此阶段器材不履行任何有用的作业，但仍要耗费功率。假如器材频频地进入和退出停机办法，或许退出停机办法后只履行很短时间的使命，这种效应会变得分外显着。事实上，假如使命非常短,<5ms，晶振发动期间耗费的能量乃至会超越履行使命自身的耗费。假如选用环形振荡器来完结从停机办法到快速发动，就可防止这种推迟。这将大幅下降退出停机办法时的功率耗费。
图5表明两个体系退出停机办法并履行一个短使命时的作业状况。其间一个器材包括一个内置的环形振荡器，另一个运用传统的外部晶振。没有环形振荡器的器材有必要阅历一个晶振预热期。在此期间器材不断地耗费功率，却没有做任何有用的作业。第二个器材是一片DS87C520高速微操控器，片内包括一个环形振荡器。这就答应器材在退出停机办法时能当即康复作业。在本例中，程序履行4ms以内，距离大约为2MHz。正如图5所看到的，当需求退出停机办法履行短使命时，选用环形振荡器能够大幅削减能量耗费。
某些运用中，在退出停机办法后不久，要求时钟具有晶振的安稳度。这种状况下，环形振荡器仍不失其优越性。紧跟着停机办法的退出，操控器应该当即发动是晶体振荡器。随后能够在晶振的预热期操控器初始化一些必要的数据或寄存器。大都高速微操控器能够用一个状况位来标明晶体振荡器是否到达安稳。一旦完结了晶振代码的初始化进程，软件能够查询状况位，以决议是否着手高精度守时操作。
别的一个改善停机办法功率的办法是选用间断而不是复位办法来唤醒操控器。这种办法使处理器能够紧接着设置STOP位的指令当即康复作业，而不是从复位向量从头发动。这样就免去了对复位原因的判别，答应处理器在最短的时间内开端有用的作业。
5.2 闲暇办法
闲暇办法是前期8051架构运用的第二个时钟办理办法。该办法间断了CPU的运转，但片内的通用守时器坚持作业。在功率灵敏的运用中，这个守时器被用于周期性地唤醒处理器去履行使命，或许去判别是否该履行某个使命。
由于标准的8051守时器为16位，选用16MHz的时钟频率时，最大守时周期只要31ms。假如需求更长的周期，就需求守时器屡次溢出。这会耗费额外的功率，由于处理器必需频频地康复全速作业来累积计数，但没有履行任何有用的作业。
关于比较长的周期，最好选用比较长守时周期的内部守时器。有些8051衍出产品包括了一个看门狗守时器，也可被用来唤醒处理器。看门狗守时器可被编程为比较长的守时，可达256个时钟周期。在16MHz的频率下能够供给4.2s的最长延时。假定某运用期望每幅3s从低功耗状况唤醒，去履行使命。假如选用内部守时器去守时，处理器将不得不退出闲暇办法96闪而不作有用的作业。假如选用长守时周期的看门狗守时器，则处理器只需求在履行使命的时分退出闲暇状况，完结使命后再次到低功耗状况。
还有一个挑选便是选用带有实时时钟,RTC的微处理器。DS87C530高速微处理器内置的RC能够发生周期长达24小时的闹钟信号。由该闹钟发生的内部间断可将处理器从闲暇或停机办法中唤醒。运用RTC退出停机办法关于需求长时间挂起的体系来讲是最为有用的办法。
6 功率办理办法
虽然闲暇办法经过挂起运转程序而使功耗得以下降，内部守时器仍在以外部时钟的频率接连运转。这会耗费掉数量可观的功率。试想一下，是否能够让守时器作业于基本上挨近待机的状况。
一个比较好的办法是下降整个器材的时钟频率。这能够由一个内部的时钟分频器来完结，它将外部时钟频率分频后再送入CPU。这种计划已在DS87C520高速微操控器中完结。该器材运用了两种时钟分频系数：功率办理办法1，输入时钟源被64分频；功率办理办法2，输入时钟源被除以1024分频。这些办法或以经过设置特别功用寄存器中的对应位来完结。
图6对DS87C520高速微操控器的时钟分频器和时钟操控办法加以比照。图6中，全速办法,除以4、功率办理办法1,除以64、功率办理办法2,除以1024、闲暇办法及停机办法下的电流耗费构成鲜明比照。正如所料，停机办法吸收最低的电流，由于所内部时钟都被关掉了。两种功率办理办法耗费的电流比闲暇办法还低。这不只下降了器材的功耗，还阐明能够让它以较低的水平继续运转。在传统的8051结构中，任何类型的CPU运转只要两个状况：“悉数或许没有”。处理器被逼频频地运转于最高功用水平，虽然只在很短的时间内得到高功用，这会添加一些不用要的功率糟蹋。功率办理办法,PMM的运用，使处理器,如体系能够依据实践功用需求对其功耗进行最优化办理。
6.1 间断和PMM的运用
选用内部时钟分频器可能会带来的问题是，间断推迟会大大添加；别的，内部守时器的减慢会影响8051串口发生或同步标准波特率的才干。这会严峻搅扰处理器呼应外部鼓励的才干。处理计划之一便是在外部间断或串举动被承认后，主动使处理器康复到彻底运转状况。这种计划现已在DS87C520中得以完结。处理器的这种回切功用使其能够敏捷呼应外部间断。紧跟着间断答复，器材将主动切回到全速,除以4状况，并且不需求软件参加。
串行口的作业办法非常相似。当在串行口接纳脚上检测到下降沿,开端位后，器材将主动切回到全速运转,除以4。这个进程紧接着数据传送开端，因而器材能够以全速来正确地接纳余下的传送数据。关于传统的8051结构，在低功耗装备中运用串口的仅有办法是运用搁置办法。功率办理办法的运用供给了一种更低功耗的代替计划。
6.2 改善突发作业办法
在低功耗规划中，觉见的作业办法是将处理器从停机办法中唤醒，履行一个突发使命，然后再加到停机办法。在这样的体系中，下降功耗的一个手法是进步作业频率。初看起来，好像匪夷所思。由于在正常作业期间，高频率体系要比低频率体系耗费更多的功率。可是，体系作业时耗费的静态电流与频率无关。在一个终究规划中，一般评价的是其能耗，以便承认电池作业寿数。这一点在评价一个高功用微操控器时尤为要害，由于它概括地考虑了处理时间和处理功率。关于一个给定体系，假如它具有更小功率与时间乘积，那么它的能耗更低；而不用独自考虑两种参数。许多实例显现，高速微操控器由于运转时间更短，实践能耗更低；而处理时间更长的低速处理器正好与此相反。
这一点能够经过图6说到验证。假定从停机办法康复后，DS87C520读取一个I/O端口，经过算术运转后将成果从另一端口送出，这个进程需求500个机器周期的CPU时间。按图6所示，电流耗费在10MHz时为12.4mA，30MHz时为34.6mA。表1概括了在两种速度下履行读使命时的能耗状况。从表1中能够看到，30MHz作业时的功率更高，能耗下降6%以上。
表1 履行一个500机器周期的使命时所耗费的能量和处理器速度比照
时钟频率机器周期所用机器周期总时间Icc电流时间积10MHz400ns500200ms12.41mA2.48mAs30MHz133ns3006.5ms34.66mA2.30mAs6.3 跑跑停停
在许多运用中，停机办法以外的时间并不彻底取决于运转速度。许多状况下，处理器需求拜访一个具有固定呼应时间的外围设备，例如A/D转化器或温控器。此种状况下，处理器将有个突发动作。一般是触发某个进程，随后的一段时间内，则只要很少的或底子没任何操作。在这种时分，一种组合的功率节省技能会更为有用。
能够用一个实例来阐明在这样一个体系中，选用具PWM的高速微处理器所带来的优点。想象的DS87C520与一片DS1620数字温度计/温控器相接口。这个器材可运用标准8051串口的作业办法0串行拜访。主机处理器在某个时间经过外部间断将DS87C520从停机办法唤醒，并要求它从DS1620中读取温度数据。取得数据后，DS87C520会将其保存于内部存储器中，备随后传送。DS1620的作业相似于许多A/D转化器：宣布一个指令后发动一次转化，然后，经过必定推迟后转化完结，接着，数据就能够被移走了。关于DS1620来讲，转化时间挨近于1秒钟。经过查询器材来承认转化是否完结。DS87C520非常适合于此种使命，由于它能够非常敏捷地履行发动和运算功用。随后，在等候转化完结期间，微操控器能够将其置于PMM。在传统8051中，转化被发动后，可运用搁置办法将传统8051置于低功耗状况。在这种办法中，可运用内部的16位守时器来丈量转化时间。作业于16MHz时，传统8051需求在转化完结之前退出搁置办法多达32次。
本例可被进一步改善。由于DS1620是作为一个同步器材进行拜访的，不要求高精度的守时操作。这样，微操控器在发动转化和读取转化成果时，可作业于环形振荡器。由于防止了安稳外部晶振所需的“死时间”，这会进一步节省功率。
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要害词:智能操控;ATmega16;压力传感器;红外摇控;DS18B20;DS1302
中图分类号:TU832文献标识码:A
文章编号:1009-2374 (2010)22-0117-02
节能降耗作业现已走上了法制化的路途,选用高智能节能锅炉操控器处理了无人看守状况下无人饮水不作业、饮水顶峰时段不缺水的问题。
1体系结构和整体规划计划
智能锅炉操控器首要由:电源部分、时钟部分、显现部分、水位、温度收集部分、红外遥控器部分和输出操控部分组成。体系框图如图1所示:
1.1加热进水设定
体系能够设定不同的5组加热时间段和5组不同的进水时间段,彻底确保了作业时间段有足够的饮用水;设定加热时间为全天24小时可设定,加水时间全天24小时可设定。
1.2作业办法设定
作业办法3种(周一至周五作业;周一至周六作业;周一至周日作业),能够依据作业人员作业时间来设定体系作业办法,不光节省了电能损耗,并且节省了人力本钱。
1.3水温、水位设定
能够别离设定水温上下限和水位上下限;在加热时间段内当时水温等于或大于上限温度时间断加热;当当时水温等于或低于下限湿度时开端加热;在进水时间段内当时水位等于或高于上限水位时间断进水;当当时水位等于或低于下限水位时开端进水。
1.4体系人性化规划
假如当时时间段不在加热或进水时间段内,操作人员能够经过摇控器强制进行人工加热、人工进水按键进行加热或进水操控,防止了特别状况下无饮用水的问题。
2器材挑选
2.1CPU Atmega16
Atmega16归于Atmel公司的AVR系列单片机,是一种高功用、低功耗的8位AVR微处理器,其最高主频可到达16MHz;自带16KB可在线编程的闪存,512字节的EEPROM、1KB的SRAM,程序可进行加密;两个具有独立预分频器和比较器功用的8 位守时器/ 计数器,一个具有预分频器、比较功用和捕捉功用的16位守时器/计数器,片内模仿比较器,一个看门狗守时器等。本体系中运用Atmega16大大简化了元件,用内部EEPROM即可存储操作人员设定加热上下限值、进水上下限值和作业办法等,不光节省了本钱还简化了电路。
2.2水温丈量模块完结
锅炉水温丈量选用了Dallas公司出产的DS18B20单总线芯片,它具有线路简略、体积小的特色。因而用他组成一个测温体系,具有线路简略,在1根通讯线能够挂许多这样的数字温度传感器,非常便利DS18B20测温规模在-55℃～+125℃;转化精度9～12位进制数,可编程承认转化的位数;测温分辨率为9位精度为0.5℃,12位精度为0.0625℃;转化时间:9位精度为93.75ms、10位精度为187.5ms、12位精度为750ms;内部有温度上、下限告警设置。DS18B20选用TO-92封装办法。
2.3水位丈量模块完结
水位丈量模块选用了MC20B经济型压力变送器,当水位在0～1600mm之间改变时输出信号4～20mA的线性改变,再由I/V转化电路把电流信号转化为0～5V的电压信号,单片机经过A/D转化功用进行电压收集,再把电压转化为高度值。
2.4红外摇控模块完结
红外摇控器选用的是专用红外发射芯片CD5022,它具有低作业电压(VDD:2.0～3.3V)低功耗(待机办法下IDD
2.5时钟输入模块
时钟输入模块选用了高精度实时时钟芯片DS1302,它是一种具有内置晶振、两线式串行接口的高精度实时时钟芯片。单片机经过DS1302读取当时时间值与设守时间相比较,比较成果做出相应操控。
2.6继电器输出操控模块
继电器输出操控模块选用了ULN2003芯片作为继电器驱动,ULN2003是高耐压、大电流、内部由七个硅NPN达林顿管组成的驱动芯片,具有线路简略、作业安稳牢靠特色。ULN2003能够驱动7个继电器,具有高电压输出特性,并带有共阴极的续流二极管使器材可用于开关型理性负载。每对达林顿管的额外集电极电流是500mA,运用ULN2003芯片能够简化外部元器材,进步作业牢靠功用。
2.7液晶显现模块
液晶显现模块是专为此锅炉运用者定制的显现屏。
液晶显现器可一同显现当时水温度、水位高度、加热状况、进水状况、出水状况及主动或手动作业状况,给操作作业人员供给了最为节能的操作信息,一同给饮用者供给饮用水的状况。
3单片机程序流程图
主程序流程图如图2所示:
4结语
此规划运用了AVR系列单片机的其设备丰厚、集成开发环境简略易用、支撑在线仿真等特色,不光简化了外部电路规划一同也进步开发功率;由于ATmega16单片机的高速度、低功耗和低价位,使得此体系真实表现了节能降耗的宗旨。
参阅文献
[1] 何立民.MCS-51系列单片机运用体系规划体系装备与接口技能[M].北京:北京航空航天大学出版社,1990.
[2] 刘平和.单片机原理与运用[M].重庆:重庆大学出版社,2002.
[3] 徐爱钧.单片机高档言语C51运用程序规划[M].北京:电子工业出版社,2002.
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要害词：蓄电池；AVR微操控器；TLV5638电源操控
导言
蓄电池是飞行器电源体系中重要的组成部分，蓄电池的功用直接影响飞行器的安全。因而，正确保护、保养蓄电池就成为一项非常重要的作业。539CH-1型Ni-Cd蓄电池是法国SAFT公司出产的碱性蓄电池，该电池包括20个单体电池，额外电压24V，额外容量53Ah。波音737客机即选用该型蓄电池。
充电和放电是该电池保护、保养中的首要作业。由于该电池为Ni-Cd蓄电池，为了防止回忆效应影响电池容量，充电前需求对电池进行放电。该电池的放电标准要求丈量单体电池电压，并记载单体电池电压下降到1V时的放电时间，然后在单体电池南北极间接入放电电阻。该电池的充电标准要求运用分阶段定电流充电法。充电进程中要检测电池的端电压和充电电流，充电后期要丈量单体电池的电压，并对电压较低的电池做相应处理。
本规划选用AVR单片机Megal6L作为中心，可一同操控两块539CH-1型蓄电池的充、放电进程。Megal6L经过串行总线接纳上位机的指令，然后经过SPI总线将数据发送给TLV5638。单片机经过多路模仿开关CD4053将TLV5638的两路D/A输出送入信号调整电路，然后完结对充放电电流的操控。放电进程中，Megal6L经过操控8D锁存器74LS573和复合管阵列ULN2081操控放电电阻接入。
硬件规划
硬件体系包括串行通讯电路、充电和放电操控电路、继电器驱动电路等模块。
通讯电路
单片机经过串口与上位机通讯。Megal6L端口为TTL电平，而上位机串口为RS232C标准接口。因而，在上位机与单片机通讯时需求进行电平转化。本规划选用MAX232完结TTL电平与RS232接口电平之间的转化。
充电和放电操控电路
单片机收到上位机的充、放电操控指令后，经过SPI口将操控信号发送给TLV5638。TLV5638将收到的数字信号转化成模仿信号，并送入信号调整电路。模仿操控信号经调整后送入充电或放电电源的PI操控器，对充电和放电电流进行操控。单片机经过CD4053挑选操控信号的输出通道，使该操控器可一同对2块蓄电池进行充电和放电。
D/A改换
本规划运用双通道12位电压输出型高速DA转化器TLV5638完结数模转化。规划中，将Mega16作为主机，经过SPI口直接与TLV5638的串行接口相连。由于Mega16的SPI口为4线串口，所以衔接时单片机SPI口的PB6(MISO)悬空。
串行通讯时，CS引脚呈现下降沿时通讯开端，数据在SCLK的下降沿逐位移入TLV5638的内部寄存器。最早移入的是数据的最高位。当16位数据悉数移入或CS引脚变高时，TLV5638移位寄存器中的数据被存入相应的锁存器，锁存器的挑选由数据中的操控字承认。因而，当Mega16需求向TLV5638发送数据时，PB7先从高电平跳到低电平，然后经过SPI口接连进行两次写操作，向TLV5638发送个字节数据。两次写操作完结后，在SCLK的第16个上升沿，相应锁存器的内容主动更新。
运用中，TLV5638作业于慢速正常办法，选用2.048V内部参阅电压。更新TLV5638某一路DAC数据时，有必要确保别的一路数据不变。
Mega16的SPI口可选用4种不同的数据传输格局作业，传输格局由SPI操控寄存器中的CPOL位和CPHA位操控。运用中，考虑到TLV5638的运用要求，令CPHA=0，CPOL=1(传输开端时采样SCK下降沿，完毕时采样SCK上升沿)。
信号通道挑选
Mega16经过PD4和PD5以及逻辑电路操控信号的输出通道。逻辑电路包括1片7404和2片CD4053。以TLV5638的OUTA输出信号为例。模仿操控信号从TLV5638输出，经滤波后送入CD4053的X通道和Y通道。单片机PD4一方面直接与CD4053操控端A相连，别的还经过反相器7404与CD4053操控端B相连。这样就确保A端和B端的操控信号反相，使恣意时间X、Y通道中只要一个能够输出有用操控信号，然后确保该路充电和放电不发生抵触。运用中没有运用CD4053的Z通道，应将其与操控端C及使能端一同接地。
继电器驱动电路
放电后期，需求将电池中的剩下容量彻底放出，终究使单体电池电压下降到0V。规划中，运用继电器将放电电阻并联于单体电池南北极，然后到达开释电池剩下容量的意图。继电器由8D锁存器74LS573和达林顿管阵列ULN2801驱动。单片机PA0-PA7输出操控信号，PD2、3、7和PC6、7输出5片74LS573所需的锁存使能信号。操控信号由74LS573锁存，然后经过ULN2801驱动继电器作业，将放电电阻并联在单格电池两头，然后完结单格电池剩下容量放电。继电器驱动电路原理图如图3所示。图中只包括1片74LS573，其它4片操控办法相似。
软件规划
软件选用主从结构。单片机收到上位机指令后，依据通讯协议提取出指令字和数据，然后依据指令字完结相应的操控。软件依据模块化规划思维，首要包括：主程序模块，通讯程序模块，D/A转化与通道挑选模块，继电器组操控模块等。
主程序模块
主程序模块完结单片机初始化，等候并处理间断等作业。
通讯程序模块
单片机与上位机间选用RS232串口通讯。单片机选用间断办法接纳上位机宣布的指令，并依据接纳到的数据内容向上位机发送应对信息。当指令的开端标志和完毕标志都正确时，单片机向上位机发送ASCII字符‘Y’表明接纳成功，然后处理收到的指令；不然，向上位机发送ASCH字符‘N’，表明发送不成功，要求上位机从头发送指令。
上位机向单片机发送的指令契合以下格局：指令以帧为单位，每帧包括7个字节。每帧包括的指令字规则了单片机的操控办法。每帧中的数据字则以ASCH码的办法承认了充、放电电流的巨细和继电器的代号。
当上
