如何延长基于微控制器设计的电池寿命

文章摘要：在自行车里程表这个例子中，当里程表处于节电状态时可进入Stop1模式。节电状态下的Stop1模式是MCU中可能存在的功耗最小的模式，而不需从芯片上切断电源。为什么不从芯片上将电源彻底切断呢？因为从芯片上切断电源需要使用一个更为昂贵的拨动开关。 同样的，MCU可使用一个与中断脚相连的按钮开关来实现许多不同的作用。这些不同的作用取决于系统当前的状态。因此，Stop1模式能够保持设计简单、成本低廉、并且几乎不消耗电流，堪称完美。 时钟管理 许多设计师将低功耗与低时钟频率等同起来。而事实上，根据MCU正在进行的不同操作及MCU可使用何种低功耗模式，以最高的速度工作事实上能够降低功耗。 如果MCU拥有一

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在自行车里程表这个例子中，当里程表处于节电状态时可进入Stop1模式。节电状态下的Stop1模式是MCU中可能存在的功耗最小的模式，而不需从芯片上切断电源。为什么不从芯片上将电源彻底切断呢？因为从芯片上切断电源需要使用一个更为昂贵的拨动开关。

同样的，MCU可使用一个与中断脚相连的按钮开关来实现许多不同的作用。这些不同的作用取决于系统当前的状态。因此，Stop1模式能够保持设计简单、成本低廉、并且几乎不消耗电流，堪称完美。

时钟管理

许多设计师将低功耗与低时钟频率等同起来。而事实上，根据MCU正在进行的不同操作及MCU可使用何种低功耗模式，以最高的速度工作事实上能够降低功耗。

如果MCU拥有一个有效的低功耗模式，那么使它最长时间地处于该模式下能够最大限度地降低功耗。因此，如果CPU在返回睡眠模式之前需要执行代码，那么以可能的最高速度完成代码执行，然后返回低功耗模式比持续以低速度工作消耗的电流少。

让我们再来看看自行车里程表这个例子，假设控制面板每秒钟更新速度一次，并且需要循环16,000个总线周期来计算数据并在显示器上显示出来。由典型的32kHz晶体工作，并且假设有一个普通的一分为二的总线时钟，我们就能够拥有16KHz的总线，在这种情况下，需要使用整整一秒钟来完成计算。

现在，如果我们可以使用8MHz的总线时钟，就可以仅花费2毫秒来完成计算，剩余的998毫秒可处于低功耗模式下。

当然，并非MCU须执行的每项任务都会得益于高速性能。在我们的例子中，如果数据速度相当的慢，无线通信所需的时间可能不需要8MHz的总线速率。因此，在这种情况下，要想将功耗最小化，我们就应该尽可能慢地运行MCU，直至无线通信结束。

因此，我们需要一个时钟灵活的MCU，如飞思卡尔公司的MC9S08GB60 MCU。拥有该设备，您可以使用高频晶体、低频晶体或内部振荡器。

拥有任一此类时钟源，就可以随意地使用片上频率锁定环(FLL)使总线速度成倍地升高或降低，来满足任务需求并且使功耗达到最小化。图2为自行车里程表例子中不同操作模式下功耗的改变情况。

延长电池寿命的系统硬件策略

除了低功耗模式及时钟管理以外，想要使功耗最小化还应在设计时考虑许多硬件和软件方面的因素。从硬件角度来看，控制好MCU内外的外设功耗能够在很大程度上降低整体功耗。

禁止片上外设使用MCU控制寄存器是一个很直接的方法，但该方法的效果可能没有直接禁用MCU外部外设那么明显。使用通用的I/O引脚，可以控制外部电路的功耗。

里程表例子中是通过速度传感器来测量车轮的速度。这可以通过将LED和光传感器安装于车架上，并将槽盘安装于车轮中来实现。持续工作的LED和光传感器将会消耗大量的电流。而使用I/O引脚，使LED和光传感器只在进行速度测量时工作，就将会大大降低电流。

当前，分立元器件，如LED和光传感器可以明显地控制I/O，但仅限于能够以类似模式控制的电路。如果这些器件需要的电流大于MCU能够直接提供的电流，就可以使用缓冲器作为这些电路的电源开关。在某些情况下，将几个I/O脚并联在一起就能够提供足够的电流。

速度传感器同样有另一方法可以降低电流。如果持续读取光传感器来检查光线是否穿过槽盘，那么MCU必须一直处于更高电流的工作模式。由于我们所关心的仅仅是从亮到暗或从暗到亮的转变点，因此可以使用中断来代替持续轮询。中断使MCU进入一个低功耗的等待模式。MCU的计时器可以持续计数，并且通过使用与光传感器输出相连的一个输入捕捉特性，我们很容易就能够测出速度传感器的亮/暗时间，进而算出每分钟转速(RPM)。

如果配置不当的话，MCU的I/O脚自身就会成为过载电流源。不用的引脚应即时关闭，避免浮动输入造成一个大的电流路径。在使用采取多种封装形式的MCU时，这一点常常会被忽略。

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