引言

20世紀90年代以來(lái)，隨著(zhù)集成電路特征線(xiàn)寬的持續縮小以及芯片密度和工作頻率的相應增加，降低功耗已經(jīng)成為亞微米和深亞微米超大規模集成電路設計中的一個(gè)主要考慮因素。功耗的增加會(huì )帶來(lái)一系列問(wèn)題，例如電路參數漂移、可靠性下降、芯片封裝成本增加等。因此，系統的功耗在整個(gè)系統設計中，尤其是在采用電池供電的系統中顯得十分重要。

Microchip公司PIC系列的單片機為設計高性能、低功耗的單片機系統提供了很好的解決方案。下面從低功耗設計方法及具體例子來(lái)介紹PIC單片機低功耗應用。

1 低功耗設計方法

為使系統工作在低功耗狀態(tài)，必須正確設置單片機的配置及工作方式。下面結合最常用的PIC12、PIC16等單片機介紹低功耗系統的設計方法。

1.1 基本設計方法

有許多技術(shù)可以降低系統的功耗，最常用的是Sleep模式。程序執行一條SLEEP指令，便進(jìn)入了休眠（Sleep）模式。要Sleep模式下，晶振停止振蕩，而此時(shí)單片機在3V電源條件下，只有1μA的電流。系統工作時(shí)，單片機可以采用看門(mén)狗或外部事件周期性地喚醒單片機，利用電子開(kāi)關(guān)為系統提供電源，以減少系統待機功耗，延長(cháng)電池使用時(shí)間。

單片機的工作頻率和功耗的關(guān)系也很大，頻率越高，功耗越大。在采用32kHz晶振、3V工作電壓時(shí)，PIC12、PIC16等系列單片機的典型工作電流只有15μA;而采用4MHz晶振、5V工作電壓時(shí)，單片機的典型工作電流達到幾mA。在許多低功耗的場(chǎng)合，采用低速晶振實(shí)現低功耗非常有效。如果單片機采用RC振蕩，還可以通過(guò)I/O口的操作改變振蕩電阻，從而改變單片機工作頻率，達到節能的目的。如圖1所示，1個(gè)I/O引腳可以在等待狀態(tài)下將并聯(lián)電阻R1去掉，降低單片機工作頻率。當單片機需要工作時(shí)，可將I/O引腳設置為輸出并輸出高電平，從而提高振蕩頻率。

1.2 振蕩電路設計

在單片機系統設計中，振蕩電路的設計是十分重要的一個(gè)環(huán)節。PIC系列單片機的典型振蕩電路如圖2所示。

一般情況下，設計人員按照廠(chǎng)家給出的參數表進(jìn)行選擇。如果系統能夠正常工作，也就不再進(jìn)行改進(jìn)了。其實(shí)，這是不合適的。因為Microchip的單片機根據型號和版本的不同，工作電壓在直流2.5～5.5V的范圍內，汽車(chē)級溫度可以在-40～-125℃范圍內，而參數表中只給出了有限的幾種情況，實(shí)際環(huán)境參數會(huì )對振蕩電路的性能產(chǎn)生很大的影響。如高溫、低電壓可減小振蕩環(huán)路增益，而從降低振蕩頻率或者難以啟動(dòng);低溫、高電壓可以使環(huán)路增益變大，從而使晶振過(guò)驅動(dòng)，產(chǎn)生損壞的潛在危險或者振蕩電路工作的高次諧波頻率上升，加大系統功耗。因此，如何正確設計系統的振蕩電路十分必要。對于PIC系列單片機，一般的設計步驟如下：

①選擇晶振。根據系統需要的振蕩頻率進(jìn)行晶振的選擇。此外，晶振的工作溫度和頻率穩定度也是十分重要的指標。

②選擇振蕩器類(lèi)型。PIC系列單片機有RC、LP、XT、HS等振蕩模式。除RC模式外，振蕩模式的選擇實(shí)際上就是環(huán)路增益的選擇。低增益對應低振蕩頻率，高增益對應高振蕩頻率。一般根據實(shí)際需要的工作頻率可參考數據手冊來(lái)選擇。

③選擇C1、C2。理想的情況是，保證系統在高溫和最低工作電壓下能夠正常工作，使得電容在數據手冊推薦的范圍內最小。同時(shí)選擇C2比C1大一些以加大相移，使其有利于振蕩電路的上電啟動(dòng)。

④選擇Rs。在以上參數都已經(jīng)選定后需要決定Rs的大小。簡(jiǎn)單的辦法是讓系統工作在最低溫度和最大電壓情況下，此時(shí)得到的應該是時(shí)鐘電路最大輸出幅度。用示波器觀(guān)察引腳OSC2的輸出波形（注意，示波器的探頭將給電路引入一個(gè)電容，一般為幾pF），如果發(fā)現正弦波的峰（接收Vdd處）和谷（接收Vss處）被削平或壓扁，說(shuō)明驅動(dòng)過(guò)載，需要在OSC2和C2間加入1個(gè)電阻Rs，一般1kΩ左右或小于1kΩ。Rs不宜過(guò)大，過(guò)大將使得輸入和輸出產(chǎn)生隔離，從而產(chǎn)生較大的噪聲。當發(fā)現需要一個(gè)較大的Rs才能消除過(guò)驅動(dòng)時(shí)，可以增加負載電容C2來(lái)補償。C2一般選擇在15～33pF之間。

系統振蕩電路的設計對系統的穩定性、功耗等影響很大。一般情況下，系統從Sleep狀態(tài)下喚醒時(shí)，振蕩電路最難啟動(dòng)（尤其系統工作在高溫、低壓、低頻的情況下）。此時(shí)，電阻Rs有利于振蕩電路的啟動(dòng)，因為廉價(jià)的碳膜電阻容易產(chǎn)生白噪聲，從而幫助電路起振。此外，選擇C2稍大于C1以增大相移，也有利于電路起振。

2 具體應用例子

2.1 系統組成及框圖

系統主要由PIC單片機、雙音頻解碼拔號電路、語(yǔ)音集成電路、接口電路、Vcc電源控制電路、射頻發(fā)射電路和EEPROM組成，可完成對家用電器的控制和對報警求援語(yǔ)音信息的自動(dòng)傳送，如圖3所示。

2.2 控制器工作方式

*當與控制器相串聞的電話(huà)機（以下稱(chēng)為本地機）處于摘機時(shí)，電話(huà)線(xiàn)輸入電壓發(fā)生變化，引起CD40106的2腳輸出電平變化，輸入到CPU的RB0端口產(chǎn)生中斷信號，喚醒CPU，控制器進(jìn)入工作狀態(tài)。通過(guò)本地機的拔號盤(pán)對控制器的各種功能進(jìn)行控制。如控制電視、音響、照明燈等電器電源的開(kāi)關(guān)。

*當控制器接收到振鈴信號時(shí)，CD40106的4腳輸出電平變化，輸入CPU的RB6端口產(chǎn)生中斷信號，喚醒CPU進(jìn)入工作狀態(tài)，并對振鈴信號進(jìn)行計數;達到設定鈴聲數后，使控制器進(jìn)入電話(huà)接收狀態(tài)，開(kāi)始接收遠程傳輸DTMF信號，經(jīng)MT8880解調得到的信號通過(guò)IRQ向單片機發(fā)出中斷信號，將數據存入寄存器，經(jīng)CPU運行，對控制器的各種功能進(jìn)行控制。

*當控制器作為報警器，并處于警備狀態(tài)時(shí)，報警探頭時(shí)刻檢測防范區域的情況;當探頭向控制器發(fā)出警情信息，輸入CPU的RB5中斷產(chǎn)生信號，控制器進(jìn)入工作狀態(tài)，從EEPROM芯片讀出預先設置的報警電話(huà)號碼，經(jīng)MT8880轉換為DTMF信號，自動(dòng)撥號，以語(yǔ)音形式將信息傳送給用戶(hù)或直接報警。

2.3 應用電路

（1）電話(huà)接口電路

電話(huà)機與控制器采用控制器在前，電話(huà)機在后的串聯(lián)方式，可實(shí)現電話(huà)機對控制器各種功能的控制。接口電路由過(guò)壓保護電路、極性轉換電路和中斷請求電路組成，如圖4所示。

①過(guò)壓保護電路。在電話(huà)線(xiàn)回路上加入了一個(gè)壓敏電阻R，它的作用是當它兩端的電壓大于其工作電壓時(shí)呈短路狀態(tài)，從而保護后級電路免受高壓危害。當加到它的兩端的電壓小于其工作電壓，壓敏電阻呈開(kāi)路狀態(tài)，對后級電路的工作沒(méi)有任何影響。在本設計中，壓敏電阻的工作電壓為220V。

②極性轉換電路。由于在電話(huà)線(xiàn)上傳輸的是交流信號，為了使信號的極性固定，在電路中加入電橋，進(jìn)行全波整流。

③中斷請求電路。為延長(cháng)電池工作時(shí)間，CPU在待機時(shí)處于休眠的省電狀態(tài)，在實(shí)現遠程電話(huà)機和本地機對控制器功能控制時(shí)，由中斷請求電路將CPU喚醒。

（2）語(yǔ)音電路

語(yǔ)音電路如圖5所示。它以ISD4000語(yǔ)音芯片為核心，主要是存儲報警語(yǔ)音，輸出經(jīng)功率放大后傳送到電話(huà)線(xiàn)上。

（3）MT8880與PIC單片機的接口電路

MT8880是Mitel公司的DTMF收發(fā)器，具有功能強、功耗低、工作穩定、可靠等性高優(yōu)點(diǎn)，因此在DTMF信號調制的場(chǎng)合得到了廣泛的應用。MT8880與PIC單片機的接口電路如圖6所示。

①MT8880與單片機的接口電路。D0～D3為4根數據線(xiàn)，MT8880對經(jīng)過(guò)前置處理的DTMF信號進(jìn)行解調，將解調得的信號存入片內寄存器中，并通過(guò)IRQ向單片機發(fā)出中斷信號。單片機相應中斷請求后，在R、W、RS0、RD的控制下，通過(guò)D0～D3讀出解調出的數據。

②DTMF信號放大電路。當微處理器將要發(fā)送的DTMF數據寫(xiě)入MT8880相應的寄存器時(shí)，MT8880從TONE引腳發(fā)出DTMF信號，信號經(jīng)過(guò)放大電路放大后，送往變壓器進(jìn)行電壓變化。

3 程序設計

程序在運行時(shí)：①為電器控制器，若是遠程電話(huà)機對控制器進(jìn)行操作，是根據電話(huà)的振鈴聲數來(lái)判斷;若本地電話(huà)機對控制器進(jìn)行操作，是根據本地電話(huà)機的摘機情況來(lái)判斷。②為報警器，報警探頭隨時(shí)檢測到警情并發(fā)出信號給控制器，而控制器則是根據用戶(hù)的設置情況，是處于警備與否來(lái)判斷是否拔出報警電話(huà)。圖7是程序流程圖。

下面主要介紹初始化程序、MT8880設置子程序和DTMF信號發(fā)送以及接收子程序。

;初始化寄存器

F0 EQU 0H

RTCC EQU 01H

PC EQU 02H

STATUS EQU 03H

FSR EQU 04H

RA EQU 05H

RB EQU 06H

RC EQU 07H

RD EQU 08H

RE EQU 09H

TRISA EQU 85H

TRISB EQU 86H

TRISC EQU 87H

TRISD EQU 88H

TRISE EQU 89H

DAIFS EQU 0X50;待發(fā)送的數據放在50開(kāi)始的區域

RECE EQU 0X21

SEND EQU 0X22

DAIJS EQU 0X40 ;數據暫存在從40H開(kāi)始的區域

;MT8880設置子程序

;置MT8880為DTMF接收狀態(tài)

R8880：MOVLW0X0D

MOVWF REVE ;寫(xiě)控制寄存器A（接收模式）

MOVLW 0X00

MOVWF REVE ;寫(xiě)控制寄存器B（突發(fā)模式）

REIURN

;置MT8880為DTMF接收狀態(tài)

T8880：MOVLW 0X0F

MOVWF SEND;寫(xiě)控制寄存器A（發(fā)送模式）

MOVLW 0X00

MOVWF SEND;寫(xiě)控制寄存器B（突發(fā)模式）

RETURN

;DTMF發(fā)送子程序

TELEPHON：CALL T8880 ;設置為發(fā)送模式

LOOP：MOVF DAIFS，0 ;拔號

MOVLW SEND

INCF DAIFS，1 ;檢查是否發(fā)送結束

LL1：BTFSS SEND，1

GOTO LL1 ;已經(jīng)發(fā)送完畢

CALL DELAY200 ;延時(shí)200ms

DECF DATALENGTH

GOTO LOOP ;發(fā)送完畢

RETURN

;DTMF接收子程序

RECEIVE：CALL R8880 ;設置為接收模式

RWT：MOVF DJIJS，0

MOVLW REVE

BTFSS REVE，2

GOTO RWT ;查詢(xún)是否收到數據

MOVLW REVE

ANDLW 0XOF

MOVF REVE

INCF DAIJS，1

DECE DATALENGTH

RETURN

結語(yǔ)

利用PIC單片機低功耗方式設計電話(huà)遠程控制器，待機時(shí)由電池供電，工作時(shí)由電話(huà)網(wǎng)供電，系統用4節5號電池可供控制器工作一年，產(chǎn)品可實(shí)現對家用電器控制，又具有報警及緊急求助功能，可進(jìn)行遠程控制和本地機的控制，且不影響電話(huà)正常使用。在電話(huà)遠程控制器的原理基礎上，設計的有線(xiàn)防盜報警產(chǎn)品更具市場(chǎng)前景，成本更低，已批量投入市場(chǎng)，市場(chǎng)反映良好。