隨著IT產(chǎn)業(yè)和通信技術(shù)、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，大量的生產(chǎn)裝備和產(chǎn)品的電子化、數(shù)字化、自動(dòng)化、智能化的程度越來越高，與之配套的電子測量設(shè)備必須適應(yīng)這種形勢(shì)。因此，綜合測量技術(shù)、電子技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體的自動(dòng)測試系統(tǒng)發(fā)展日益完善，在一些高度電子化產(chǎn)品、航空航天和軍用武器裝備中以及工業(yè)自動(dòng)化、通信、光學(xué)、能源等諸多領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。技術(shù)不斷的發(fā)展，問題也就雨來越多。

　　如今便攜式產(chǎn)品設(shè)計(jì)對(duì)所用的電池會(huì)有些相互沖突的要求，例如更豐富的產(chǎn)品功能會(huì)增加耗電，終端用戶希望電池使用時(shí)間更長，但不斷縮小的產(chǎn)品體積和成本限制卻使電池容量無法增加，因此節(jié)省電力就成為重要的考慮。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)為了將耗電減到，通常都盡可能減少電流消耗，但其實(shí)電池的蓄電量是電壓、電流和時(shí)間的乘積，要有效提升整個(gè)系統(tǒng)的電源效率，就必須同時(shí)考慮這三項(xiàng)變量。微控制器系統(tǒng)若以電池做為電源，這些電池又能由使用者更換，則可采用專為這些變量而設(shè)計(jì)的微控制器，因?yàn)樗鼈兛赏ㄟ^芯片內(nèi)置電壓轉(zhuǎn)換等功能和傳統(tǒng)低耗電操作模式來解決上述問題。

　　那什么是多MCU系統(tǒng)呢？

　　多MCU系統(tǒng)由一個(gè)MCU和四個(gè)從MCU組成。所有的MCU均采用PHILIPS公司的P89C668單片機(jī)芯片，其內(nèi)部有可ISP/IAP編程的64KB Flash程序存儲(chǔ)器和8KB RAM，每個(gè)機(jī)器周期可采用六個(gè)時(shí)鐘周期，是傳統(tǒng)單片機(jī)（80C51）的兩倍。在其余雙工增強(qiáng)型UART中具有幀錯(cuò)誤檢測和自動(dòng)地址識(shí)別功能，另外還具有可編程的時(shí)鐘輸出功能及可編程的計(jì)數(shù)器陣列（PCA）等，是PHILIPS公司MCU家庭中較為高端的產(chǎn)品。

　?。?）主機(jī)MCU的功能

　　1.負(fù)責(zé)與PC機(jī)的通信。通信采用目前流行的USB總線通訊方式，一方面接收來自于PC機(jī)的命令與數(shù)據(jù)，另一方面向PC機(jī)發(fā)送測試數(shù)據(jù)和自檢信息。

　　2.解釋來自PC機(jī)的命令，并向所有從機(jī)或者相應(yīng)的從機(jī)發(fā)送。對(duì)來自PC機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，并發(fā)送給相應(yīng)的從機(jī)。對(duì)自身的RAM進(jìn)行自檢。

　　3.負(fù)責(zé)與四個(gè)從機(jī)的通信。通信為多機(jī)主-從方式，利用MCU的RxD和TxD端以全雙工UART串行模式進(jìn)行通信，并使用幀錯(cuò)誤檢測和自動(dòng)地址識(shí)別功能。

　　4.管理四個(gè)從機(jī)進(jìn)行同步測試。主MCU利用P1口的低四位（1.4、P1.5、P1.6、P1.7）向四個(gè)從機(jī)發(fā)送同步控制信號(hào)，使得多個(gè)從機(jī)在測試過程中能夠保持同步性。

　?。?）從機(jī)MCU1～MCU4的功能

　　1.通過RxD端口，以串行通信方式接收來自主MCU的與自己相關(guān)的命令和數(shù)據(jù)。

　　2.每個(gè)從機(jī)的24路I/O端口P0.0～P0.7、P1.0～P1.7和P2.0～P2.7共計(jì)96路分別與測試通道Port1～Port96相連接。根據(jù)I/O端口的設(shè)備情況，向定義的輸出通道輸出測試激勵(lì)信號(hào)，從相應(yīng)的輸入通道讀入測試結(jié)果并存入 相應(yīng)的RAM單元。

　　3.在被測試電路板的一個(gè)輸出通道測試完畢后，將測試的結(jié)果發(fā)送到主MCU的RAM存儲(chǔ)區(qū)，并由主MCU發(fā)往計(jì)算機(jī)。

    MCU系統(tǒng)能測試通道適配接口卡，測試平臺(tái)程序設(shè)計(jì)，應(yīng)用程序軟件設(shè)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)診斷數(shù)據(jù)庫的軟件產(chǎn)生方法。

  一.電池特性

　　多數(shù)低端和中端便攜式產(chǎn)品都會(huì)使用可替換的電池或充電電池，這些電池還可由使用者自行更換。如圖1所示，剛充完電時(shí)的單節(jié)電池電壓通常在1.2-1.6V之間，電力耗盡時(shí)則下降至0.9-1.0V。把兩個(gè)單節(jié)電池串聯(lián)即可提供1.8-3.2V之間的電壓。

圖1  常見單顆和雙顆電池組的電壓范圍

  二.正常操作時(shí)的微控制器電源特性

    常見的低耗電微控制器都能在兩顆電池的供電范圍操作。例如多數(shù)8位與16位微控制器都是采用0.35微米CMOS技術(shù)，它們的操作電壓可達(dá)到3.6V，但電壓只有1.8V時(shí)其效能就會(huì)受到影響。電壓較低時(shí)，數(shù)字邏輯的操作速度會(huì)變慢，模擬開關(guān)組件的導(dǎo)通阻抗也會(huì)變大，組件效能同樣會(huì)隨著電池電壓改變，只是電池電壓與應(yīng)用需求通常無關(guān)。此外，如果數(shù)字邏輯的設(shè)計(jì)是為了在電池電壓下操作，它在電壓較高時(shí)就會(huì)消耗較多的電流。

　　CMOS邏輯門的動(dòng)態(tài)功耗可寫為：P=C?V2?f，其中C為負(fù)載電容，它是設(shè)計(jì)和工藝技術(shù)的函數(shù)；V為供應(yīng)電壓；f則是開關(guān)頻率，它是應(yīng)用處理需求的函數(shù)。電源電壓是控制功耗的主要手段，因此若能像C8051F9xx內(nèi)含低壓差（LDO）穩(wěn)壓器一樣，直接在芯片中增加電壓轉(zhuǎn)換功能，就能提供穩(wěn)定的1.8V電壓給微控制器的數(shù)字（參考圖2），使動(dòng)態(tài)功耗大幅下降。

圖2  內(nèi)含LDO穩(wěn)壓器的8位微控制器

  三.電壓轉(zhuǎn)換的好處

　　觀察CMOS技術(shù)的動(dòng)態(tài)功耗關(guān)系有助于了解使用LDO穩(wěn)壓器的優(yōu)點(diǎn)。

　P=C·V2·f

　　=V·（C·V·f）

　　=V·I

　?。?其中動(dòng)態(tài)電流I=C·V·f ）

　　分析動(dòng)態(tài)電流時(shí)，常以1MHz頻率或特定電源電壓為基準(zhǔn)將動(dòng)態(tài)電流正規(guī)化；例如在1.8V電壓下，常見的低耗電微控制器每1MHz會(huì)有220μA的動(dòng)態(tài)電流消耗。如果沒有電源穩(wěn)壓，則在電壓為3.2V時(shí)會(huì)增加到每1MHz等于220×（3.2÷1.8）=391μA。但若使用LDO穩(wěn)壓器，電池電流在整個(gè)電壓范圍都會(huì)固定在每1MHz為220μA。設(shè)計(jì)人員還能升級(jí)到更先進(jìn)的0.18微米工藝技術(shù)，使數(shù)字邏輯的速度更快，電流消耗則減少2至3成。要將操作電壓降至1.8V以下其實(shí)并不難，但現(xiàn)有的閃存技術(shù)至少需要1.8V電壓，許多模擬外圍也需要1.8V以上的電壓來滿足效能和應(yīng)用需求。

　　圖1顯示，沒有一種單電池或雙電池架構(gòu)能提供1.6-1.8V間的電壓。若微控制器電壓在這個(gè)范圍，那么使用2顆電池時(shí)可由LDO提供所需電壓，若是1顆電池則可使用以電感為基礎(chǔ)的DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器。在整個(gè)電池壽命期間，電池供電電路只需進(jìn)行升壓或降壓轉(zhuǎn)換，不必在兩種模式之間動(dòng)態(tài)切換。集成式DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器（例如C8051F9xx內(nèi)含轉(zhuǎn)換器）雖會(huì)使電路復(fù)雜性略增，卻能讓系統(tǒng)靠一顆電池操作，大幅降低產(chǎn)品的成本與體積。

　　雖然LDO能大幅降低雙電池系統(tǒng)的耗電，但是DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器卻能提供比LDO還高的整體電源效率。在其它條件都相同的情形下，單電池設(shè)計(jì)若采用效率高達(dá)80%的DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器，則其耗電將是不含LDO的傳統(tǒng)0.35微米雙電池設(shè)計(jì)的一半。

　四.休眠模式要求

　　（1）要提供電源效率和長電池壽命，就必須將微控制器在喚醒過程和正常模式下的操作化，確保組件多數(shù)時(shí)間都處于超低耗電的休眠模式。在有些應(yīng)用中，休眠模式電流是影響整體電源消耗的因素。1

　?。?）要將休眠模式的電流減到，就必須關(guān)閉LDO和DC/DC轉(zhuǎn)換器，同時(shí)切斷數(shù)字的電源供應(yīng)。它們必須能快速啟動(dòng)，以便微控制器迅速回到正常操作模式。而電源管理和實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路（RTC）等許多模塊即使在休眠模式也要對(duì)其進(jìn)行操作，故須能使用0.9-3.2V的未穩(wěn)壓電源工作。切斷數(shù)字邏輯的電源還能防止截止?fàn)顟B(tài)漏電流造成休眠模式電流增加，只是微控制器即使進(jìn)入休眠模式，也要保存RAM內(nèi)存和所有緩存器的內(nèi)容，以便程序從正確的位置恢復(fù)執(zhí)行。它還需要某種形式的連續(xù)供應(yīng)電壓監(jiān)控或電壓突降偵測（brownout detection）功能，確保電壓即使降到保存數(shù)據(jù)所需的電壓以下，這些狀態(tài)數(shù)據(jù)也不會(huì)丟失。

　?。?）要微控制器應(yīng)能在外部事件觸發(fā)或內(nèi)部計(jì)時(shí)終止時(shí)離開休眠模式，而且能夠同時(shí)支持石英晶體或RC振蕩器。為了確保電池壽命長，整個(gè)芯片包括電壓突降偵測電路和32.768kHz石英振蕩器在內(nèi)的休眠模式電流應(yīng)小于1μA。舉例來說，C8051F9xx包括電壓突降偵測電路在內(nèi)的典型休眠模式電流只有50nA，還能迅速從休眠模式回到正常操作模式（使用2顆電池時(shí)通常為2μs，1顆電池時(shí)則不到10μs）。

  五.將正常操作模式的時(shí)間減到少

　　微控制器在休眠模式和正常模式之間切換時(shí)，盡管電流消耗較大，卻未完成實(shí)質(zhì)性的工作。快速喚醒時(shí)間能節(jié)省耗電，并對(duì)具有時(shí)效性的觸發(fā)事件迅速做出響應(yīng)，例如因?yàn)榇卸丝趧?dòng)作而回到正常模式。避免在高速系統(tǒng)頻率電路中使用啟動(dòng)緩慢的石英振蕩器，而應(yīng)選擇和快速啟動(dòng)的芯片內(nèi)置振蕩器。模擬模塊的啟動(dòng)方式還會(huì)對(duì)微控制器停留在正常模式的時(shí)間造成很大影響，例如使用外部解耦合電容的穩(wěn)壓器或電壓參考電路，可能需要數(shù)毫秒才能穩(wěn)定。進(jìn)入正常操作模式后，數(shù)字應(yīng)以頻率工作，這樣才能讓靜態(tài)電流分?jǐn)偟捷^多的頻率周期，使得每1MHz的電流消耗降低。分析這項(xiàng)效能指標(biāo)時(shí)，將所有的靜態(tài)電流源包含在內(nèi)，如供應(yīng)電壓和頻率監(jiān)控電路、參考電壓電路、LDO穩(wěn)壓器和系統(tǒng)頻率振蕩器。

　六.集成式解決方案的優(yōu)點(diǎn)

　　無論讓傳統(tǒng)微控制器搭配外接式LDO穩(wěn)壓器或DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器，其效能都比不上完全集成式解決方案。集成式組件不但大幅減少體積和成本，且集成式電壓轉(zhuǎn)換器的效率通常也較高，這是因?yàn)樗鼈儗榻o微控制器供電而設(shè)計(jì)。，外接式轉(zhuǎn)換器不能關(guān)機(jī)進(jìn)入休眠模式，否則會(huì)無法提供電源給微控制器。有些外接式DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器可在待機(jī)模式下提供電源給休眠中的微控制器，但待機(jī)模式通常會(huì)從電池汲取幾十微安培的電流。

  總結(jié)

    了解電池特點(diǎn)，性能和構(gòu)造，還有耗電體的工作模式，才能限度降低電池供電MCU系統(tǒng)的耗電量能很好便攜式產(chǎn)品設(shè)計(jì)對(duì)所用的電池會(huì)有些相互沖突，解決啦隨著產(chǎn)品的豐富功能會(huì)增加耗電，終端用戶希望電池使用時(shí)間更長，但不斷縮小的產(chǎn)品體積和成本限制卻使電池容量無法增加的問題。