浅谈单片机低功耗设计

在前面一篇文章中，笔者主要介绍了自己的一些工作经历，跟真正的低功耗设计似乎扯不上半毛钱的关系。随着电子产品的越来越普及，尤其是很多电子产品都用上了电池供电，既然用电池供电，那么似乎我们就不得不考虑电池的续航能力的问题，进而，迫使我们不得不考虑电子产品功耗的问题。那么究竟怎样才算低功耗呢？小于100mA?小于1mA?小于10uA?似乎应该加上应用场合，这种数值才有意义。不管怎样，低功耗的意思可以概括为越小越小！

在做这个温度记录仪之前，笔者压根不怎么需要考虑功耗的问题，毕竟在一个大设备里，开关电源直接供电，控制板那100毫安以内的电流，几乎可以忽略不计了。然而，在做这个温度记录仪的时候，才发现，100mA的电流经得起多久的折腾？一块500mAh的锂电池，几个小时就没电了，更别说要用几十天甚至半年到一年的时间了。

当然，降低功耗并不是纯硬件或软件就能实现的，很多时候，都是需要软件和硬件的协同工作才能解决问题。比如，我们在做NTC测温电路的时候，如果直接如下图所示连接，那么实际上，计时在未进行AD采集的时候，改电路也一直在消耗电流，按照常温状态下来算，NTC的阻值为10K，那么这部分的电流消耗为：I=3.3V/(10K+10K)= 165uA。似乎看起来很小，但是，这只是电路中一部分的消耗，还有其他很多部分都有电流消耗，累加起来之后，就比这165uA大的多了。那么有没有办法让这一部分电路的功耗降低呢？答案肯定是有的。

比如，我们可以在3.3V电源部分或者GND部分加一个开关，并且通过一个IO口来直接控制这个开关，在需要进行AD采样的时候，把这个开关打开，采样完成后，再把这个开关关闭，这样一来，似乎就可以尽可能的减小这部分的开销了。那么以在GND端加一个MOS管为例，如下图所示：

这样一来，我们就可以达到之前预期的目的了。当然，如果真如上这样设计电路的话，无形中似乎也增加了成本，一个SI2302也需要一两毛钱，一个电阻也是几分钱，如果是几K甚至几十K的量的话，那么成本就不是一点点了。那么上述电路是不是还可以简化一下呢？那是必须滴！实际上我们可以直接通过一个IO口来接到NTC的一端，毕竟按照之前计算的电流，也才微安级别的，就算忽略掉NTC的阻值，也有R1起到限流的作用，不用担心烧坏IO口。那么，当需要采集AD的时候，直接将IO口拉低，就能实现电阻分压了。

由此可见，降低功耗从硬件角度来说，就是需要找到所有可能的消耗电路的回路，一一确定哪些是可以通过软件控制的方式来优化功耗的，哪些是避免不了的，并给编程人员提供一个所有IO口状态对功耗影响的关系，通常用简单的表格说明一下高电平会怎样，低电平会怎样，悬浮会怎样。做到这一点，基本上硬件的工作就告完成，剩下的就是软件开发人员的发挥空间了。

说到软件功耗优化，简单来说就是：能少工作的就少工作，能休眠的就休眠！以笔者做的这个温度记录仪为例，单片机型号选择的是STC的STC8A8K64S4A12单片机，别问我为什么选择这款单片机，因为笔者别的单片机不怎么会用，而且打样时间又比较急，所以只能在自己熟悉的单片机中，选择满足要求的，价格又比较低的，功耗又是最低的来做了。整个项目中，主要就是RTC时钟模块、NTC测温模块、按键操作模块、串口通信模块、2.4G无线模块、OLED显示模块、无线充电模块等几个部分。硬件部分，已经尽可能的将功耗降到最低了，但是发现，不管怎么操作，STC单片机正常工作的时候，电流还是有4-5mA，加上OLED显示的话，也有2-3mA，2.4G模块工作的时候电流更大，有30-40mA，这样可真算不上低功耗啊，只能从软件上来想办法了！

首先，当然要将这个最大功耗的2.4G无线模块的功耗解决。无他，最省事的让他不工作的时候去睡觉了。根据这个模块的使用手册，只需将模块的CS引脚拉高，该模块就可以去睡大觉了。果然，这个无线模块睡觉之后，整个板子的工作电流瞬间降到了10mA以内了！

接下来，就要考虑OLED的问题了，虽然说，2-3mA的电流也不算很高，但是，那也是功耗啊，几天下来也必将是一笔不小的开销。当然，当时选择OLED而并非笔段式LCD的原因也很简单，OLED的界面可以随意做呀，而且也比较好看，而笔段式LCD界面就只能固定死了，后面要修改的也比较麻烦。好吧，既然选择了，也就不说那么多理由了，只能想办法降功耗了。也没有特别好的办法，OLED的功耗也只能让他不需要显示的时候去睡觉来解决了。通过软件设置一个休眠时间，然后在休眠时间到了后，然OLED乖乖去睡觉了，需要显示的时候，再按一下按键来唤醒OLED。这样，算是勉强解决了OLED功耗的问题了吧。

接下来，整个板子的功耗也就差不多在5mA左右了，再加上前面所说的AD采样电路部分降低了一些功耗，剩下的主要就是MCU的功耗了。仔细翻阅了一下STC的手册，得到了以下信息：

由此可见，MCU的功耗最低可以降到0.1uA以下！这样的话，整个电路的功耗，基本可以做到1mA以下基本没什么问题了。但是问题来了：在STOP模式下，此时的CPU和全部的外设都是停止工作的，这岂不是扯蛋么？全部停止工作了，OLED显示怎么刷新？NTC温度怎么获取？RTC时钟怎么读取？……一系列的问题来了！可能还是经验少，想破脑袋也没想到好的办法，无奈之下，只能求助了，庆幸的是，没过多久，得到了一名网友的帮助，给我指点了一个比较好的思路：即，通过工作和休眠的时间比，来控制功耗。简单来说就是，比如，设定1秒时间为参照，比如MCU完成一次一系列操作需要100ms，那么，就让MCU工作完后，在剩下的900ms里去睡大觉，然后1秒时间到了，又把它喊起来继续工作……如此循环。这样一来，MCU的功耗便大大降低了！

在实现上述功能中，用到了STC单片机的掉电唤醒定时器。关于这个定时器的使用其实也很简单，介绍什么的就不多说了，手册上写的很清楚，笔者就简单介绍一下如何使用这个定时器。根据手册，掉电唤醒定时器的定时时间如下计算：

那么，我们需要定时1秒左右的话，只需要将该定时器的计数次数设置在1999左右即可。于是，便有了下面的操作：

就这样几句代码，MCU便可正常进入STOP模式，然后待掉电唤醒时间到，便又回到了正常工作模式。然后，我们只需要在while循环中，修改一下代码，便可实现我们前面提到的功能。由于笔者项目中的功能比较复杂，下面就以一个简单的例子来介绍一下吧。相信学单片机的小伙伴们对电灯程序再熟悉不过了吧，那么笔者就以最简单的点灯程序为例吧：

很显然，大家看惯了各种延时点灯程序，似乎很少看到这样的一种点灯程序了吧？会不会有一种一脸懵逼的感觉？当时，毫无疑问，这确实也是一种点灯的手段。程序中，P30是用来控制LED的亮与灭，硬件电路就不用说了，相信大家猜都猜到了。上述代码实现的功能就是，让LED亮1秒钟，然后再灭一秒，以此循环。实际上，MCU工作时只分别执行了一条语句，即：P30 = 1;和P30 = 0;然后就进入了STOP模式，假设执行语句的时间是1us，掉电唤醒定时器的时间是1秒，由此可见，MCU几乎99.9%的时间都在睡大觉，自然功耗就大大降低了（此处忽略LED的功耗，只针对MCU功耗而言）。

好了，关于低功耗设计的思路就简单介绍到这了，由于笔者能力有限，暂时未想到更好的办法来降低功耗，更多的发挥空间就留个读者了。如果你觉得这篇文章对你有帮助，别忘了点赞+打赏哟……