隨著IT產(chǎn)業(yè)和通信技術(shù)、電子技術(shù)、計算機(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。因此，綜合測量技術(shù)、電子技術(shù)、自動化技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)于一體的自動測試系統(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)計對所用的電池會有些相互沖突的要求，例如更豐富的產(chǎn)品功能會增加耗電，終端用戶希望電池使用時間更長，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、電流和時間的乘積，要有效提升整個系統(tǒng)的電源效率，就必須同時考慮這三項(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MCU和四個從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程序存儲器和8KB RAM，每個機(jī)器周期可采用六個時鐘周期，是傳統(tǒng)單片機(jī)（80C51）的兩倍。在其余雙工增強(qiáng)型UART中具有幀錯誤檢測和自動地址識別功能，另外還具有可編程的時鐘輸出功能及可編程的計數(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)。對自身的RAM進(jìn)行自檢。

　　3.負(fù)責(zé)與四個從機(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，并使用幀錯誤檢測和自動地址識別功能。

　　4.管理四個從機(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）向四個從機(jī)發(fā)送同步控制信號，使得多個從機(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信號，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存儲區(qū)，并由主MCU發(fā)往計算機(jī)。

    MCU系統(tǒng)能測試通道適配接口卡，測試平臺程序設(shè)計，應(yīng)用程序軟件設(shè)計和標(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，剛充完電時的單節(jié)電池電壓通常在1.2-1.6V之間，電力耗盡時則下降至0.9-1.0V。把兩個單節(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時其效能就會受到影響。電壓較低時，數(shù)字邏輯的操作速度會變慢，模擬開關(guān)組件的導(dǎo)通阻抗也會變大，組件效能同樣會隨著電池電壓改變，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)計是為了在電池電壓下操作，它在電壓較高時就會消耗較多的電流。

　　CMOS邏輯門的動態(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

　　（ 其中動態(tài)電流I=C·V·f ）

　　分析動態(tài)電流時，常以1MHz頻率或特定電源電壓為基準(zhǔn)將動態(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會有220μA的動態(tài)電流消耗。如果沒有電源穩(wěn)壓，則在電壓為3.2V時會增加到每1MHz等于220×（3.2÷1.8）=391μA。但若使用LDO穩(wěn)壓器，電池電流在整個電壓范圍都會固定在每1MHz為220μA。設(shè)計人員還能升級到更先進(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范圍，那么使用2顆電池時可由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)計的一半。

　四.休眠模式要求

　?。?）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，同時切斷數(shù)字的電源供應(yīng)。它們必須能快速啟動，以便微控制器迅速回到正常操作模式。而電源管理和實(shí)時時鐘電路（RTC）等許多模塊即使在休眠模式也要對其進(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)也不會丟失。

　?。?）要微控制器應(yīng)能在外部事件觸發(fā)或內(nèi)部計時終止時離開休眠模式，而且能夠同時支持石英晶體或RC振蕩器。為了確保電池壽命長，整個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顆電池時通常為2μs，1顆電池時則不到10μs）。

  五.將正常操作模式的時間減到少

　　微控制器在休眠模式和正常模式之間切換時，盡管電流消耗較大，卻未完成實(shí)質(zhì)性的工作?？焖賳拘褧r間能節(jié)省耗電，并對具有時效性的觸發(fā)事件迅速做出響應(yīng)，例如因?yàn)榇卸丝趧幼鞫氐秸ＤＪ?。避免在高速系統(tǒng)頻率電路中使用啟動緩慢的石英振蕩器，而應(yīng)選擇和快速啟動的芯片內(nèi)置振蕩器。模擬模塊的啟動方式還會對微控制器停留在正常模式的時間造成很大影響，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，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。，外接式轉(zhuǎn)換器不能關(guān)機(jī)進(jìn)入休眠模式，否則會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)計對所用的電池會有些相互沖突，解決啦隨著產(chǎn)品的豐富功能會增加耗電，終端用戶希望電池使用時間更長，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。