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一、單片機與單片微計算機系統
計算機系統已明顯地朝巨型化、單片化、網絡化三個方向發展。巨型化發展的目的在于不斷提高計算機的運算速度和處理能力，以解決復雜系統計算和高速數據處理，比如系統仿真和模擬、實時運算和處理。單片化就是把計算機系統盡可能集成在一塊半導體芯片上，其目的在于計算機微型化和提高系統的可靠性，通常把這種單片計算機簡稱單片機。準確而言，單片機（單片微型計算機）實際上是一種將CPU（中央處理器）、存儲器和輸入輸出接口集成在一個芯片中的微型計算機。單片機的內部硬件結構和指令系統主要是針對自動控制應用而設計的，所以單片機又稱微控制器mcu（MicroController Unit），又由于用它可以很容易地將計算機嵌入到各種儀器和現場控制設備中，因此單片機也叫嵌入式微控制器（Embedded MCU）。
單片機要進行工作，必須構成單片機系統。單片機系統實質上就是一個微計算機系統，它主要由硬件和軟件兩大部分組成，硬件是指構成計算機系統的所有電子、機械和磁性的部件或設備，軟件則是各種程序及數據的總稱。圖1給出單片微計算機系統的具體構成。
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二、單片機發展概述
單片機出現的歷史并不長，但發展十分迅猛。 它的產生與發展和微處理器的產生與發展大體同步，自1971年美國Intel公司首先推出4位微處理器以來，它的發展到目前為止大致可分為5個階段。下面以Intel公司的單片機發展為代表加以介紹。
第1階段（1971～1976）： 單片機發展的初級階段。 1971年11月Intel公司首先設計出集成度為2000只晶體管/片的4位微處理器Intel 4004， 并配有RAM、 ROM和移位寄存器， 構成了第一臺MCS—4微處理器， 而后又推出了8位微處理器Intel 8008， 以及其它各公司相繼推出的8位微處理器。
第2階段（1976～1980）：低性能單片機階段。 以1976年Intel公司推出的MCS—48系列為代表， 采用將8位CPU、 8位并行I/O接口、8位定時/計數器、RAM和ROM等集成于一塊半導體芯片上的單片結構， 雖然其尋址范圍有限（不大于4 KB）， 也沒有串行I/O， RAM、 ROM容量小， 中斷系統也較簡單， 但功能可滿足一般工業控制和智能化儀器、儀表等的需要。
第3階段（1980～1983）：高性能單片機階段。 這一階段推出的高性能8位單片機普遍帶有串行口， 有多級中斷處理系統， 多個16位定時器/計數器。片內RAM、 ROM的容量加大，且尋址范圍可達64 KB，個別片內還帶有A/D轉換接口。
第4階段（1983～80年代末）： 16位單片機階段。 1983年Intel公司又推出了高性能的16位單片機MCS－96系列， 由于其采用了最新的制造工藝， 使芯片集成度高達12萬只晶體管/片。
第5階段（1990年代）：單片機在集成度、功能、速度、可靠性、應用領域等全方位向更高水平發展。
按照單片機的特點，單片機的應用分為單機應用與多機應用。在一個應用系統中，只使用一片單片機稱為單機應用。單片機的單機應用的范圍包括：
（1） 測控系統。 用單片機可以構成各種不太復雜的工業控制系統、自適應控制系統、數據采集系統等， 達到測量與控制的目的。
（2） 智能儀表。 用單片機改造原有的測量、控制儀表， 促進儀表向數字化、智能化、多功能化、綜合化、柔性化方向發展。
（3） 機電一體化產品。單片機與傳統的機械產品相結合， 使傳統機械產品結構簡化， 控制智能化。
（4） 智能接口。 在計算機控制系統， 特別是在較大型的工業測、控系統中， 用單片機進行接口的控制與管理， 加之單片機與主機的并行工作， 大大提高了系統的運行速度。
（5） 智能民用產品。 如在家用電器、玩具、游戲機、聲像設備、電子秤、收銀機、辦公設備、廚房設備等許多產品中， 單片機控制器的引入， 不僅使產品的功能大大增強， 性能得到提高， 而且獲得了良好的使用效果。
單片機的多機應用系統可分為功能集散系統、并行多機處理及局部網絡系統。
（1） 功能集散系統。 多功能集散系統是為了滿足工程系統多種外圍功能的要求而設置的多機系統。
（2） 并行多機控制系統。 并行多機控制系統主要解決工程應用系統的快速性問題， 以便構成大型實時工程應用系統。
（3） 局部網絡系統。
二、常用單片機系列
1．8051系列單片機
Intel公司于1980年推出8位的高性能8051單片機，在工業控制領域引起不小的轟動，并迅速確立了其不可動搖的地位。之后不久，Intel公司徹 底開放了8051單片機的技術，引來世界上很多半導體廠商加入了開發和改造8051單片機的行列中，這其中貢獻最大的有Philipe公司，它著力發展了 單片機的控制功能和外圍單元；Atmel公司，它在單片機內部植入了Flash ROM，使得單片機應用變得更靈活，在我國擁有大量的用戶；ADI公司，它推出的AduC8 xx系列單片機，在單片機向SOC發展的模/數混合集成電路發展過程中扮演了很重要的角色；Cygnai公司，它采用一種全新的流水線設計思路，使單片機 的運算速度得到了極大的提高，在向SOC發展的過程中邁出了一大步。
目前8051系列單片機各生產廠商的主流產品有幾十個系列，幾百個品種。盡管其各具特色，名稱各異，但作為集CPU、RAM、ROM（或EPROM）、 I/O接口、定時器/計數器、中斷系統為一體的單片機，其原理大同小異。現以Intel公司的系列產品為例，說明其各系列之間的區別。
Intel公司從其生產單片機開始，發展到現在，大體上可分為3大系列： MCS-48系列、MCS-51系列、MCS-96系列。該3大系列的性能簡介見表1。
表1 Intel單片機系列性能簡介
這里，我們僅對MCS-51系列作一簡要介紹。MCS-51系列單片機雖已有10多種產品，但可分為兩大系列：MCS-51子系列與MCS-52子 系列。 MCS-51子系列中主要有8031、8051、8751 三種類型。而MCS-52子系列也有3種類型8032、8052、8752。各子系列配置見表1.2所示。
表1.2中列出了MCS-51系列單片機的兩個子系列，在4個性能上略有差異。 由此可見，在本子系列內各類芯片的主要區別在于片內有無ROM或EPROM；MCS-51與MCS-52子系列間所不同的是片內程序存儲器ROM從4 KB增至8 KB；片內數據存儲器由128個字節增至256個字節；定時器/計數器增加了一個；中斷源增加了1～2個。另外，對于制造工藝為CHMOS的單片機，由于采用 CMOS技術制造，因此具有低功耗的特點，如8051功耗約為630 mW，而80C51的功耗只有120 mW。
2．其它單片機
當很多公司在改造MCS-51系列單片機的同時，世界上一些有影響力的大公司也在開發自己的單片機，比如Motorola、TI、Microchip、OKI、Epson等。這些單片機的指令系統和內部結構都和MCS-51系列單片機不同，功能也各有千秋。
（1）Motorola的單片機
Motorola是世界上最早開發單片機的著名廠商，是目前全球最大的8位單片機生產商。現在已經擁有8位、16位和32位約十幾個系列的單片機，這其中 8位機主要有68HC05、68HC08和68HC11等3個系列；16位機主要有HCS12、68HC12、DSP56800和68HC16等4個系 列；32位機主要有Coldfire的MC683xx、MCORE、MPC500和MCF5 xxx等系列。Motorola單片機的功能一般都很強，進入我國的時間也很早，在單片機應用領域有很高的威望，但由于其開發工具價格較高，影響了普及率。
（2）Microchip公司的PIC單片機
Microchip公司是當今世界上第二大8位單片機生產商，Microchip單片機在我國也有比較多的用戶，近幾年隨著Microchip不斷推出頗 具特色的各型單片機，Microchip已越來越受到業界的廣泛關注。目前，市面上比較常見的單片機主要有以下3個系 列：PIC12C5xxx/16C5x系列，這兩個系列的單片機是PIC單片機中的低端產品，其中PIC16C5x系列是最早在市場上得到發展的系列，因其價格較低，且有較完善的開發手段，因此在國內應用最為廣泛；而PIC12C5xx是世界上第一個8腳低價位單片機，可用于一些對單片機體積要求較高的簡 單智能控制領域，前景十分廣闊。PIC12C6xx/ PIC16Cxxx系列是PIC中檔產品，是Microchip近年來重點發展的系列產品，品種最為豐富，其性能比低檔產品有所提高，指令周期可達到 200ns，增加了中斷功能、帶A/D、內部E2PROM數據存儲器、雙時鐘工作、比較輸出、捕捉輸入、PWM輸出、I2C和SPI接口、異步串行通信 （USART）、模擬電壓比較器及LCD驅動等，其封裝從8腳到68腳，可用于高、中、低檔的電子產品設計中，適合于高級復雜系統的開發，其性能在中檔位單片機的基礎上增加了硬件乘法器，指令周期可達成160ns，它是目前世界上8位單片機中性價比最高的機種之一，可用于高、中檔產品的開發，如馬達控制、音調合成。
（3）TI（Texas Instruments）公司的MSP430單片機
TI公司是聞名全球的DSP制造商，但其前幾年才推出的MSP430系列16位單片機同樣在業界掀起不小的波瀾。MSP430系列單片機最突出的特點是低電壓供電和超低功耗，非常適合應用于采用電池長時間工作的場合。電壓范圍為1.8~3.6V；在1MHZ2.2V下，活動模式功耗為225μA，待機模式 功耗為0.8μA、掉電模式功耗為0.1μA。在這個系列中有很多個型號，它們是由一些基本功能模塊按照不同的應用目標組合而成的。MSP430系列單片 機的CPU采用16位RISC精簡指令系統，集成有16位寄存器和常數發生器，發揮了最高代碼效率；它采用數字控制振蕩器（DCO），使得從低功耗模式到 喚醒模式的轉換時間小于6μs；內部集成了A/D轉換器，工業應用方便；其中MSP430x41x系列設計有一個16位定時器、一個比較器、96段LCD 液晶驅動器和48個通用I/O口。
下面介紹MCU的應用案例及參考設計。
描述
TI 的藍牙 + MSP430 音頻散熱器參考設計可供客戶用于創建各種低端、低功耗音頻解決方案的應用。一些可能的應用 - 玩具、低端藍牙揚聲器、音頻播放配件。此參考設計是一種經濟實惠的音頻實施方案，通過參考其提供的完整設計文件，您可以將重心轉移到應用和最終產品開發工 作上。此參考設計支持的軟件包括 Stonestreet One Bluetopia 藍牙堆棧（經過認證且免專利費）。
藍牙和MSP430 音頻信宿參考設計
特性
憑借最低成本、最低功耗的 MSP430F5229 實現藍牙音頻功能（SBC 編碼/解碼）
設計中將音頻處理任務從 MCU 轉移到藍牙器件，從而實現低功耗音頻
這種經濟高效的低端無線音頻解決方案，采用 4 層布局和 QFN 封裝
此解決方案的內核是 TI 的 CC2564，此內核擁有一流藍牙性能（+12dBm 輸出功率）
設計中還采用了 TI 的低功耗數字輸入揚聲器放大器（TAS2505） 和 USB 充電管理器件 （BQ24055）
CC256x 和 Bluetopia 堆棧均有藍牙子系統 QDID，因此您可以只需要一份藍牙最終產品列表
相關器件
1.BQ24055 具有自動 AC/USB 檢測功能和PG的800mA單輸入單節鋰離子電池充電器
BQ24055 功能方框圖
2.CC2560 藍牙 Smart Ready 控制器，TICC256x器件是一款完整的藍牙BR/EDR/LEHCI解決方案，此解決方案減輕了設計工作并可實現快速上市。基于TI的第七代藍牙內 核，器件實現了已經證明的解決方案，此解決方案支持藍牙4.0雙模式（BR/EDR/LE）協議。TI的電源管理硬件和軟件算法大大節省了所有廣泛使用的 藍牙BR/EDR/LE模式運行的能耗。
CC2560 功能方框圖
應用：建筑照明、用于 HMI 和 POS 的單板計算機
1、便攜式設備對處理器提出的挑戰
隨著電子便攜式設備在全球的風行，人們對電子 便攜式設備的要求也越來越高，希望產品有更多的功能，如手機攝像機自動對焦與手機閃信與計步器；希望產品功耗更低，如無線設備、手持POS機和家庭醫療產品；希望產品體積更小，如運動手表；希望產品的保密性好；處理能力強，如便攜式儀器和高精度運動控制；希望價格更低和開發周期短。
然而困惑的是，很多的便攜式設備往往會同時要有上面的多個要求，然而現實中很難做到：同時滿足高速處理、低功耗和價格？ARM高速，但是功耗而價格高； 同時滿足高速處理和小封裝？希望封裝面積小到3×3mm，又要不犧牲速度；同時滿足小封裝和SOC？需要ADC、SPI和12個I/O，而尺寸，最好小于 5×5mm；開發周期，ARM性能完全合適，但ARM往往需要操作系統支持，開發周期長，而市場機遇稍縱即逝。
為此，本文將從為電子便攜式設備開發解決上述這些難題出發，對如何設計一個低功耗的單片機系統與方法和MCU在低功耗方面的優勢進行分析，并小尺寸系列單片機的應用為例作出介紹。
2、如何設計一個低功耗的單片機系統
問題提出：單片機系統的功耗是否只是由單片機的功耗決定？回答是，以單片機為核心構成的系統，其系統的總能耗是由單片機能耗及其外圍電路能耗共同構成。為了降低整個系統的功耗，除了要降低單片機自身的運行功耗外，還要降低外圍電路的功耗。
2.1如何設計低功耗單片機系統？
要設計一個低功耗的單片機系統，需要從硬件和軟件兩方面入手。
2.11硬件設計
*選用盡量簡單的CPU內核。在選擇CPU內核時切忌一味追求性能。選擇的原則應 該是“夠用就好”。8位機夠用，就沒有必要選用16位機。一般來說，單片機的運行速度越快，功耗也越大。一個復雜的CPU集成度高、功能強，但片內晶體管 多，總漏電流大，即使進入STOP狀態，漏電流也變得不可忽視；而簡單的CPU內核不僅功耗低，成本也低。
*選用低電壓供電的系統。低電壓供電可以大大降低系統的工作電流。目前單片機從與TTL兼容的5V供電降低到3.3V、3V、2V乃至1.8V供電，降低單片機的供電電壓可以有效降低其功耗。供電電壓降低也是未來單片機發展的一個重要趨勢。
*選擇帶有低功耗模式的系統。低功耗模式指的是系統的Idel（閑置）、Stop（停止）和Suspen（暫停）模式。處于這類模式下的單片機功耗將大大小于運行模式下的功耗。
*選擇合適的時鐘方案。時鐘的選擇對于系統功耗相當敏感，有兩方面的問題要注意：
其一、系統總線頻率應當盡量低。單片機內部的總電流消耗分為：運行電流和漏電流。單片機集成度越高，環境溫度越高，漏電流也越大。單片機的運行電流幾乎和其時鐘頻率成正比。降低時鐘頻率，就可以有效降低單片機的功耗。
其二、關于時鐘方案。是否使用鎖相環，使用內部振蕩器還是外部振蕩器。現代單片機普遍使用鎖相環技術，使單片機的時鐘頻率可以由程序控制。單片機使用外 部較低的振蕩器，通過軟件控制，系統時鐘可以在一個很寬的范圍內調整，得到比較高的總線時鐘。使用鎖相環會帶來額外的功耗。單就時鐘方案來講，使用外部晶 振且不使用鎖相環是功率消耗最小的一種。有的單片機帶有內部時鐘，也可使用外部時鐘。這可以根據實際系統的需要使用雙時鐘：一個高速時鐘和一個低速時鐘。 處理事件時使用高速時鐘，空閑時使用低速時鐘。這鐘雙時鐘系統可以有效地降低功耗。
2.12應用軟件設計
應用軟件設計對于一個低功耗系統的重要性常常被人們忽略。一個重要的原因是，軟件上的缺陷并不像硬件那樣容易發現，同時也沒有一個嚴格的標準來判斷一個 軟件的低功耗特性。盡管如此，設計者如果能盡量將應用的低功耗特性反映在軟件中，就可以避免那些“看不見”的功耗損失。
*用“中斷”代 替“查詢”。在沒有要求低功耗的場合，程序使用中斷方式還是查詢方式并不重要。但在要求低功耗場合，這兩種方式相差甚遠。使用中斷方式，CPU可以什么都 不做，甚至可以進入等待模式或停止模式；而查詢方式下，CPU必須不停地訪問I／0寄存器，這會帶來很多額外的功耗。
*用“宏”代替“子程序”。子程序調用的入棧出棧操作，要對RAM進行兩次操作，會帶來更大的功耗。宏在編譯時展開，CPU按順序執行指令。使用宏，會增加程序的代碼量，但對不在乎程序代碼量大的應用，使用宏無疑會降低系統的功耗。
*盡量減少CPU的運算量。減少CPU的運算工作量，可以有效地降低CPU的功耗。減少CPU運算的工作可以從很多方面入手：其一，用查表的方法替代實 時的計算。其二，不可避免的實時計算，算到精度夠了就結束，避免“過度”的計算。其三，盡量使用短的數據類型，例如，盡量使用字符型的8位數據替代16位 的整型數據，盡量使用分數運算而避免浮點數運算等。其四，讓I／O模塊間歇運行，即不用的I／O模塊或間歇使用的UO模塊要及時關掉，以節省電能；不用的 I/O引腳要設置成輸出或設置成輸入，用上拉電阻拉高。
3、單片機（MCU）在低功耗方面的優勢。
當今面臨的問題是，使用者或市場均對單片機（MCU）低功耗有嚴酷的要求，那么將如何來設計MCU來滿足市場？應該說，當今眾多廠商的MCU均有在低功耗面的優勢，值此僅以Silabs MCU為例作分析說明MCU在低功耗方面的優勢。
*供電電壓低。MCU供電電壓為2.0～5.25V。供電電壓低可以有效降低整個單片機系統的功耗。
*有多種低功耗模式。MCU的低功耗模式有Idle模式和Stop模式。為了更進一步地降低MCU的功耗，提高市場競爭力，從2006年下半年己推出的MCU都將帶有Suspend模式。這種模式下的功耗為納安級。
*有多種時鐘方案供選擇。MCU內置振蕩器有高速震蕩模式和低速震蕩模式可供選擇。每種模式下的頻率又有多種選擇。而且還可以外接振蕩器。更重要的是， 在MCU運行中，這些時鐘模式可以實時切換。這很方便客戶進行低功耗控制。例如：在處理數據時，系統運行在高速狀態；空閑時運行在低速狀態。
*高速實時的中斷響應。MCU響應中斷的時間非常快，一般只需要5個系統時鐘周期。中斷響應速度快，CPU花費在等待方面的時間少，這可以節省不少的等待功耗。
*靈活的I/O設置。MCU的I／0口資源豐富，配置靈活。有三種配置方式：漏極開路、推拉輸出和弱上拉方式。用戶可以根據實際需要通過相關寄存器的設 置來禁止或使能這些方式。其中將端口配置成漏極開路方式是最省電的方式。另外，MCU片上沒有用到的其他外設可以通過軟件來關閉。總之，根據項目的要求， 靈活運用MCU的各種低功耗特性，通過軟件的控制，就可以很好地實現低功耗的要求。
使用每MIPS功耗來衡量MCU的低功耗性能是相對 比較準確。比如執行一個需要10K條指令的任務，甲MCU的工作電流為3mA，速度為10MIPS，則甲MCU需要工作lmS完成該任務，消耗 3mA*1ms*Vcc，然后甲MCU就可以進入低功耗模式了。而乙MCU的工作電流為1mA，速度為2MIPS，則乙MCU需要工作5mS完成，這樣乙 MCU完成該任務的消耗為1mA*5mS*Vcc。電流大但是速度快的MCU可能更省電！
4、MCU在低功耗方面的設計方法怎樣？
一般來說，MCU的運行的速度越高，供電電壓越高，功耗也就越高。要降低單片機系統的功耗，就要降低單片機系統的供電電壓，降低MCU運行的頻率。
舉例分析說明：客戶要做一個無線計時類產品，使用電池做供電電源，要求平均功耗不超過200uA。該產品是間歇工作的：當收到數據時激活，快速處理數 據；當空閑時進入休眠狀態，來降低功耗，己有不少制造商可達150μA以滿蘭客戶要求。例如，C8051F333型MCU。
*正常模式，CPU從Flash取指令。
IDD（當Vdd=3.6v F=25MHz時）為10.7mA-11.7mA；IDD （當Vdd=3.0v F=25MHz時）為7.mA-8.3mA；IDD （當Vdd=3.6v F=1MHz時）為0.38mA；IDD （當Vdd=3.0v F=80Hz時）為31μA。
*Idel模式，CPU停止工作。
IDD（當Vdd=3.6v F=25MHz時）為4.mA-5.2mA；IDD （當Vdd=3.0v F=25MHz時）為3.8mA-4.1mA；IDD （當Vdd=3.6v F=1MHz時）為0.2mA；IDD （當Vdd=3.0v F=80Hz時）為16μA。
光看上面兩個模式的數據，肯定不行。因 為要滿足系統的運行速度，又要滿足低功耗≥1MHZ的頻率，則功耗都要超過客戶的要求。而正確答案是：在不降低MCU運行速度（MCU處理數據時的運行頻 率是24.5MHZ）的情況下，客戶使用C8051F333成功實現了低功耗的要求：比150μA還低， 真可謂魚和熊掌兼得。
4.2它是怎樣實現的？
見圖1所示。使用了內外兩種晶振。工作時使用內部高速晶振24.5MH2，空閑時切換到外部低速晶振32.768KH2，并且進入Idle模式。并且把 沒有用到的外設全部關閉，就這么簡單。由此看出，功耗是一個系統的問題，單片機系統的功耗是由MCU和其外圍電路的功耗共同決定的，低功耗是無數個細節省 出來的。
5、小尺寸單片機在便攜式設備中的應用
面對如今便攜式設備提出的挑戰單片機，如何應對挑戰？而用小尺寸單片機是在一種理想的舉措應對，值此以C8051F小尺寸單片機為例，分析其在便攜式設備中的應用。為此先介紹C8151F小尺寸單片機應用特征。
5.1C8051F小尺寸單片機應用特征
概括為：小封裝，低功耗， 寬電壓工作范圍（2.7V-3.6V）， 高速、高集成度與高保密性。
5.2應用
以TFT屏背光管理、閃信應用為例說明。
5.21C8051F30X在彩色TFT屏背光中的應用
隨著便攜式電子設備的普及，人們對其彩色顯示屏的要求也越來越高，LED正在被逐步應用于LCD的背光。傳統的LED背光是采用白色LED作為背光源， 有以下的缺點：一般背光需要多個白色LED，但白色LED有個體差異，一致性不好，容易導致彩色顯示屏色彩不均勻，失真等現象；白色LED容易老化，使彩 色顯示屏的亮度降低。產品如果有這些問題，容易給消費者留下不好的印象，消弱產品的競爭力。
那應該如何去解決這些問題？而采用C8051F30X的彩色TFT屏背光方案就很好地解決了這些問題，其功能框圖（見圖2所示）如下：
*技術特征
背光采用紅、綠、藍三色LED，發出的光組成白光。因為每種顏色的LED采用串聯連接方式，所以使用了AMS高性能的LED Driver AS3691；通過Avago的CoIor Sensor芯片HDJD-S722-QR999，檢測R、G和B三色的亮度；C8051F30X根據HOJD-S722-QR999送過來的信號，產生 相應的PWM來控制R、G和B三色的亮度，使白光的效果始終在最佳狀；同時C8051F30X通過一個 接口與主CPU通訊，接收主CPU對亮度調整的控制命令。
*對MCU的要求
屏的尺寸現在都很緊湊，同時厚度很薄，對 MCU的尺寸要求很高，C8051F30X尺寸只有3×3mm，厚度只有0.9mm；要求具備PWM輸出，多路輸入的ADC和通訊接 口；C8051F30X支持3個PWM輸出，多路復用的AD輸入，支持UART和 通訊接口，3×3mm的封裝上可以提供8個用戶I/O口。
*方案特點
很好地解決了傳統的白光LED個體差異問題，使彩色顯示屏的色彩始終處在均勻狀態；很好地解決了白光LED老化帶來的亮度降低問 題；C8051F30X、AS3691和HDJD-S722-QR999封裝小，容易和TFT顯示屏做成一個模塊；C8051F30X有Idee和 Stop兩種低功耗模式，特別是Stop模式，其功耗小于0.1uA。當系統進入Stop模式時，可以使外圍電路關閉，進入省電狀態，當需要顯示時，由主 控制器喚醒。
5.22 C8051F313在手機閃信和計步器中的應用
隨著手機 的普及，人們對手機的功能要求也越來越高。那些具有彰顯個性的手機越來越深受人們的喜愛，特別是年輕一族的喜愛;手機功能的增多，意味著手機體積的增大和 功耗的增加，這與人們對手機小巧和待機時間長的要求又成了矛盾；要解決這些矛盾，手機設計者不得不追求元器件的小型化、低功耗和高性 能；MCUC8051F313在手機閃信和計步器中的應用就是一個典型例子。圖3為C8051F313在手機閃信和計步器功能應用示意框圖。
*關于計步器
計步器原理：人在行走或者跑步的加速度與時間軸大致成為一個正弦波；利用加速度，可以計算走了多少步，還可根據步幅進而估算所走的距離。
計步器功能的實現：采用MCUC8051F313和MEMS IC加速度傳感器MAX6500；C8051F313采樣MAX6500兩路加速度傳感器的輸入，分析加速度，計算出走了多少步；根據步行者的步幅，還可以估算出所走的距離。
*關于手機閃信
手機閃信原理：利用手機上的閃燈，在光線較暗的環境下，通過快速左右搖動手機，利用人類視網膜延時現象，造成視覺殘像，從而形成連續的光影信號，令受信者視覺產生連續信息。
手機閃信功能的實現：采用MCUC8051F313和MEMSIC加速度傳感器MAX6500；C8051F313接收要顯示的信息，并驅動相應的 LED；MAX6500檢測加速度在X軸和Y軸的分量變化（力的大小和方向），并送給C8051F313；C8051F313分析MAX6500檢測到的 加速度信號，對要顯示的字符方向實現自動翻轉。
*手機閃信和計步器對MCU的要求
體積要求苛刻：手機對MCU提出的 要求極其苛刻，要在盡可能小的尺寸上提供最多的1/0口；C8051F313在5×5mm的封裝上提供了25個I/O和模擬輸入16個I/O口用來驅動 16個LED；2個模擬輸入用來采樣加速度傳感器輸出；1個標準2線的控制器用來與Baseband CPU進行通訊。
嚴格的低功耗設計：在STOP模式下功耗小于1μA；良好的I/O口設計確保待機時I/O對外阻抗很高，在兆歐級以上，有效切斷I/O口待機功耗。
完善的大批量生產要求：一旦生產，編程數量將非常巨大，具有完善的量產編程方案，快速的手持編程器，無需PC參與，無需操作員熟悉編程方法，具有boot程序，在手機開機時自動加載應用程序，通過C2編程接口進行編程。又具有良好的保密功能。
描述
此解決方案使用近場通信 （NFC） 技術實現了無電池鍵盤。此解決方案的核心部分是可以由主機微控制器讀寫的 TI 動態 NFC 標簽。支持 NFC 的手機可以快速發現并識別該鍵盤，然后在鍵盤和應用程序之間建立連接。此設計是無電池系統（即，無需電池即可工作），客戶可以利用該系統構建具有優化尺寸 的產品（例如薄鍵盤）以及重量更輕的產品（例如易于攜帶）。
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特性
無電池解決方案
標準 PC/AT 鍵盤字符集
大于 400 個字符/分鐘的輸入能力
MSP430 MCU 和 RF430CL330 標簽的功耗都約為 20 mW
提供 Android 測試工具和 InputMethod 應用程序
原理框圖
無電池近場通信 (NFC) 鍵盤原理圖
硬件框圖
無電池近場通信 (NFC) 鍵盤硬件框圖
相關器件
1.（TI）MSP430FR573x MSP430FR572x 混合信號微控制器
德州儀器 （TI） MSP430FR573x 系列超低功率微控制器由多個器件組成，這些器件特有嵌入式 FRAM 非易失性存儲器，超低功率 16 位 MSP430 CPU，以及針對多種應用的不同外設。 此架構，FRAM，和外設，與 7 種低功率模式組合在一起，針對在便攜式和無線感測應用中實現延長電池壽命進行了優化。 FRAM 是一款全新的非易失性存儲器，此存儲器將 SRAM 的速度，靈活性，和耐久性與閃存的穩定性和可靠性結合在一起，總體能耗更低。 外設包括一個 10 位模數轉換器 （ADC），一個具有電壓基準生成和滯后功能的 16 通道比較器，3 條支持 I2C，SPI，或 UART 協議的增強型串行通道，一個內部 DMA，一個硬件乘法器，一個實時時鐘 （RTC），5 個 16 位定時器和數字 I/O。
功能框圖
MSP430FR573x MSP430FR572x 混合信號微控制器功能框圖
詳細資料：MSP430FR573x MSP430FR572x 混合信號微控制器
2.RF430CL330H 動態 NFC 接口轉發器
德州儀器 （TI） 動態 NFC 接口應答機 RF430CL330H 是一個 NFC 標簽類型 4 器件，此器件將一個無線 NFC 接口和一個接線 SPI 或 I2C 接口組合在一起，將此器件與一個主機相連。 SRAM 內的 NDEF 消息可由集成型 SPI 或 I2C 串行通信接口寫入和讀取，而此消息也可通過集成型 ISO14443B 兼容 RF 接口（支持高達 848kbps 數據速率）進行無線存取和更新。
這可實現針對替代載波的 NFC 連接切換，如同，低功耗 （BLE），和 Wi-Fi 等，只需一次敲擊的簡便且直觀的配對過程或認證過程。 作為一個常見 NFC 接口，RF430CL330H 使得終端設備能夠與啟用 NFC 的智能手機、平板電腦和筆記本電腦的快速增長的基礎設施進行通信。
功能框圖
RF430CL330H 動態 NFC 接口轉發器功能框圖
3.TPS70933 具有反向電流保護的 150mA、30V 超低 IQ、寬輸入、低壓降穩壓器
TPS709xx 系列線性穩壓器是設計用于功耗敏感類應用的超低靜態電流器件。 一個精密帶隙和誤差放大器在溫度范圍內的精度為 2%。 只有 1μA 的靜態電流使得這些器件成為要求極小閑置狀態功率耗散的電池供電類常開系統的理想解決方案。 為了增加安全性，這些器件還具有熱關斷、電流限制和反向電流保護功能。通過將使能 （EN） 引腳下拉至低電平可將這些穩壓器置于關斷模式。 這個模式的關斷電流低至 150nA（典型值）。
功能框圖
TPS70933功能框圖
詳細資料：TPS70933 具有反向電流保護的 150mA、30V 超低 IQ、寬輸入、低壓降穩壓器
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引言
隨著人們生活水平的不斷提高，家庭防盜這一問題也變得尤為突出。傳統的機械 鎖因其結構簡單、安全性差等缺陷，已經逐漸被淘汰，電磁鎖由于其保密性高、使用靈話、安全系數高，逐漸進入千家萬戶。如果在一個家居系統中有多個門，就需 要一套綜合的門控系統，這樣就可以監控所有樓門的開關。
參考文獻設計的門控系統是以AT89S51單片機為控制核心，系統功耗較大，使 用成本較高，所以其應用具有一定的局限性。參考文獻設計的門控系統利用局域網進行組網控制，所以制作成本較高，而且應用范圍有限。針對以上缺點，本系統采用MSP430系列單片機CCA30F5135芯片為控制核心，其不但具有 MSP430系列單片機的低功耗性能，而且具有RF無線收發器的功能，RF無線功能可以實現對門進行無線控制，方便用戶使用，而且低功耗特性使得使用成本 較低，達到了目前應用的要求。
1 門控系統運行原理
本系統主要由兩部分 組成：一部分是中央控制中心，其主要作為管理中心，用戶可以監控所有樓門的開關狀態；另一部分是門控模塊，其作用主要是控制門的開關，并且將門的開關信息 傳送給中央控制中心，包括鍵盤電路、顯示電路、報警電路和開鎖控制電路等。系統整體框圖如圖1所示。
圖1 系統整體框圖
本系統采用電子密碼鎖控制開關門，電子密碼鎖相對于射頻卡成本較低，而且可以隨時更改密碼，安全性較高。當需要開門時，首先從矩陣鍵盤輸入6位數密碼， 其初始密碼由程序設定，輸入完密碼后按開門鍵開鎖，如果想清除輸入可以按取消鍵，按鍵時均會有“短滴”聲提示。若輸入的密碼正確，密碼輸入正確指示燈 亮，LCD顯示“密碼正確”，并且輸出一個打開電磁鎖的信號；若密碼輸入錯誤，則密碼輸入錯誤指示燈亮，LCD顯示“密碼錯誤”。如果在6 s內無任何操作，則清除所有輸入內容。如果某個門控模塊有密碼輸入情況，門控模塊內部的CC430F5135單片機會通過內部集成的RF無線收發器，將有 人輸入密碼開門的信號傳輸給中央控制中心，這樣中央控制中心就能知道所有樓門的情況，中央控制中心通過一個LCD顯示所有的樓門開關情況。如果用戶想打開 或者關閉某個門，則只需要通過鍵盤找到門號并輸入相關指令。門控模塊和中央控制中心均以CC430F5135為控制核心，如果在40 s之后無任何操作，單片機就會進入到低功耗模式。
2 系統硬件設計
門禁控制系統的硬件設計包括中央控制中心設計和門控模塊設計，下面就各個部分進行詳細介紹。
2．1 中央控制中心設計
中央控制中心和門控模塊都是以MSP430系列單片機CC430F5135為控制核心，其內部集成的RF無線模塊節省了外部擴展的無線通信模塊，降低了 成本。CC430F5135是TI公司MSP430F5xx MCU與低功耗RF收發器相結合的產品，可實現極低的電流消耗，從而使采用電池供電的無線網絡應用無需維修即可工作長達10年以上；此外，微型封裝所包含 的高級功能性還可為創新型RF傳感器網絡提供核心動力，以向中央采集點報告數據。CC430F5135為16位超低功耗MCU，具有16 KB閃存、2 KB RAM、CC1101無線電收發器、AES-128和USCI，供電電壓為1．8～3．6 V，正常工作模式消耗電流為160 μA／MHz，低功耗模式3消耗電流為2．0μA。
2．1．1 CC430F5135的RF無線收發模塊外圍電路
CC430F5135內部集成了CC1101無線電收發器，本系統的RF頻率設為315 MHz，信道間隔為540 kHz，數據傳輸速率為250 kbps。在本系統設計中，發送功率最大可以達到-96 dBm，實際應用中還可以根據發射距離的遠近設置發送功率的大小，這樣可以使功耗達到最低。其電路如圖2所示。CC430F5135的供電電源為兩節5號 電池，其電壓為+3 V，外接晶振為26 MHz。RF_N和RF_P為RF無線電發射引腳，兩引腳外接天線，其功率可以達到-96 dBm，傳輸距離可以達到200m左右。
圖2 CC430F5135的RF無線收發模塊外圍電路
2．1．2 LCD顯示模塊
考慮到設備低功耗的要求，所選的顯示模塊必須達到低功耗的目的。本系統采用了LCD12864作為顯示模塊，其供電電壓為4．5～5 V供電，工作電流為3 mA，低功耗、長壽命、高可靠性。模塊內自帶2個液晶顯示驅動芯片，分別控制顯示屏的左區和右區，每個驅動芯片都帶有512字節的RAM，其與 CC430F5135的硬件連接圖如圖3所示。其中LCD12864采用+5V供電，+3V電壓經升壓芯片轉換成+5 V后供給LCD12864。單片機的P1口作為控制LCD12864的控制口，P2口作為數據口與LCD12864進行通信。因為CC430F5135端 口輸出電壓為+3 V，而LCD12864的端口電壓為+5 V，兩者的端口不能直接相連，所以需要一個電壓轉換芯片來解決電壓不匹配的問題。本系統采用TI公司的雙電壓供電雙向驅動器SN74 ALVCA24_5來實現電平轉換，一邊是3 V，另一邊是5 V，這樣就較好地解決了3 V與5 V電平的轉換問題。
圖3 CC430F5135與LCD12864接口電路
2．1．3 4×4矩陣鍵盤硬件電路
4×4矩陣鍵盤硬件電路圖如圖4所示。本系統采用中斷方式來確定按鍵的輸入，因為CC430F5135內部的P0口全部都可以當作外部中斷口，所以只要 其中的任一按鍵被按下，那么此時其中兩個端口的電平就會突變，這樣根據內部預先設定好的程序，就可以知道哪個鍵被按下。鍵盤有數字鍵和功能鍵，數字鍵用于 密碼的輸入，功能鍵有取消鍵、確認鍵、左移鍵、右移鍵、開門鍵和關門鍵。其中的取消鍵是用于刪除輸入的密碼，確認鍵用丁確定輸入正確，開門鍵和關門鍵起開 關門的作用。當中火控制中心需要開關某個門時，就可以按左移鍵或者右移鍵來選擇要開關的門號，選擇成功后按開門鍵或者關門鍵就可以開關門。
圖4 4×4矩陣鍵盤硬件電路
2．2 門控模塊設計
門控模塊包括CC430F5135的RF無線收發模塊電路、LCD硬件電路、鍵盤硬件電路、繼電器驅動房門硬件電路和蜂鳴器指示燈硬件電路等。 CC430F5135的RF無線收發模塊電路，LCD硬件電路和鍵盤硬件電路與中央控制中心的設計基本相同，在這里就不再介紹。下面主要介紹蜂鳴器指示燈 硬件電路和繼電器驅動房門硬件電路。
2．2．1 蜂鳴器指示燈硬件電路
如圖5所 示，CC430F5135通過控制三極管的開通與關斷去控制蜂鳴器和指示燈的導通與關閉，從而達到指示的目的。CC430F5135單片機的 P3．0、P3．1和P3．2口通過控制輸出信號的高低電平來控制三極管8050的導通或截止，從而實現相應的功能。如果P3．0口為高電平，三極管導 通，則蜂鳴器發出響聲，如果P3．1和P3．2置高電平，則紅色指示燈或綠色指示燈會亮。其中紅色指示燈的作用是警告密碼輸入錯誤，綠色指示燈則表示密碼 輸入正確，并且門會打開。
圖5 蜂鳴指示燈及繼電器驅動房門硬件電路
2．2．2 繼電器驅動房門硬件電路
此電路功能是當輸入密碼正確并按開門鍵或者關門鍵后，可以自動使樓門開通或者關閉。本系統采用CC430F5135控制繼電器開通，進而控制旋轉電機工 作去控制門的動作。為了保證繼電器穩定而可靠的工作，選用HJR-3FF-S系列繼電器。此繼電器負載端電壓可以加到250 V（AC）／30 V（DC），在環境溫度為-30～+60℃時可以工作1×105次以上。其額定工作電壓為+5 V，額定工作電流最大為70 mA，因為CC430F5135的I／O輸出為+3 V，所以不能直接驅動繼電器工作，需加一個三極管8050作為開關來控制繼電器的開關，繼電器通過接收CC430F5135的控制信息完成相應的控制動 作。
3 系統軟件設計
門禁控制系統的軟件設計包括中央控制中心的軟件設計和門控模塊的軟件設計。
3．1 中央控制中心軟件設計
中央控制中心程序流程如圖6所示。在開機運行時，中央控制中心利用無線模塊給所有的門控模塊發送一條指令，要求所有門控模塊將此時其控制的門的開關狀態 報告給中央控制中心，這樣中央控制中心就會知道所有門的狀態。如果其中有一個門的狀態改變（開或關）時，這個門的門控模塊會利用內部的RF無線收發模塊將 門的狀態信息發送給中央控制中心，這樣就能不斷地刷新中央控制中心的數據。如果用戶想控制一個門的開通或者關閉，則只需要按左移或者右移鍵選擇要打開或者 關閉的門號并按確定鍵，選擇開門或者關門功能，此時中央控制中心就會發出一條控制指令給相應的門控模塊，達到開關門的目的。
圖6 中央控制中心程序流程
3．2 門控模塊程序設計
門控模塊程序流程如圖7所示。在系統運行時，CC430F5135單片機會一直處于低功耗模式中，這樣可以達到降低功耗的目的。當有按鍵被按下或者發生 RF無線接收中斷時，單片機會從低功耗模式中被喚醒，開始判斷鍵盤輸入指令或者接收的控制指令。如果是鍵盤輸入指令，單片機會根據輸入的指令要求執行相應 操作。如果輸入密碼正確并且按下開門鍵，單片機的P3．3口會置為高電平，繼電器閉合，門被打開，同時綠色指示燈亮；如果密碼輸入錯誤，單片機會發出長警 告音，并且紅色指示燈亮，警告密碼輸入錯誤。在這兩種情況發生時，單片機都會通過無線模塊將有人輸入密碼的信息傳送給中央控制中心。如果是RF無線接收中 斷發生，單片機會接收數據指令并判斷指令功能，執行相應操作。
RF無線中斷子程序：
結語
本文設計了一種基于CC430F5135的門禁控制系統。此系統可以實現無線門禁控制，制作成本和使用成本都較低，且達到了目前低功耗的要求。經過測試，系統運行穩定可靠，有較好應用前景，適用于整個樓宇的控制。
在消費電子領域，便攜式電子產品由于體積小、質量輕的特點越來越受到消費者的喜愛，已成為人們生活中不可缺少的部分。基于這個思路，我們設計了 一款便攜式心率計，它可以替代用脈搏聽診器等進行測量的傳統方法，使用非常方便。該產品主要包括三個部分：信號的采集、數據處理以及LED 顯示和報警電路。
系統總體設計
圖1 系統結構框圖
如圖1 所示，從傳感器檢測到的脈搏信號轉化為電壓信號送入電壓跟隨器，起到緩沖的作用，使前級和后級隔離開來，避免相互干擾。輸出的信號經前置放大后送入高通濾 波器，以濾除傳感器的熱電干擾，再經過低通濾波器濾除環境中的高頻干擾。處理完的信號送入后級繼續放大以便得到干擾小且清晰的信號，此信號經比較器和二極 管整流后直接送入單片機處理，以驅動顯示電路和報警電路。
系統硬件電路原理圖
圖2 為電路原理圖，下面對各模塊進行逐一描述。
圖2 系統硬件電路原理圖
1 電壓跟隨和前置放大電路
電壓跟隨器的輸入信號，即脈搏傳感器信號從V+端輸入，反饋電阻置零，構成一個同相跟隨器，起到緩沖作用，隔離前后級的影響。心音脈搏放大器的功能是將mV 級的心音信號放大到V 級，以供顯示和記錄使用。
根據心音脈搏信號的特性，要求放大器具有以下特性：
1、足夠高的增益，約800 倍。
2、有合適的頻帶寬度（0.78～ 3.33Hz）
3、因為心音脈搏信號比較微弱，干擾和噪聲比較大，要求電路有高輸入阻抗來減小信號的損失，有高共模抑制比（大于80dB）來抑制干擾和噪聲。
由于在實際應用中，外界信號的干擾，以及考慮到放大器的穩定性，一級放大器不能實現如此大的增益，所以電壓放大器一般由兩級組成。其中，前級采用負反饋 差動放大電路，以提高共模信號抑制比。此部分的關鍵是如何抑制各種噪聲，避免讓噪聲竄入后級電路。因此在系統中，采用基于雙運放電路的微功耗儀表放大器 LM358 作為心音脈搏信號的前級放大器。為防止產生非線性失真以致損害電路的共模抑制比，該部分的放大倍數不宜過高，選擇為1000 倍左右。
電壓跟隨和前置放大電路
2 高低通濾波器電路
在本設計中，信號頻率較低，在 0.78～3.33Hz 之間，因此濾波器的設計成為本電路的關鍵。首先，要經過一個0.5Hz 的高通濾波器，以濾出傳感器的熱電干擾，然后再經過一個低通濾波器以濾除心音信號的絕大多數干擾。在實現電路中，普通的濾波器已經很難對這么低的信號進行 濾波，因此在本設計中采用增益變化較平坦的巴特沃斯濾波器。其中，高通為二階的巴特沃斯濾波器，低通為截止頻率為5Hz 的巴特沃斯濾波器。圖3 為低通濾波的原理圖。
圖3：低通濾波原理圖
圖3：低通濾波原理圖
3 后級放大和比較整流電路設計
心音信號經過前級放大后，幅度還未達到理想的應用值，且還有一定的干擾，因此需要后級放大器繼續放大，以達到使用要求。整個電路采用一般的反向放大器模 塊電路。比較整流電路的作用是將處理后的信號轉化為不含負脈沖的方波，以送入單片機進行處理。該電路由一個過零比較器和整流電路構成，由于送入單片機的信 號要求為正電壓，所以經過整流電路后，信號將全部轉化為正跳沿的方波。
4 單片機控制電路
本部分主要包括單片機控制顯示電路以及驅動蜂鳴器的報警，具體電路如圖4 所示。
圖4 單片機控制電路
圖5 為單片機程序流程圖。
圖5 單片機控制流程圖
20 幀標準Jlink 接口：
20 幀標準Jlink 接口
本系統電路的軟件部分能夠精確跟蹤微小心電信號的頻率。所采用的技術是單片機的中斷捕獲功能以及數學算法誤差消除、硬件結構誤差消除。
5 電源管理模塊
本電路采用9V 鋰電池供電，對于大多數電子產品而言，具有普遍性和方便性。由于此單片機為低功耗工作模式，我們通過7805 和LM1117 穩壓芯片提供±5V、3.3V 的工作電壓，然后給各個模塊供電。
電路測試與數據分析
實際測出的值與理論計算的值有所差別，且當輸入信號較弱時，輸出信號受干擾較大。本電路中，跟隨器就受到傳感器的很大干擾，因此在實際的測量中，一定要注意電路的抗干擾能力。外部時鐘晶振為32768Hz，對其進行1/2 分頻。
結論
本設計通過數模混合電路結合單片機控制的設計實現了對心率信號的實時測定，并能發出警告。整個電路盡量考慮到各方面的因素，做到線路簡單，減小電磁場干 擾，充分利用軟件編程，彌補元器件的精度不足，另外由于引入了世界上超低功耗的ARM—EFM32，使得待機時間超長，功能升級空間也很大，還可以以該設 計為基礎加載其他功能，使其功能和結構更加完善，擴展至對人體其他生理狀態的測定。
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