在众多便携式电子产品设计中，设计者常常要在降低功耗和完善功能做出之间艰难地抉择，为了降低功耗，常使MCU进入掉电模式，因此如何在任务到来时及时将其唤醒成为一个难题。AVR新推出的单片机，增加了WDT中断功能。WDT除了保证MCU意外死机复位功能外，还能在正常状态触发中断，唤醒掉电状态下的MCU，这为降低功耗提供了一种新的选择。

1 ATmega88单片机

ATmega88单片机是一款高性能、低功耗的8位AVR微处理器。3 V供电时，在未使能内部WDT的情况下，ATmega88的典型掉电电流小于0.5 μA；而且该单片机在1.8~5.5 V的电压范围内均能正常工作。ATmega88具有5种休眠模式，引脚电平变化和WDT溢出可引发中断及唤醒MCU。

1.1 几种休眠模式与功耗

ATmega88单片机具有5种休眠模式：空闲模式、ADC噪声抑制模式、掉电模式、省电模式和等待模式。其中，掉电模式典型功耗为1.8 V，0.5 μA。可见，掉电模式下MCU进入微功耗状态。为了实现最低功耗，最好使MCU长期处在掉电模式；任务到来时，自动唤醒执行任务，任务执行完成后再次进入掉电模式。而实现这一运行模式的关键是如何自动唤醒MCU。

1.2 WDT

WDT（Watch Dog Timer，监视计时器）由独立的128 kHz片内振荡器驱动。较其他单片机WDT溢出引起MCU复位功能外，ATmega88的WDT定时器溢出还可触发中断。ATmega88 WDT定时器逻辑图如图1所示。

WDT控制寄存器WDTCSR格式如下：

其中，WDIF为WDT超时中断标志；WDIE为WDT超时中断使能；WDCE为WDT修改使能；WDE为WDT使能；WDP[3∶0]为WDT定时器预分频器。当WDT使能时，WDP[3∶0]决定WDT的预分频器，通过设置WDT的预分频器可以调节WDT溢出时间间隔，如表1所列。

表1 WDT定时器溢出时间设置

图1 ATmega88 WDT定时器逻辑图

2 应用实践

设计一款实时温度测量存储装置，要求电池供电，连续工作一年以上。可以设定时间间隔从1 min到250 min自动测量记录温度。可以设定上下限超温报警和LED指示。温度计带232接口，可以将记录的数据上传到PC机，导入Excel，对数据分析备份。该温度计主要用来长期监测对温度变化敏感的场所，如食品仓库、养殖大棚等。原理框图如图2所示。

图2 温度计原理框图

2.1 任务分析

面对上述的设计任务，首先必须考虑功耗问题，温度传感器、实时时钟、存储器、RS232接口IC都必须选择低功耗IC；更重要的是，如何让单片机工作在最省电模式。对任务分析后，设计总流程如图3所示。上电系统初始化，执行既定任务，进入掉电模式；WDT定时唤醒MCU，返回循环体，再次执行任务，完成后又进入掉电模式。由于一次任务执行时间很短，总体上MCU处在掉电模式，从而实现微功耗。

图3 系统运行总流程

2.2 任务实现

总体方案确定后，在具体编程过程中，还需要注意很多细节；否则，单片机不能顺利唤醒，功耗也很难降低。

在进入掉电模式之前，需要恰当配置WDT：WDT使能，设定溢出时间，开WDT中断，开总中断。这样，当WDT定时器溢出时，唤醒MCU后首先进入WDT中断函数，然后返回到主循环体。WDT定时器溢出时间可以根据不同任务的实时性需要设置，从16 ms到8 s可选择。这里单次任务周期为1 min，WDT定时器设定为2 s，完全满足设计需要。WDT和休眠模式配置函数C程序如下（AVR GCC）：

void wdt_and_sleep_mode_set (void) {

cli(); //关总中断

WDTCSR = _BV(WDCE) | _BV(WDE);

//允许修改WDT

//启动WDT，允许中断，定时2 s

WDTCSR = _BV(WDE) | _BV(WDIE) | _BV(WDP2)| _BV(WDP1) | _BV(WDP0);

set_sleep_mode(SLEEP_MODE_PWR_DOWN);

//设置掉电模式

sei();//开全局中断使能

sleep_mode();//进入掉电模式

}

在执行以上函数后MCU进入掉电模式，2 s后，WDT溢出，唤醒MCU进入WDT中断函数。为了避免WDT复位，在中断函数中首先要置位WDIE，或者直接关闭WDT。WDT中断函数C程序如下：SIGNAL(SIG_WATCHDOG_TIMEOUT) {

WDTCSR = _BV(WDIE);//置位WDIE，避免WDT复位

//wdt_disable();//关闭WDT

}

中断返回将进入主循环体，执行既定的任务，完成任务后再次进入掉电模式。任务每次执行时间越短，功耗越接近掉电模式的功耗，这样设计的系统，很容易将功耗降低到10 μA以下。程序流程如图4所示。

图4 温度计程序流程

在进入掉电模式前，还要将系统中所有启用的功能模块（如ADC、SPI、TWI、UART）禁用，进一步降低功耗；当然，再次执行任务时，需要重新启用。还可以通过时钟功耗抑制寄存器PRR终止单独外设时钟的方法以降低功耗。例如，关闭ADC模块，可以向功耗抑制寄存器PRR中的PRADC位写“1”。

值得注意的是，在掉电模式下，要使端口引脚配置为最低功耗模式，必须避免引脚悬空和防止模拟输入电平接近VCC/2时消耗太多的电流。若引脚未被使用，则将引脚配置为输入，并使能内部上拉，给引脚一个确定的电平。

在启用UART数据通信模块时，特别注意的是： 在进入掉电模式前，一定要查询确认数据发送完成以后才能使MCU进入掉电模式，否则会出现通信错误。

结语

本文提出的基于WDT中断唤醒MCU的微功耗系统设计在温度测量记录仪中得到运用，实现1~250 min任意间隔定时自动测量存储，功耗达到10 μA以下，使用普通3 V钮扣电池供电，可以连续工作1年以上。