如何延長微控制器設(shè)備的電池壽命
電池供電設(shè)備,不管是電動牙刷、剃須刀、手機、個人數(shù)字助理(PDA)、MP3播放器,還是手無法夠到的遙控設(shè)備,都成為人們?nèi)粘I畹囊徊糠帧R虼?,電源管理對?dāng)今的嵌入式設(shè)計工程師來說是一件相當(dāng)重要的的事。普遍存在的微控制器在許多設(shè)備的應(yīng)用中為設(shè)計工程師提供了大量管理電源要求的方法。不同種類的MCU自身就擁有一系列節(jié)省電流消耗及許多節(jié)能特性。但是,在基于微控制器的設(shè)計中,對電源的管理不僅僅是選擇一個正確的微控制器這么簡單。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/177292.htm電源管理同樣也需要最有效地使用MCU自身的降低電流消耗及節(jié)能特性的發(fā)展策略。在系統(tǒng)層面上,即使你所選擇的MCU是獨立的,同樣能夠使用許多策略來進一步延長您的應(yīng)用設(shè)備的電池壽命。
應(yīng)用實例:無線自行車?yán)锍瘫?/span>
接下來,我們將以無線自行車?yán)锍瘫頌槔瑏碚故居行У碾娫垂芾?。該里程表由三部分模塊組成:一個位于車把上的控制面板,一個位于車輪中的速度傳感器及一個位于騎車者頭盔上的顯示器。
速度傳感器將自行車的轉(zhuǎn)速反饋給控制面板,控制面板則計算諸如:行車速度、行車?yán)锍?、行車時間及能量消耗此類信息,并將計算好的信息傳達給顯示器。下方圖1為一個自行車?yán)锍瘫砜刂泼姘宓姆娇驁D。
圖1:無線自行車?yán)锍瘫砜刂泼姘宸娇驁D,顯示了當(dāng)今MCU不斷增強的電源管理特性。
低功耗模式數(shù)量的增加
MCU幾何形狀趨小型化,以減小芯片面積,這會導(dǎo)致晶體管無法承受3V或3V以上電壓的直接作用。因此,就要在內(nèi)部邏輯中使用電壓調(diào)整器來降低電壓。
遺憾的是,這些電壓調(diào)整器會加大MCU的電流消耗。但是,由于功率大小等于電壓乘以電流,因此一個帶有調(diào)整器的1.8V至3V的系統(tǒng)功耗仍比一個不帶調(diào)整器的5V的系統(tǒng)功耗要低。
MCU很強地依賴于電源管理模式,在降低整體的工作電流的同時仍能支持調(diào)節(jié)電源和加快時鐘速度。新型MCU能夠提供許多低功耗模式來滿足這 些要求,同時保持系統(tǒng)靈活性。飛思卡爾公司的MC9S08GB60 MCU有四種低功耗模式:深度停止?fàn)顟B(tài)(stop1)、中度停止?fàn)顟B(tài)(stop2)、輕度停止?fàn)顟B(tài)(stop3)和等待模式。
在等待模式下,通過關(guān)閉CPU時鐘來降低功耗,但是系統(tǒng)時鐘由其它MCU外設(shè)來支持工作,如:模-數(shù)(A-D)轉(zhuǎn)換器、計時器或串行通信模塊。該模式在外設(shè)需要工作的情況下用于降低功耗是相當(dāng)有效的,但是CPU在外設(shè)完成任務(wù)之前不能工作。
在我們的例子中,等待模式在串行外設(shè)接口(SPI)用于與射頻(RF)收發(fā)器通信情況下使用。
要想更進一步降低功耗,可使用三種停止模式。Stop1、Stop2、Stop3分別提供不同級別的降低功耗操作。
Stop3是三種停止模式中功能性最強的一個。在Stop3模式下,片上電壓調(diào)整器處于省電模式,但仍能提供最低限度的調(diào)節(jié)來保留隨機存儲器(RAM)和輸入/輸出(I/O)寄存器的內(nèi)容。幾個中斷源和復(fù)位能夠?qū)CU從Stop3模式下喚醒。Stop3 是三種停止模式中唯一一個低電壓抑制(LVI)模塊和晶振仍能工作的模式。
在我們的例子中,在從速度傳感器讀取速度值之間的一段時間里,MCU處于等待狀態(tài),此時可使用Stop3模式。Stop3模式下工作的實時接口(RTI)功能可用于及時喚醒MCU以進行下次讀取。
Stop2的功能性較之Stop3要弱些,但其功耗更低。在Stop2模式下,電壓調(diào)整器處于節(jié)電(powered down)狀態(tài)。但是,RAM內(nèi)容仍然保存著。I/O寄存器也處于節(jié)電狀態(tài),并且當(dāng)它從停止模式被喚醒時需要進行重新配置。在Stop2中,能夠喚醒 MCU的中斷源更少,但是仍具有RTI功能。回到我們的例子中來看,Stop2可取代Stop3來更進一步降低功耗。由于該模式下RTI功能和RAM仍在 工作,所以速度讀取之間的時間仍可被測得。
Stop1是MCU中功耗最低的模式。在該模式下,電壓調(diào)整器及所有外設(shè)、CPU、RAM和I/O都完全進入節(jié)電狀態(tài)。只有復(fù)位和IRQ中斷腳能夠喚醒MCU。當(dāng)MCU能夠進入節(jié)電狀態(tài),但在外部激勵下,如按下按鈕的情況下仍需做出反應(yīng)時可用Stop1模式。
在自行車?yán)锍瘫磉@個例子中,當(dāng)里程表處于節(jié)電狀態(tài)時可進入Stop1模式。節(jié)電狀態(tài)下的Stop1模式是MCU中可能存在的功耗最小的模式,而不需從芯片上切斷電源。為什么不從芯片上將電源徹底切斷呢?因為從芯片上切斷電源需要使用一個更為昂貴的撥動開關(guān)。
同樣的,MCU可使用一個與中斷腳相連的按鈕開關(guān)來實現(xiàn)許多不同的作用。這些不同的作用取決于系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)。因此,Stop1模式能夠保持設(shè)計簡單、成本低廉、并且?guī)缀醪幌碾娏?,堪稱完美。
時鐘管理
許多設(shè)計師將低功耗與低時鐘頻率等同起來。而事實上,根據(jù)MCU正在進行的不同操作及MCU可使用何種低功耗模式,以最高的速度工作事實上能夠降低功耗。
如果MCU擁有一個有效的低功耗模式,那么使它最長時間地處于該模式下能夠最大限度地降低功耗。因此,如果CPU在返回睡眠模式之前需要執(zhí)行代碼,那么以可能的最高速度完成代碼執(zhí)行,然后返回低功耗模式比持續(xù)以低速度工作消耗的電流少。
讓我們再來看看自行車?yán)锍瘫磉@個例子,假設(shè)控制面板每秒鐘更新速度一次,并且需要循環(huán)16,000個總線周期來計算數(shù)據(jù)并在顯示器上顯示出 來。由典型的32kHz晶體工作,并且假設(shè)有一個普通的一分為二的總線時鐘,我們就能夠擁有16KHz的總線,在這種情況下,需要使用整整一秒鐘來完成計 算。
現(xiàn)在,如果我們可以使用8MHz的總線時鐘,就可以僅花費2毫秒來完成計算,剩余的998毫秒可處于低功耗模式下。
當(dāng)然,并非MCU須執(zhí)行的每項任務(wù)都會得益于高速性能。在我們的例子中,如果數(shù)據(jù)速度相當(dāng)?shù)穆?,無線通信所需的時間可能不需要8MHz的總線速率。因此,在這種情況下,要想將功耗最小化,我們就應(yīng)該盡可能慢地運行MCU,直至無線通信結(jié)束。
因此,我們需要一個時鐘靈活的MCU,如飛思卡爾公司的MC9S08GB60 MCU。擁有該設(shè)備,您可以使用高頻晶體、低頻晶體或內(nèi)部振蕩器。
擁有任一此類時鐘源,就可以隨意地使用片上頻率鎖定環(huán)(FLL)使總線速度成倍地升高或降低,來滿足任務(wù)需求并且使功耗達到最小化。圖2為自行車?yán)锍瘫砝又胁煌僮髂J较鹿牡母淖兦闆r。
圖2:在自行車?yán)锍瘫砝又校?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/如何">如何通過高活性短脈沖及時間更長的非活性低功耗模式之間的轉(zhuǎn)化來進行電源管理的圖。
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