一種高性能小尺寸低成本超低功耗的M3單片機(jī)解決方案

1 方案說明
     通過使用兆易創(chuàng)新(Gigadevice)型號(hào)為 GD32F130G8U6 的高性能32位單片機(jī)(MCU)和Ambiq Micro 的超低功耗RTC AM1815來代替單顆低功耗MCU的方案。待機(jī)狀態(tài)下，MCU 完全shutdown，只有RTC工作，保持計(jì)時(shí)以及保存重要備份 數(shù)據(jù)；工作狀態(tài)下，MCU被RTC喚醒，執(zhí)行程序，工作執(zhí) 行完畢給RTC發(fā)sleep指令，控制RTC關(guān)閉MCU電源。RTC喚 醒MCU的方式可以是IO口電平變化邊沿觸發(fā)，也可以是定 時(shí)觸發(fā)。該方案相對(duì)于單芯片方案的主要優(yōu)勢(shì)有以下幾點(diǎn)。 GD32F130G6U6主要特性：ARM  Cortex-M3 內(nèi)核；最大 主頻72Hz，內(nèi)核訪問閃存高速零等待；單周期乘法器和硬 件除法器；NVIC中斷嵌套支持16個(gè)中斷，每個(gè)中斷有16個(gè) 優(yōu)先級(jí)；64K flash、8K SRAM；高性能模擬外設(shè)，1個(gè)12bit的 ADC，支持10路通道，最快轉(zhuǎn)換時(shí)間1μs；多種外設(shè)接口，
2個(gè)USART，2個(gè)SPI(18Mbit/s)，2個(gè)I2C(400Kbit/s)；片上1個(gè) 高級(jí)定時(shí)器，1個(gè)系統(tǒng)定時(shí)器，最大支持6個(gè)通用定時(shí)器，1 個(gè)DMA；支持上電復(fù)位(POR)，掉電復(fù)位(PDR)和低壓檢測(cè) (LVD)；28pin封裝，23個(gè)可用IO；內(nèi)部高速時(shí)鐘(8MHz)和 內(nèi)部低速時(shí)鐘(40kHz)。
超 低 功 耗 表 現(xiàn) 在 工 作 狀 態(tài) ： M C U 運(yùn) 行 功 耗 2 4 5 μ A / MHz，RTC 14nA；待機(jī)狀態(tài)：MCU功耗 0，RTC 14nA。待 機(jī)狀態(tài)下該系統(tǒng)的待機(jī)功耗僅為14nA，即使是市面上在低 功耗上做得最好的MCU廠家(比如Energy Micro)，其生產(chǎn)的 MCU的待機(jī)功耗也要比以上系統(tǒng)至少高一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。
當(dāng)系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間處于待機(jī)狀態(tài)的時(shí)候，該系統(tǒng)在低功耗上極具優(yōu)勢(shì)。小 尺 寸 封 裝 可 以 做 到 4 m m * 4 m m ， A M 1 8 1 5 封 裝 尺 寸
3mm*3mm。采用GD130+AM1815可以有效減小PCB設(shè)計(jì)尺寸。GD1 30屬于cor tex-M3核的超值型MCU， 價(jià)格甚至低

圖1   AM1815典型應(yīng)用電路圖
于一些M0核的MCU和8位機(jī)。而AM1815雖然可以做到極 致 低 功 耗 ， 但 本 身 還 是 一 顆 RTC ， 價(jià) 格 也 不 貴 。 對(duì) 比 過 GD130+AM1815兩顆加起來的價(jià)格，甚至低于很多主打超低 功耗的M3核和M0核的MCU。
Ambiq Micro 是一家專注于研發(fā)生產(chǎn)低功耗芯片產(chǎn)品的 美國(guó)公司，其產(chǎn)品采用先進(jìn)的SPOT技術(shù)（亞閾值功率優(yōu)化 技術(shù)），SPOT技術(shù)上世紀(jì)由物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，2004年由美國(guó) 大學(xué)研究，2010年正式應(yīng)用到產(chǎn)品里面。SPOT技術(shù)重新定 義了超低功率半導(dǎo)體的含義，為芯片建立了新的標(biāo)準(zhǔn)，從而 使得功耗做得更低。本設(shè)計(jì)中由AM1815芯片實(shí)現(xiàn)超低功耗 原理。

2 硬件參考設(shè)計(jì)

圖2   SPI讀寫過程
如圖1所示，AM1815進(jìn)入sleep模式的方式為MCU通過 SPI接口設(shè)置AM1815的sleep相關(guān)寄存器的值以使其進(jìn)入sleep 模式，當(dāng)AM1815進(jìn)入sleep模式后，會(huì)將PSW/nIRQ2引腳電 平由低變?yōu)楦撸鳤M1815的PSW/nIRQ2引腳接到MCU的 VSS，當(dāng)其電平由低變高時(shí)，MCU從上電變?yōu)閿嚯姞顟B(tài)。 AM1815從sleep模式喚醒的方式為其EXTI引腳接收到一個(gè)上 升沿或者下降沿脈沖，這樣PSW/nIRQ2引腳電平就會(huì)從高變 為低，從而MCU從斷電變?yōu)樯想姞顟B(tài)。通過以上這種方式， 以AM1815的進(jìn)入低功耗和喚醒來控制MCU的斷電和上電。

3  軟件參考設(shè)計(jì) MCU通過SPI接口讀寫AM1815寄存器時(shí)序如圖2所示： 由AM1815的datasheet中SPI讀寫時(shí)序圖大概可知，MCU
讀AM1815寄存器的過程，首先要發(fā)送一個(gè)需要讀取的寄存 器地址addr，其中addr的第7位為0表示讀，然后把MCU通過 SPI接收到的AM1815返回的第一個(gè)字節(jié)丟掉，從第二個(gè)字節(jié)開始順序接收到的數(shù)據(jù)就是讀取的數(shù)據(jù)。MCU寫AM1815的 過程類似，首先發(fā)送需要寫入的寄存器地址addr，其中addr 的第7位為1表示寫，然后依次將需要寫入的字節(jié)寫入，不用 管AM1815返回的數(shù)據(jù)。
選擇GD130的一個(gè)普通的GPIO口(例如PB7)作為控制 引 腳 ， 當(dāng) 檢 測(cè) 到 P B 7 上 有 一 個(gè) 下 降 沿 時(shí) ， 通 過 S P I 接 口 向 AM1815的sleep寄存器寫值則會(huì)控制AM1815進(jìn)入sleep模式。

4  結(jié)語
本 文 設(shè) 計(jì) 了 一 種 可 以 應(yīng) 用 于 可 穿 戴 設(shè) 備 、 便 攜 設(shè) 備 、 追 蹤 器 、 R F I D 、 支 付 U k e y 、 儀 器 儀 表 等 行 業(yè) 的 低 功耗設(shè)計(jì)方案。 該方案使用了Gigadev ice公司的高性價(jià)比 MCU GD32F130G8U6和Ambiq Micro公司的超低功耗RTC AM1815。和業(yè)界通用的單芯片方案比較，該方案具有高性 能、超低功耗、小尺寸以及低成本的特點(diǎn)。在低占空比的應(yīng) 用場(chǎng)合，該方案的優(yōu)勢(shì)更加明顯。