以0 MIPS運(yùn)行你的嵌入式系統(tǒng)

作者　 ?ivind Loe Silicon Labs微控制器產(chǎn)品高級(jí)營(yíng)銷經(jīng)理

摘要：本文介紹了降低MCU功耗的重要性、方法及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。

　　即使是在諸如物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的無(wú)線連接這種主導(dǎo)功耗的事件中，讓盡可能多的進(jìn)程自主運(yùn)行，也可大大提高電池壽命。

　　降低功耗一直是微控器(MCU)市場(chǎng)的一個(gè)主要關(guān)注點(diǎn)。超低功耗MCU現(xiàn)在可以大大降低工作模式和深度睡眠模式下的功耗。這種變化的效果是顯而易見的，它大大提高了我們?nèi)粘Ｇ度胧綉?yīng)用中的電池壽命，并且提供了在未來(lái)使用能量收集的可能性。然而，要基于新型MCU降低功耗，開發(fā)人員必須考慮到許多因素。開發(fā)人員可以利用新型MCU中外設(shè)的自主運(yùn)行，通過(guò)更接近以“0”MIPS運(yùn)行，來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)手冊(cè)中所承諾的低功耗。

　　對(duì)于在功耗敏感型物聯(lián)網(wǎng)(IoT)應(yīng)用中所使用的新型MCU和無(wú)線MCU(WMCU)來(lái)說(shuō)，執(zhí)行代碼時(shí)的功耗已經(jīng)明顯下降，甚至達(dá)到40μA/ MHz以下。使用這些低功耗規(guī)格，為什么需要睡眠模式?為什么不以500 kHz運(yùn)行你的代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)20μA的電流消耗，并且允許你的應(yīng)用使用電池運(yùn)行10年?其實(shí)事情并不是這么簡(jiǎn)單的。

　　睡眠模式下的功耗在過(guò)去幾年中也有顯著的改善。我們現(xiàn)在可以看到深度睡眠模式下的功耗低于2μA，而一些睡眠模式下的功耗甚至低于50 nA。你可能會(huì)覺(jué)得擁有這些模式設(shè)計(jì)出來(lái)的系統(tǒng)功耗自然很低，然而，事實(shí)并非如此，應(yīng)用能否利用睡眠模式才是關(guān)鍵。

工作模式是好，也是壞

　　使用MCU或WMCU的最直接的方法是讓CPU管理一切。例如，你可以啟動(dòng)模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)，將一些數(shù)據(jù)放入通信接口(如USART傳輸)中，讀取ADC數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)做出一些處理，所有一切都由CPU直接控制。直接的CPU控制簡(jiǎn)化了開發(fā)，但其成本是：每當(dāng)外設(shè)或外部事件需要處理時(shí)，MCU都將處于工作模式，從而使功耗大增。

　　近期，一些數(shù)據(jù)手冊(cè)顯示工作模式的電流是40μA/MHz，甚至更低，它們通常是高時(shí)鐘頻率下的參數(shù)，低頻下會(huì)變大，進(jìn)而導(dǎo)致絕對(duì)功耗變大。這是因?yàn)樵诠ぷ髂Ｊ较碌念l率和功耗不是線性關(guān)系。功耗由如下兩部分組成(其中第二部分和頻率聯(lián)系不緊密)：

　　1)處理器本身，它是和頻率按比例變化的;

　　2)有基礎(chǔ)工作電流的模塊，比如低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)、欠壓檢測(cè)器(BOD)等。

　　要想降低功耗，應(yīng)盡可能地減少M(fèi)CU在高功耗的工作模式下運(yùn)行，盡可能地關(guān)閉外設(shè)，讓CPU盡可能多地睡眠。

功耗預(yù)算

　　對(duì)于受限于能源的電池供電型應(yīng)用來(lái)說(shuō)，要知道能源消耗在哪里才能進(jìn)行優(yōu)化。表1顯示了一個(gè)傳感器檢測(cè)無(wú)線應(yīng)用的功耗預(yù)算，它的功耗優(yōu)化不太好。

　　通過(guò)平均計(jì)算每個(gè)組件的功耗來(lái)測(cè)量或估計(jì)功耗。如果CPU占空比為兩個(gè)百分點(diǎn)，并且在60μA/ MHz時(shí)工作在20 MHz，則CPU的消耗為24μA。

　　表1所示的功耗預(yù)算是根據(jù)功能劃分的。例如，基礎(chǔ)睡眠電流包括一個(gè)低頻振蕩器和一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)來(lái)對(duì)系統(tǒng)事件進(jìn)行定時(shí)從而允許深度睡眠。傳感器測(cè)量部分是由一個(gè)0.5kHz的中斷觸發(fā)，中斷之間深度睡眠。低功耗藍(lán)牙每秒鐘都要把數(shù)據(jù)發(fā)出去，這是個(gè)很普遍的低功耗應(yīng)用。最后，還有一些非MCU部分的功耗。MCU可能無(wú)法直接控制這些模塊中的一部分，包括電源管理外設(shè)，在這個(gè)例子中，MCU是直接控制ADC對(duì)傳感器進(jìn)行采樣，如果不是的話，傳感器電流將完全是圖片中的數(shù)據(jù)。對(duì)于這個(gè)例子，傳感器的持續(xù)電流大約是390μA，但是通過(guò)調(diào)整占空比，每個(gè)ADC采樣僅僅使用了10 μs的時(shí)間，從而可以大大降低功耗。

　　如果該無(wú)線應(yīng)用由具有225 mAh容量的CR2032電池供電，則在61.5μA功耗下操作時(shí)其壽命約為0.4年。事實(shí)上，我們可以做得更好。

改善現(xiàn)狀

　　我們來(lái)看看降低MCU傳感器測(cè)量電流的方法。雖然此示例涉及ADC測(cè)量外部傳感器，但相關(guān)示例可能集中在一系列不同類型的測(cè)量以及與外部環(huán)境的交互上。在這兩種情況下，MCU和外部環(huán)境之間都會(huì)發(fā)生頻繁的交互。

　　實(shí)現(xiàn)低功耗傳感的最簡(jiǎn)單的方法是讓CPU盡可能多地處于睡眠模式，只在采樣時(shí)喚醒，并盡可能快地重回睡眠模式。對(duì)于非常低的采樣率來(lái)說(shuō)，這種方法很好，但是從圖1可以看出，當(dāng)采樣率或每秒交互次數(shù)增加時(shí)，系統(tǒng)的功耗也會(huì)顯著增加：

　　許多類型的應(yīng)用必須具有頻繁的活動(dòng)，同時(shí)還需要保持電池壽命。超過(guò)1kHz的活動(dòng)率并不是聞所未聞，這時(shí)候就需要采取措施來(lái)保持低功耗。

　　圖2顯示了傳感器管理的兩種附加方法。外設(shè)反射系統(tǒng)/直接存儲(chǔ)器訪問(wèn)(PRS / DMA)方法使CPU在完全不參與的情況下在深度睡眠模式進(jìn)行ADC采樣。而不是RTC喚醒CPU，然后CPU啟動(dòng)ADC進(jìn)行采樣。RTC通過(guò)事件系統(tǒng)(如Silicon Labs的PRS)將事件直接發(fā)送到ADC。ADC在接收到此事件時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)ADC轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換完成后，DMA在這種情況下也能夠從深度睡眠模式下運(yùn)行，從ADC獲取數(shù)據(jù)并將其存儲(chǔ)在RAM中。 PRS / DMA方法的好處是顯著降低了電流消耗。在1 kHz時(shí)，系統(tǒng)電流從58μA降低到25μA。

　　驅(qū)動(dòng)ADC的更有效的方法是PRS /比較器(CMP)方法，其中RTC仍然通過(guò)PRS系統(tǒng)觸發(fā)ADC，但在這種情況下，ADC立即使用比較功能對(duì)樣本進(jìn)行評(píng)估，除非發(fā)現(xiàn)有需要的數(shù)據(jù)，否則不使用DMA或CPU。這種方法能夠?qū)崿F(xiàn)1 kHz采樣率時(shí)系統(tǒng)電流只有3.5μA。

動(dòng)態(tài)ADC比較器

　　使用PRS/CMP方法，大部分采樣數(shù)據(jù)都被丟棄，CPU只關(guān)注需要處理的數(shù)據(jù)。當(dāng)信號(hào)變化緩慢時(shí)，或者需要特定的信號(hào)時(shí)，這種方法很有效。

　　當(dāng)使用比較功能監(jiān)視信號(hào)時(shí)，一種方法是測(cè)量信號(hào)，然后根據(jù)這個(gè)信號(hào)設(shè)置閾值，只要信號(hào)在閾值范圍內(nèi)，那么當(dāng)ADC測(cè)量信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)可以保持在深度睡眠模式，當(dāng)然CPU也保持在睡眠模式。

　　然而，如果信號(hào)發(fā)生變化，并且超過(guò)閾值，系統(tǒng)將知道該信號(hào)，并采取適當(dāng)?shù)拇胧?。在回到睡眠模式之前，ADC閾值將重新配置以適應(yīng)新的信號(hào)值，因此系統(tǒng)可以再次進(jìn)入睡眠模式，直到下一次信號(hào)發(fā)生變化。圖3顯示了這種技術(shù)的示例。圓點(diǎn)表示ADC樣本，箭頭表示每當(dāng)CPU被喚醒時(shí)，它將記錄本次變化并重新配置閾值。

　　使用這種方法，系統(tǒng)實(shí)際上將丟失一些信號(hào)準(zhǔn)確性，因?yàn)樾盘?hào)可以在觸發(fā)器之間的閾值范圍內(nèi)任意移動(dòng)。然而，益處是功耗顯著降低。

　　如果系統(tǒng)的目標(biāo)是測(cè)量信號(hào)的動(dòng)態(tài)值，則PRS / DMA驅(qū)動(dòng)方法是理想的，因?yàn)樗顾袛?shù)據(jù)可用，同時(shí)仍然可以提供非常有益的節(jié)能特性。

自主工作子系統(tǒng)

　　ADC示例只是眾多通過(guò)睡眠模式降低應(yīng)用功耗的方法之一。專注于低功耗應(yīng)用的新型MCU(如Silicon Labs的EFM32 Gecko MCU)擁有大量功能，可在深度睡眠模式下運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)高水平的自主行為。

　　例如，Gecko MCU的LESENSE(低功耗傳感)模塊可以自動(dòng)地、周期性地采樣多達(dá)16個(gè)通道，完全不需要CPU參與。它可以實(shí)現(xiàn)高頻率檢測(cè)且充電1次就能工作10年。

　　在許多情況下，單個(gè)外設(shè)可以自主地履行其職責(zé)，但也有許多需要交互的情況。在這種情況下，我們可以利用諸如在當(dāng)前一些新型MCU中存在的PRS系統(tǒng)這樣的外設(shè)互連。這些外設(shè)互連允許多個(gè)外設(shè)連接以自主執(zhí)行更復(fù)雜的任務(wù)。

　　圖4顯示了這樣的自主系統(tǒng)示例，其使用事件鏈來(lái)執(zhí)行其功能：

　　1)RTC以給定的時(shí)間周期性地發(fā)送PRS信號(hào)至ADC以啟動(dòng)轉(zhuǎn)換;

　　2)RTC同時(shí)啟動(dòng)外部傳感器，這樣在測(cè)量時(shí)信號(hào)就已經(jīng)準(zhǔn)備好了;

　　3)ADC完成采樣并通知DMA，DMA把數(shù)據(jù)傳送到RAM;

　　4)來(lái)自ADC的完成PRS信號(hào)關(guān)閉外部傳感器;

　　5)當(dāng)緩沖器滿時(shí)中斷喚醒CPU，或者超過(guò)ADC閾值時(shí)中斷喚醒CPU;

　　6)可選項(xiàng)：PRS看門狗監(jiān)視事件循環(huán)，確保它保持運(yùn)行。

　　DMA可以從圖4所示系統(tǒng)中拿走，通過(guò)設(shè)置ADC的比較功能來(lái)做到更省電。

　　這些自主子系統(tǒng)具有顯著節(jié)能和即使CPU負(fù)載很重時(shí)傳感器依舊可以穩(wěn)定工作的優(yōu)點(diǎn)。

　　缺點(diǎn)是，并不是所有的MCU都支持這種類型的操作，并且在設(shè)置交互時(shí)，你會(huì)希望像硬件設(shè)計(jì)人員一樣思考?？傊瑢?duì)于許多電池供電型應(yīng)用來(lái)說(shuō)，其優(yōu)點(diǎn)明顯多于缺點(diǎn)。

結(jié)論

　　通過(guò)利用各種節(jié)能技術(shù)，當(dāng)傳感器測(cè)量時(shí)，CPU幾乎完全脫離工作。對(duì)于表1所示的無(wú)線應(yīng)用，這將使總平均功耗從61.5μA降低到37.5μA，降低了39%，從而使電池壽命從大約5個(gè)月延長(zhǎng)到8個(gè)月，增加了64%，或者可以允許電池尺寸減小以改善系統(tǒng)外形。

　　對(duì)于非無(wú)線應(yīng)用，節(jié)能將更加顯著。表1中的示例，能耗將從29.5μA降低到5.5μA，由CR2032電池供電，理論上壽命將從10個(gè)月延長(zhǎng)到4.6年。

　　本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第8期第75頁(yè)，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。