伴隨您的一生：長期工作的超低功耗系統(tǒng)之設(shè)計

　　通過降低占空度及減小處理器、軟件與模擬接口的功率需求，系統(tǒng)就可達到1mA量級的平均電流消耗。
　　要點
　　超低功耗設(shè)備必須能在無需更換電池或給電池充電的條件下工作；
　　低占空度是關(guān)鍵，系統(tǒng)應(yīng)將其99%以上的時間花在“休眠”模式上；
　　系統(tǒng)并非總是局限于一個“低功耗”處理器上；
　　有幾種設(shè)計方法可減少傳感器接口功耗。
　　便攜式消費電子設(shè)備的需求最近一直在推動電子系統(tǒng)低功耗設(shè)計技術(shù)的發(fā)展。這些設(shè)備一般采用輕便電池作為電源，且為了能裝入口袋或公文包中，對設(shè)備的尺寸也提出了相應(yīng)的限制。盡管這些功率限制要比采用墻式插座電源的系統(tǒng)更為嚴格，但功率仍比較富裕。畢竟，用戶可以每天晚上對其iPod MP3播放機或手機進行充電。
　　那要怎樣用戶才能永遠不需要對其系統(tǒng)的電池進行充電（或更換）呢？這正是那些應(yīng)用在偏僻場合的系統(tǒng)的設(shè)計者所面臨的一個問題（在那里不可能對電池進行充電）。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（常常稱為智能傳感器或“灰塵”網(wǎng)絡(luò)）就是這樣一種應(yīng)用，即每一獨立節(jié)點的平均電流消耗約為1mA。
　　此外，其它少數(shù)幾種消費應(yīng)用也面臨同樣嚴格的功率限制，其中一個例子便是常見的家用自動調(diào)溫器（或恒溫器）。如果將恒溫器設(shè)計成需用戶來自己更換電池，則不僅會增加用戶使用手冊的復(fù)雜性，同時也會增加花在設(shè)備堅固性及接入/接出口上的費用，因此家用恒溫器通常都是密封裝置。德州儀器公司 (TI) MSP430產(chǎn)品營銷經(jīng)理Juan Alvarez對恒溫器能量預(yù)算的直接計算解釋說：“小型鋰離子電池容量大約為220 mAh，如果你能達到2.5mA的平均系統(tǒng)電流消耗，則電池大約能用10年?！倍?0年后，用戶就該更換恒溫器而不是更換電池了。
　　能以1mA量級平均電流消耗工作的系統(tǒng)的主要特點是占空度低。這種系統(tǒng)有99%以上的時間處于休眠模式中，而只偶爾蘇醒過來輪詢傳感器、處理和發(fā)送傳感器數(shù)據(jù)，然后再重新進入休眠模式。在設(shè)計這種低占空度及超低功耗系統(tǒng)時，設(shè)計者在以下兩個具有截然不同特點的方面可節(jié)省能量，即數(shù)字通信和處理，以及傳感放大器和接口電路。
　　在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，通信占去了大部分功率預(yù)算。開發(fā)商為功率相對有限的系統(tǒng)設(shè)計了最流行的無線協(xié)議。例如，像802.11無線協(xié)議，以其待機偵聽模式，就不適合低占空度網(wǎng)絡(luò)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計商Millennial Net公司首席技術(shù)官  Sokwoo Rhee認為，該公司雖考慮了Zigbee等其它無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，但發(fā)現(xiàn)這些協(xié)議需要的功率太多，因此Millennial Net公司轉(zhuǎn)而開發(fā)自己的專用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。Rhee說，“我們必須減少來回發(fā)送的控制數(shù)據(jù)包的數(shù)量，以跟上網(wǎng)絡(luò)拓撲的發(fā)展。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要減少開銷并能真正有效地發(fā)現(xiàn)和再發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)。其實這就是在節(jié)省功率，因為你無需為所有這些（低效網(wǎng)絡(luò)）開銷來使用微控制器。”
　　因此值得我們?nèi)?chuàng)建一種新協(xié)議，因為所產(chǎn)生的連鎖反應(yīng)不僅限于可節(jié)省微控制器的時間與值機功率。據(jù)Rhee稱，該公司試圖使所需的代碼覆蓋范圍最小。而像Zigbee協(xié)議的代碼覆蓋范圍則是Millennial Net公司專用協(xié)議的兩倍以上。該定制協(xié)議適合于小型存儲器空間，因此它能使用更小的微處理器，從而消耗更少的功率，并使公司能實現(xiàn)其節(jié)省功率的目標。Millennial Net公司選擇了Microchip公司的PIC16/8LF控制器芯片以實現(xiàn)其高的功率效率。未來低占空度及超低功耗設(shè)計中的處理器可能會利用低閥值設(shè)計技術(shù)的優(yōu)勢（參見附文：“亞閥值設(shè)計保持了低功耗承諾”）。

　　觸發(fā)？
　　令人吃驚的是，有時人們不必要為低功耗設(shè)計選擇一種經(jīng)過功率優(yōu)化的系統(tǒng)處理器。另一家無線傳感器網(wǎng)絡(luò)制造商AvalonRF公司首席技術(shù)官Eli Weinstein也指出，低占空度是滿足超低功耗要求的關(guān)鍵。但AvalonRF公司的系統(tǒng)處理器必須擁有足夠強大的功能來捕獲、處理并發(fā)送節(jié)點所拍攝的快照。該裝置的一個應(yīng)用例子是監(jiān)視水庫或電站等遠端設(shè)施的安全。系統(tǒng)必須能以一塊鋰離子電池來保持長達10年的工作時間。如果有傳感器被脫開，則系統(tǒng)會蘇醒，然后捕獲、處理并發(fā)送一張圖像給決策者，由他來確定是什么觸發(fā)了這一事件。