低功耗無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )

利用功耗模式的優(yōu)勢
接下來(lái)，考慮一種具有代表性的情形，在這種情況下，選擇不同單片機功耗模式對系統所用總功率有巨大影響。以基本遠程溫度傳感器為例，該應用收集較長(cháng)時(shí)間段內的數據，可能運用較為成熟的噪聲濾波算法對數據進(jìn)行處理，然后將單片機重新置于待機模式，直到需要更多采樣測量為止。它還采用無(wú)線(xiàn)射頻（RF）傳輸方式將溫度信息報告給中央控制臺。

對溫度進(jìn)行采樣需要使用MCU的片上模數轉換器（ADC），并且僅需適當的處理能力。在噪聲濾波階段，單片機必須采用處理能力較高的模式來(lái)計算高級濾波算法，并盡快將結果存回存儲器。因此，單片機運行并消耗功率的總時(shí)間縮短了。

每隔一段預定的時(shí)間間隔，單片機就會(huì )組合所有的采樣結果并采用RF收發(fā)器設備發(fā)送至中央控制臺。需要精確時(shí)序來(lái)確保無(wú)線(xiàn)傳感器在預先分配的時(shí)隙內發(fā)送這一信息，從而允許同一系統中的多個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)協(xié)同工作。

我們如何管理喚醒處理器的頻率呢？通過(guò)配合使用定時(shí)器外設和集成32 kHz振蕩器電路，單片機能很精確地每秒產(chǎn)生一次中斷，從而保證喚醒時(shí)間準確。此中斷事件還可以使單片機按預定的時(shí)間表向采樣緩沖區填充溫度數據。

單片機填充完溫度采樣緩沖區后，它將切換至處理器速度較高的模式，完成較為成熟的噪聲濾波算法計算，然后盡快返回休眠模式，以縮短工作時(shí)間。單片機采用同樣的實(shí)時(shí)時(shí)鐘功能來(lái)決定將捕捉到的采樣數據發(fā)送回中央控制臺的時(shí)間。確定單片機的最優(yōu)功耗模式以使總電流消耗最低取決于多個(gè)因素，下文將對此進(jìn)行討論。

在低功耗應用中優(yōu)化功耗
要使總功耗最低，僅選擇單片機功耗最低的模式是不夠的。我們還必須確定單片機需要完成的每個(gè)任務(wù)的工作量——例如，采樣外部溫度傳感器。一旦確定每個(gè)任務(wù)的性能需求，我們還必須確定每個(gè)任務(wù)的最優(yōu)能源利用率。對于前面提到的公式：能量=時(shí)間×電壓×電流，由于系統總體需求和實(shí)際電源決定電壓值，因此我們通常無(wú)法改變公式中的電壓，這樣我們只能操作兩個(gè)參數：時(shí)間和電流。我們需要權衡單片機的工作時(shí)間和電流消耗。下面將探討在執行上述分析時(shí)要切記的一些特定于單片機的參數。

處理器喚醒
將單片機置于低功耗模式后，有一些外部源可將其喚醒。喚醒事件可通過(guò)USB事件、實(shí)時(shí)時(shí)鐘事件，甚至是I/O引腳上的外部觸發(fā)信號發(fā)生。單片機從低功耗“休眠”模式喚醒并開(kāi)始執行代碼的時(shí)間非常重要。通常，我們努力使這個(gè)時(shí)間盡可能短，這也是我們之所以要在“休眠”和“深度休眠”工作模式之間選擇的原因。若每秒喚醒一次單片機，由于從“休眠”模式喚醒時(shí)，單片機可在10μs內開(kāi)始執行代碼，而無(wú)須首先初始化任何軟件存儲單元，因而該模式可能是最優(yōu)選擇。若單片機處于低功耗狀態(tài)的時(shí)間較長(cháng)——例如，數分鐘甚至數小時(shí)才喚醒一次，則“深度休眠”模式可能是最優(yōu)選擇。關(guān)鍵是要使單片機的總電流消耗最小。如果單片機處于低功耗關(guān)斷模式的時(shí)間較長(cháng)，那么300μs 的喚醒時(shí)間與數分鐘或數小時(shí)的深度休眠時(shí)間相比就微不足道了。

系統級喚醒事件的另一個(gè)絕佳示例，可采用通過(guò)串行接口連接到處理器的外部RF芯片進(jìn)行演示。不使用處理器時(shí)，可將其置于某個(gè)低功耗狀態(tài)下，僅保持RF芯片運行。由于新一代RF芯片的邏輯僅負責查找進(jìn)入的RF數據包，因此在工作狀態(tài)下消耗的電流很小。一旦接收到與所分配給該單元的地址相關(guān)的有效數據包，就將喚醒單片機開(kāi)始處理信息。此類(lèi)功耗模式機制較常用于基于射頻網(wǎng)絡(luò )的解決方案中，諸如那些基于ZigBee無(wú)線(xiàn)協(xié)議的解決方案。

時(shí)鐘頻率
單片機從外部或內部時(shí)鐘源獲取系統時(shí)鐘頻率。單片機采用該時(shí)鐘頻率并將其分頻以得到應用程序軟件所需的工作時(shí)鐘頻率。較低的頻率通常等同于較低的功耗。有時(shí)，單片機還可以采用鎖相環(huán)將外部時(shí)鐘頻率倍頻。外部時(shí)鐘信號通常來(lái)自晶振或稱(chēng)為晶體振蕩器。

當器件進(jìn)入低功耗模式時(shí)，單片機還可以禁止輸入晶體放大器電路，這樣也許可節省幾毫安的電流，但會(huì )以恢復正常工作狀態(tài)時(shí)延長(cháng)振蕩器的導通時(shí)間（由于外部晶振的起振延時(shí)）為代價(jià)。然而，有些單片機具有采用雙速啟動(dòng)模式的能力，在這種模式下，單片機將使用內部振蕩器立即開(kāi)始運行，并在更精確的外部時(shí)鐘源有足夠時(shí)間穩定后，自動(dòng)切換至外部時(shí)鐘源。

單片機控制自身時(shí)鐘頻率的能力允許軟件工程師在保證總電流消耗最少的情況下，選擇適合于特定任務(wù)的時(shí)鐘速度。因此，工程師需要評估能量公式中的時(shí)間×電流元素，以確定哪種方案比較好：在較短時(shí)間段內全速運行，在較長(cháng)時(shí)間段內較慢運行，或者選個(gè)中間速度。