如何降低需要監視外部輸入的MCU系統功耗

目前幾乎沒(méi)有應用不需要降低能耗。對于便攜設備和電池供電設備的設計師來(lái)說(shuō)，這是影響所設計產(chǎn)品的最佳性能與可用性的一個(gè)約束條件。在美國國內，諸如能源之星(EnergyStar)等計劃使得消費者能夠更好地理解這個(gè)問(wèn)題，即不僅要降低設備正常使用時(shí)的功耗，而且要降低待機模式下的功耗。越來(lái)越多的人認識到能源是一種寶貴且有限的資源。

影響系統總體能耗的主要因素之一是位于系統核心的微控制器(MCU)的性能。因此，設計師一直致力于盡最大可能地減小MCU功耗，他們主要關(guān)注三個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域。

首先是工作能耗，即在給定能量輸入條件下MCU能夠提供的有用處理工作量，顯然這是非常重要的?？梢杂妹空缀掌?MHz)的電流消耗來(lái)衡量MCU的這個(gè)指標，32位Cortex M3處理器的基準數是150μA/MHz，Energy Micro公司的EFM32 Tiny Gecko MCU就能達到這個(gè)指標。

此外，處理器也需要各種消耗電流盡可能少的睡眠和深度睡眠模式。同樣舉Gecko系列處理器的例子，停止模式下的電流約為20nA。

然而在實(shí)際應用中，影響功耗的第三個(gè)因素也許是最重要的。如果處理器在睡眠狀態(tài)沒(méi)法監視外部事件以便知道何時(shí)蘇醒，那么睡眠模式幾乎毫無(wú)用處。因此在實(shí)際使用中，大多數MCU的大部分時(shí)間處于中間的“等待輸入”模式。

這種情形的例子有很多。智能手機只有在來(lái)電或有短信時(shí)、或者用戶(hù)通過(guò)人機界面(HMI)傳感器做一些操作時(shí)才需要被喚醒。智能水表的“正常”狀態(tài)則是等待水開(kāi)始流動(dòng)。

所有這些情況下的常規解決方案是，MCU定期蘇醒過(guò)來(lái)‘檢查’其傳感輸入并進(jìn)行一些運算，以便發(fā)現是否有任務(wù)要做。這種方法面臨許多挑戰。傳感器測量一般要求系統產(chǎn)生專(zhuān)門(mén)的激勵和采樣圖案，例如，電容傳感器需要用正弦波輸入進(jìn)行激勵。在功耗和系統響應度之間最好有個(gè)權衡：手機“輪詢(xún)”觸摸屏界面次數太少的話(huà)(比如每隔幾秒)就會(huì )給人反應遲鈍的感覺(jué)而難以使用。而喚醒過(guò)程本身的代價(jià)就可能比較高，使得從睡眠模式到工作模式的轉換簡(jiǎn)直就是無(wú)用功。設計師可能會(huì )發(fā)現，讓MCU處于較高程度的喚醒狀態(tài)比費力管理這些轉換要高效得多。

一種更好更高效的方法是選擇擁有更加自治的外設與傳感器輸入系統的MCU：這樣，CPU不必醒過(guò)來(lái)做每次測量。Energy Micro公司的EFM32 Gecko系列MCU就可以提供這樣的系統，它整合了低能耗傳感器接口(LESENSE)和外設反射系統(PRS)，不需要CPU干預就能實(shí)現與I/O元件的交互。因此EFM32系列MCU可以在睡眠模式下實(shí)現許多功能，比如容性觸摸喚醒、金屬物體檢測或阻性傳感器監視等功能，消耗電流不到1.2μA。

外設反射系統(PRS)(圖1)允許片載“產(chǎn)生器”外設產(chǎn)生的信號被路由到其它“消費”外設，然后再由那些消費外設根據這些輸入完成相應的操作。“產(chǎn)生器”信號包括模擬比較器和GPIO電平輸出、來(lái)自ADC和DAC的“轉換完成”信號、來(lái)自計數器/定時(shí)器的上溢/下溢信號以及來(lái)自UART或USARTR “發(fā)/收完成”狀態(tài)消息。反射的“消費”外設包括DAC/ADC觸發(fā)器、定時(shí)器輸入和UART/USART使能輸入。


圖1: 經(jīng)過(guò)配置的EFM32外設反射系統可以根據TIMER0溢出信號啟動(dòng)一次ADC轉換，同時(shí)提供模擬比較器輸出，作為T(mén)IMER1中比較/捕捉通道的輸入。

PRS有8個(gè)通道，每個(gè)通道都有一個(gè)邊沿檢測器，可以用來(lái)從電平信號產(chǎn)生邏輯脈沖。每個(gè)通道的兩個(gè)寄存器(PRS_SWPULSE和PRS_SWLEVEL)允許每個(gè)輸出被驅動(dòng)到軟件定義的電平或邏輯‘1’。

MCU的LESENSE接口建立在這種自治外設原理之上，允許MCU在不到1?A的睡眠模式下監視多達16個(gè)外部無(wú)源(電阻、電容或電感)傳感器。這種MCU整合了模擬比較器和DAC，并受運行于32kHz時(shí)鐘源的定序器控制。比較器輸出可以用于計數、比較或直接用作中斷。要想實(shí)現精確測量，可以將DAC用作比較器的參考基準。

定序器控制哪個(gè)引腳連接到比較器、比較器工作了多長(cháng)時(shí)間以及何時(shí)應該將輸出送去計數或比較。也可以在比較器工作之前或工作之中利用DAC電壓或GPIO引腳進(jìn)行激勵。在測量之后，計數器或比較器輸出被緩沖和存儲，以供隨后的處理。

在掃描完成后，結果將被傳送給一個(gè)低功耗的解碼器，這個(gè)解碼器具有可配置的“下一個(gè)”狀態(tài)和觸發(fā)條件。這樣便可能捕捉許多傳感器讀數和組合，并且僅在匹配一段時(shí)間內的圖案后才喚醒CPU(圖2)。例如，當溫度和濕度傳感器都達到各自的閾值時(shí)才觸發(fā)喚醒，或者當壓力傳感器連續觸發(fā)10次時(shí)才喚醒CPU。


圖2: 基于模擬事件的條件喚醒。