如何延長(cháng)微控制器設備的電池壽命

　　除了低功耗模式及時(shí)鐘管理以外，想要使功耗最小化還應在設計時(shí)考慮許多硬件和軟件方面的因素。從硬件角度來(lái)看，控制好MCU內外的外設功耗能夠在很大程度上降低整體功耗。

　　禁止片上外設使用MCU控制寄存器是一個(gè)很直接的方法，但該方法的效果可能沒(méi)有直接禁用MCU外部外設那么明顯。使用通用的I/O引腳，可以控制外部電路的功耗。

　　里程表例子中是通過(guò)速度傳感器來(lái)測量車(chē)輪的速度。這可以通過(guò)將LED和光傳感器安裝于車(chē)架上，并將槽盤(pán)安裝于車(chē)輪中來(lái)實(shí)現。持續工作的LED和光傳感器將會(huì )消耗大量的電流。而使用I/O引腳，使LED和光傳感器只在進(jìn)行速度測量時(shí)工作，就將會(huì )大大降低電流。

　　當前，分立元器件，如LED和光傳感器可以明顯地控制I/O，但僅限于能夠以類(lèi)似模式控制的電路。如果這些器件需要的電流大于MCU能夠直接提供的電流，就可以使用緩沖器作為這些電路的電源開(kāi)關(guān)。在某些情況下，將幾個(gè)I/O腳并聯(lián)在一起就能夠提供足夠的電流。

　　速度傳感器同樣有另一方法可以降低電流。如果持續讀取光傳感器來(lái)檢查光線(xiàn)是否穿過(guò)槽盤(pán)，那么MCU必須一直處于更高電流的工作模式。由于我 們所關(guān)心的僅僅是從亮到暗或從暗到亮的轉變點(diǎn)，因此可以使用中斷來(lái)代替持續輪詢(xún)。中斷使MCU進(jìn)入一個(gè)低功耗的等待模式。MCU的計時(shí)器可以持續計數，并 且通過(guò)使用與光傳感器輸出相連的一個(gè)輸入捕捉特性，我們很容易就能夠測出速度傳感器的亮/暗時(shí)間，進(jìn)而算出每分鐘轉速(RPM)。

　　如果配置不當的話(huà)，MCU的I/O腳自身就會(huì )成為過(guò)載電流源。不用的引腳應即時(shí)關(guān)閉，避免浮動(dòng)輸入造成一個(gè)大的電流路徑。在使用采取多種封裝形式的MCU時(shí)，這一點(diǎn)常常會(huì )被忽略。

　　我們常常容易忘記最高引腳數版本的封裝中，可用引腳仍在較低引腳數版本的封裝硅片上。任何浮動(dòng)的輸入引腳都會(huì )阻礙過(guò)載電流源電流的流出，在 某些情況下阻礙作用會(huì )高許多倍，如溫度變化的情況下。在這些情況下，應啟動(dòng)內部上拉或者如果該引腳是I/O引腳，可將其配置成輸出引腳(如果該引腳驅動(dòng)的 是開(kāi)路，則與數據無(wú)關(guān))。

　　延長(cháng)壽命的系統軟件策略

　　從軟件角度來(lái)看，有一些明顯的降低功耗的竅門(mén)。如前所述，保存能量的最佳方法就是盡可能長(cháng)時(shí)間地處于最低功耗狀態(tài)。

　　由于在工作狀態(tài)下，CPU活躍地執行各種指令，永遠不會(huì )處于最低功耗狀態(tài)中。因此，我們必須將CPU需要執行的工作量最小化。這就應該使CPU更快地完成其任務(wù)，讓MCU迅速返回低功耗模式中。

　　這兒有一些降低CPU工作時(shí)間的技巧。盡量使用最短的數據類(lèi)型。當寫(xiě)入C代碼時(shí)，我們很容易忘記一點(diǎn)，即普通的整數常常被定義為16位或32位的數字，即使是在8位MCU的編譯器中亦是如此。

　　對于8位的器件，應默認使用8位字符類(lèi)型，除非必須使用更長(cháng)的字節。即使字節長(cháng)度需要更長(cháng)，同樣可以通過(guò)將16位或32位數字分解成幾個(gè)8位片段，只在數據處理最后階段才將其連接起來(lái)的方法就可以降低代碼長(cháng)度。

　　如果有額外的內存來(lái)使用直接插入碼，就應避免使用短循環(huán)或子程序調用。每個(gè)循環(huán)和子程序都會(huì )使用額外的CPU周期來(lái)確認循環(huán)是否完成，或者是將程序計數器推入堆棧和彈出堆棧。

　　如果你知道一個(gè)短循環(huán)只會(huì )執行四次，那么就在一行之內寫(xiě)入四次相同的代碼，而避免使用for-next或while-loop循環(huán)語(yǔ)句。如果一個(gè)子程序只有10或20比特的代碼，考慮將其直接插入以取代使用子程序。在簡(jiǎn)單的任務(wù)中，這種方法將大大降低CPU負載。

　　在適當的時(shí)候將數值預先計算好?；氐轿覀兊淖孕熊?chē)里程表例子中，根據主控制面板是與顯示器還是與速度傳感器進(jìn)行對話(huà)，假設RF鏈路分別采用兩種波特率。當寫(xiě)入C代碼時(shí)，將實(shí)際波特率代替串行接口所需的實(shí)際預算數值傳輸給串行接口設置程序可能更好。

　　畢竟這會(huì )使代碼的可讀性更強些。但是，這同樣也導致串行接口程序不得不在波特率每次發(fā)生改變時(shí)都根據新的波特率計算出預算數值。將預算數值預先算好并傳輸給串行設置程序將會(huì )減少CPU周期和代碼長(cháng)度。

　　要考慮使用查表方法取代復雜的計算。如飛思卡爾公司HCS08家族的MCU就擁有非常有效的訪(fǎng)問(wèn)表格數據的指令和尋址模式。根據計算的復雜 性，該方法能夠節省一些CPU的計算。如果計算仍不可避免，那么就應在程序開(kāi)始之前確保盡早退出計算。 簡(jiǎn)單的例子是通過(guò)“1”或“0”搜索乘法運算。

　　本文小結

　　當今的多功能微控制器能夠為電池供電應用的設計工程師提供許多延長(cháng)此類(lèi)設備電池壽命的方法。多種低功耗模式和靈活的時(shí)鐘源讓設計工程師能夠 對節能和所需的性能進(jìn)行管理，以實(shí)現設計目標。當CPU要求高時(shí)進(jìn)行高速運作，反之則進(jìn)行低速運作。要在任何可能的時(shí)候轉入低功耗模式。

　　除了對MCU自身功耗進(jìn)行管理之外，通過(guò)深謀遠慮的系統規劃可使MCU管理整個(gè)系統的功耗。MCU能夠在需要時(shí)使系統內的設備和電路開(kāi)始運作或停止運作，幾乎如同MCU管理其片上外設一樣簡(jiǎn)單。

　　不可忽視的是，軟件工程師們可以通過(guò)建立CPU周期意識來(lái)延長(cháng)電池使用壽命。CPU所執行的指令越少，MCU就能夠越快地進(jìn)入低功耗模式。 創(chuàng )造許多簡(jiǎn)單的函數可以縮短代碼長(cháng)度，但是卻斷送了縮短電池壽命的努力。另一方面，盡可能使用最短的數據類(lèi)型會(huì )在縮短代碼長(cháng)度的同時(shí)延長(cháng)電池壽命。

　　因此，下次選用電池供電系統設計時(shí)，別忘了對您的MCU做出明智的選擇，同時(shí)使用MCU能夠提供的所有功能來(lái)管理整個(gè)系統的功耗。