怎樣延長(cháng)微控制器設備的電池壽命

　　電源管理同樣也需要最有效地使用MCU自身的降低電流消耗及節能特性的發(fā)展策略。在系統層面上，即使你所選擇的MCU是獨立的，同樣能夠使用許多策略來(lái)進(jìn)一步延長(cháng)您的應用設備的電池壽命。

　　應用實(shí)例：無(wú)線(xiàn)自行車(chē)里程表

　　接下來(lái)，我們將以無(wú)線(xiàn)自行車(chē)里程表為例，來(lái)展示有效的電源管理。該里程表由三部分模塊組成：一個(gè)位于車(chē)把上的控制面板，一個(gè)位于車(chē)輪中的速度傳感器及一個(gè)位于騎車(chē)者頭盔上的顯示器。

　　速度傳感器將自行車(chē)的轉速反饋給控制面板，控制面板則計算諸如：行車(chē)速度、行車(chē)里程、行車(chē)時(shí)間及能量消耗此類(lèi)信息，并將計算好的信息傳達給顯示器。下方圖1為一個(gè)自行車(chē)里程表控制面板的方框圖。

　　圖1：無(wú)線(xiàn)自行車(chē)里程表控制面板方框圖，顯示了當今MCU不斷增強的電源管理特性。

　　低功耗模式數量的增加

　　MCU幾何形狀趨小型化，以減小芯片面積，這會(huì )導致晶體管無(wú)法承受3V或3V以上電壓的直接作用。因此，就要在內部邏輯中使用電壓調整器來(lái)降低電壓。

　　遺憾的是，這些電壓調整器會(huì )加大MCU的電流消耗。但是，由于功率大小等于電壓乘以電流，因此一個(gè)帶有調整器的1.8V至3V的系統功耗仍比一個(gè)不帶調整器的5V的系統功耗要低。

　　MCU很強地依賴(lài)于電源管理模式，在降低整體的工作電流的同時(shí)仍能支持調節電源和加快時(shí)鐘速度。新型MCU能夠提供許多低功耗模式來(lái)滿(mǎn)足這 些要求，同時(shí)保持系統靈活性。飛思卡爾公司的MC9S08GB60 MCU有四種低功耗模式：深度停止狀態(tài)(stop1)、中度停止狀態(tài)(stop2)、輕度停止狀態(tài)(stop3)和等待模式。

　　在等待模式下，通過(guò)關(guān)閉CPU時(shí)鐘來(lái)降低功耗，但是系統時(shí)鐘由其它MCU外設來(lái)支持工作，如：模-數(A-D)轉換器、計時(shí)器或串行通信模塊。該模式在外設需要工作的情況下用于降低功耗是相當有效的，但是CPU在外設完成任務(wù)之前不能工作。

　　在我們的例子中，等待模式在串行外設接口(SPI)用于與射頻(RF)收發(fā)器通信情況下使用。

　　要想更進(jìn)一步降低功耗，可使用三種停止模式。Stop1、Stop2、Stop3分別提供不同級別的降低功耗操作。

　　Stop3是三種停止模式中功能性最強的一個(gè)。在Stop3模式下，片上電壓調整器處于省電模式，但仍能提供最低限度的調節來(lái)保留隨機存儲器(RAM)和輸入/輸出(I/O)寄存器的內容。幾個(gè)中斷源和復位能夠將MCU從Stop3模式下喚醒。Stop3 是三種停止模式中唯一一個(gè)低電壓抑制(LVI)模塊和晶振仍能工作的模式。

　　在我們的例子中，在從速度傳感器讀取速度值之間的一段時(shí)間里，MCU處于等待狀態(tài)，此時(shí)可使用Stop3模式。Stop3模式下工作的實(shí)時(shí)接口(RTI)功能可用于及時(shí)喚醒MCU以進(jìn)行下次讀取。

　　Stop2的功能性較之Stop3要弱些，但其功耗更低。在Stop2模式下，電壓調整器處于節電(powered down)狀態(tài)。但是，RAM內容仍然保存著(zhù)。I/O寄存器也處于節電狀態(tài)，并且當它從停止模式被喚醒時(shí)需要進(jìn)行重新配置。在Stop2中，能夠喚醒 MCU的中斷源更少，但是仍具有RTI功能?；氐轿覀兊睦又衼?lái)看，Stop2可取代Stop3來(lái)更進(jìn)一步降低功耗。由于該模式下RTI功能和RAM仍在 工作，所以速度讀取之間的時(shí)間仍可被測得。

　　Stop1是MCU中功耗最低的模式。在該模式下，電壓調整器及所有外設、CPU、RAM和I/O都完全進(jìn)入節電狀態(tài)。只有復位和IRQ中斷腳能夠喚醒MCU。當MCU能夠進(jìn)入節電狀態(tài)，但在外部激勵下，如按下按鈕的情況下仍需做出反應時(shí)可用Stop1模式。

　　在自行車(chē)里程表這個(gè)例子中，當里程表處于節電狀態(tài)時(shí)可進(jìn)入Stop1模式。節電狀態(tài)下的Stop1模式是MCU中可能存在的功耗最小的模式，而不需從芯片上切斷電源。為什么不從芯片上將電源徹底切斷呢?因為從芯片上切斷電源需要使用一個(gè)更為昂貴的撥動(dòng)開(kāi)關(guān)。

　　同樣的，MCU可使用一個(gè)與中斷腳相連的按鈕開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現許多不同的作用。這些不同的作用取決于系統當前的狀態(tài)。因此，Stop1模式能夠保持設計簡(jiǎn)單、成本低廉、并且幾乎不消耗電流，堪稱(chēng)完美。

　　時(shí)鐘管理

　　許多設計師將低功耗與低時(shí)鐘頻率等同起來(lái)。而事實(shí)上，根據MCU正在進(jìn)行的不同操作及MCU可使用何種低功耗模式，以最高的速度工作事實(shí)上能夠降低功耗。

　　如果MCU擁有一個(gè)有效的低功耗模式，那么使它最長(cháng)時(shí)間地處于該模式下能夠最大限度地降低功耗。因此，如果CPU在返回睡眠模式之前需要執行代碼，那么以可能的最高速度完成代碼執行，然后返回低功耗模式比持續以低速度工作消耗的電流少。

　　讓我們再來(lái)看看自行車(chē)里程表這個(gè)例子，假設控制面板每秒鐘更新速度一次，并且需要循環(huán)16,000個(gè)總線(xiàn)周期來(lái)計算數據并在顯示器上顯示出 來(lái)。由典型的32kHz晶體工作，并且假設有一個(gè)普通的一分為二的總線(xiàn)時(shí)鐘，我們就能夠擁有16KHz的總線(xiàn)，在這種情況下，需要使用整整一秒鐘來(lái)完成計 算。

　　現在，如果我們可以使用8MHz的總線(xiàn)時(shí)鐘，就可以?xún)H花費2毫秒來(lái)完成計算，剩余的998毫秒可處于低功耗模式下。

　　當然，并非MCU須執行的每項任務(wù)都會(huì )得益于高速性能。在我們的例子中，如果數據速度相當的慢，無(wú)線(xiàn)通信所需的時(shí)間可能不需要8MHz的總線(xiàn)速率。因此，在這種情況下，要想將功耗最小化，我們就應該盡可能慢地運行MCU，直至無(wú)線(xiàn)通信結束。

　　因此，我們需要一個(gè)時(shí)鐘靈活的MCU，如飛思卡爾公司的MC9S08GB60 MCU。擁有該設備，您可以使用高頻晶體、低頻晶體或內部振蕩器。

　　擁有任一此類(lèi)時(shí)鐘源，就可以隨意地使用片上頻率鎖定環(huán)(FLL)使總線(xiàn)速度成倍地升高或降低，來(lái)滿(mǎn)足任務(wù)需求并且使功耗達到最小化。圖2為自行車(chē)里程表例子中不同操作模式下功耗的改變情況。

　　圖2：在自行車(chē)里程表例子中，如何通過(guò)高活性短脈沖及時(shí)間更長(cháng)的非活性低功耗模式之間的轉化來(lái)進(jìn)行電源管理的圖。