利用MSP430 FRAM微控制器實(shí)現能量采集

　　對于很多人來(lái)說(shuō)，第一次接觸能量采集可能是在早期使用太陽(yáng)能便攜式計算器的時(shí)候，雖然如今這種類(lèi)型的計算器已不再是主流，但是它所使用的技術(shù)和理念仍然應用于我們的日常生活中。目前，我們在許多的應用中都能看到能量采集的身影，例如傳感器節點(diǎn)、風(fēng)力渦輪機和室內供能應用等。不過(guò)，即使對于這項技術(shù)的討論較之前已經(jīng)有了很大的發(fā)展，當涉及到能量采集時(shí)，開(kāi)發(fā)人員仍然面臨著(zhù)與數十年前一樣的挑戰。

　　為了在不帶來(lái)負面影響的情況下產(chǎn)生出所需的能量，通常需要一塊物理尺寸很大的太陽(yáng)能板和一套巨大的熱能采集裝置，或者是通過(guò)設備發(fā)出不同頻率范圍的振動(dòng)來(lái)獲得能量，而一切都是由所使用的系統決定。因此，在很多情況下，這個(gè)系統的成本甚至會(huì )超過(guò)取代傳統電源所帶來(lái)的優(yōu)勢。當然，如果由于某些因素必須忽略這些限制的話(huà)，也會(huì )有例外的情況。例如，在電力線(xiàn)無(wú)法到達的偏遠地區，風(fēng)能或太陽(yáng)能采集可以為電池供電系統提供一個(gè)可行的替代能源，盡管這種方法的初始成本會(huì )比較高。

　　下面讓我們來(lái)看一看目前能量采集解決方案所面臨的幾個(gè)重大挑戰。

　　圖1—經(jīng)簡(jiǎn)化的通用框圖

　　首先，通過(guò)上方的簡(jiǎn)化通用框圖可以看到，這個(gè)系統由輸入和輸出組成，其中包括傳感器、按鈕、LED、顯示屏、發(fā)聲器以及目前越來(lái)越普遍的無(wú)線(xiàn)連通性。這個(gè)典型物聯(lián)網(wǎng)(IoT)架構的邊緣節點(diǎn)可以通過(guò)Wi-Fi®、Bluetooth®、NFC / RFID或是其它專(zhuān)有接口進(jìn)行通信。這些無(wú)線(xiàn)連接所需的電能低至數uA，而最高也只需要幾十或幾百mA，在數十毫秒的時(shí)間內即可為相關(guān)的RF IC和子系統供電。

　　圖2—常見(jiàn)RF電能使用量圖表

　　在很多應用中，設計人員希望將傳感器或其它數據存儲在非易失性存儲器中，因為即使在電力中斷時(shí)，也可以恢復采集到的數據。所以，諸如EEPROM或FLASH等現存的通用存儲器技術(shù)在這些能量受限的情況下并不總是最佳選擇。

　　幸運的是，技術(shù)的發(fā)展方向正讓能量采集系統變得可行。其中一項技術(shù)集成就是TI的鐵電隨機訪(fǎng)問(wèn)存儲器或FRAM微控制器(MCU)系列。FRAM技術(shù)將SRAM存儲器的很多優(yōu)勢結合在一起，而同時(shí)又具有FLASH存儲器的非易失性。一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢就是超低功耗非易失性FRAM的寫(xiě)入，與FLASH不同的是，這些寫(xiě)入無(wú)需預擦除周期，從而節省了時(shí)間和電能。另外一個(gè)優(yōu)勢就是FRAM單元的固有低壓寫(xiě)入，傳統閃存或EEPROM技術(shù)需要一個(gè)集成電荷泵來(lái)完成預擦除周期，而這通常需要5-10mA的電流，運行時(shí)間則需要數百毫秒，在需要頻繁非易失性寫(xiě)入的應用中，這個(gè)額外的能耗會(huì )消耗可觀(guān)的電池電量或采集得來(lái)的能量。

　　購買(mǎi)一次性電池的開(kāi)銷(xiāo)雖然不是很高，不過(guò)它們所造成的影響極其深遠。全球每年新電池的銷(xiāo)售量在數十億節，而其中只有一小部分是可回收的，這就產(chǎn)生了大量的填埋垃圾。一次性電池的另外一個(gè)缺點(diǎn)就是，無(wú)論是電池本身或是整個(gè)系統，都需要在某些情況下的某個(gè)時(shí)刻進(jìn)行替換，而這就產(chǎn)生了潛在的挑戰。試想一下，如果電池被安裝在部署于海洋底部或山頂的系統中，我們應該如何替換呢?事實(shí)上，電池更換的開(kāi)銷(xiāo)可能非常巨大。雖然可充電電池能夠減少替換電池的數量，不過(guò)，就可充電電池本身而言，它們不一定會(huì )能夠解決電池更換所帶來(lái)的所有挑戰。當我們使用能量采集對可充電電池進(jìn)行充電時(shí)，這些電池的確能夠帶來(lái)利益。

　　目前，太陽(yáng)能、熱能、運動(dòng)能(振動(dòng)或其它動(dòng)力學(xué)效應)和RF等能源已經(jīng)被廣泛接受。其它能源也正處于開(kāi)發(fā)過(guò)程中，例如有可能從人類(lèi)血液中發(fā)生的電化學(xué)反應采集能量，或者是從植物和樹(shù)木內部的此類(lèi)反應中采集能量。

　　在理想情況下，這些能源將是綿延不斷的，不過(guò)實(shí)際情況并非如此。以太陽(yáng)能采集裝置為例，飄動(dòng)的云彩也許會(huì )遮住太陽(yáng)光，而室內設施的燈光也不可能永遠開(kāi)啟?；谡駝?dòng)的采集裝置通常在一個(gè)共振頻率附近運行，從而限制它們的運行范圍，而熱能采集裝置會(huì )在無(wú)法保持合適的溫差時(shí)損失效率或完全停止運行。歸根結底，我們不能依賴(lài)這個(gè)能源保持連續的7x24小時(shí)運行，所以我們需要冗余結構。在某些情況下，這個(gè)結構有可能是第二采集能源或是一節可充電電池。即使是太陽(yáng)能計算器都包含一塊CR2025電池，以便在辦公室光線(xiàn)較暗時(shí)作為太陽(yáng)能的備用能源。

　　處理電力損耗成為一名能量采集節點(diǎn)設計人員的主要考慮因素?，F代微控制器在通電時(shí)通過(guò)啟動(dòng)順序運行，這往往需要幾毫秒并且會(huì )消耗寶貴的電能。如果電力中斷，大多數微控制器需要重啟，并且在每次電力恢復時(shí)運行這個(gè)啟動(dòng)代碼。

　　FRAM存儲器本身是Compute Through Power Loss(CTPL)這款高度創(chuàng )新型軟件實(shí)用工具的使能器件。我們甚至可以將CTPL看成是一種非易失性中斷處理例程，在這個(gè)例程中，當檢測到電力損耗時(shí)(通常使用一個(gè)比較器或ADC輸入)，關(guān)鍵參數和微控制器狀態(tài)就被保存至非易失性存儲器(NVM)。在出現電力中斷的情況下，FRAM所具有的優(yōu)勢將顯露無(wú)疑，因為設計人員可以直接從中斷的位置繼續工作而不是從頭開(kāi)始。

　　憑借128KB FRAM MSP430™ 微控制器的低成本MSP430FR6989 MCU Launchpad™ 開(kāi)發(fā)套件能夠進(jìn)行簡(jiǎn)單演示。

　　通過(guò)將FRAM技術(shù)、Compute Through Power Loss代碼和Energy Harvesting BoosterPack™ 插入式模塊組合在一起，我們?yōu)楹芏嗄芰坎杉瘋鞲衅鞴濣c(diǎn)打下了良好基礎。bq25570所提供的電源備妥信號可以作為Compute Through Power Loss激活的觸發(fā)信號，從而在電力中斷后節省了時(shí)間和寶貴的電能。