一種高性能小尺寸低成本超低功耗的M3單片機解決方案

1 方案說(shuō)明
     通過(guò)使用兆易創(chuàng )新(Gigadevice)型號為 GD32F130G8U6 的高性能32位單片機(MCU)和Ambiq Micro 的超低功耗RTC AM1815來(lái)代替單顆低功耗MCU的方案。待機狀態(tài)下，MCU 完全shutdown，只有RTC工作，保持計時(shí)以及保存重要備份 數據；工作狀態(tài)下，MCU被RTC喚醒，執行程序，工作執 行完畢給RTC發(fā)sleep指令，控制RTC關(guān)閉MCU電源。RTC喚 醒MCU的方式可以是IO口電平變化邊沿觸發(fā)，也可以是定 時(shí)觸發(fā)。該方案相對于單芯片方案的主要優(yōu)勢有以下幾點(diǎn)。 GD32F130G6U6主要特性：ARM  Cortex-M3 內核；最大 主頻72Hz，內核訪(fǎng)問(wèn)閃存高速零等待；單周期乘法器和硬 件除法器；NVIC中斷嵌套支持16個(gè)中斷，每個(gè)中斷有16個(gè) 優(yōu)先級；64K flash、8K SRAM；高性能模擬外設，1個(gè)12bit的 ADC，支持10路通道，最快轉換時(shí)間1μs；多種外設接口，
2個(gè)USART，2個(gè)SPI(18Mbit/s)，2個(gè)I2C(400Kbit/s)；片上1個(gè) 高級定時(shí)器，1個(gè)系統定時(shí)器，最大支持6個(gè)通用定時(shí)器，1 個(gè)DMA；支持上電復位(POR)，掉電復位(PDR)和低壓檢測 (LVD)；28pin封裝，23個(gè)可用IO；內部高速時(shí)鐘(8MHz)和 內部低速時(shí)鐘(40kHz)。
超 低 功 耗 表 現 在 工 作 狀 態(tài) ： M C U 運 行 功 耗 2 4 5 μ A / MHz，RTC 14nA；待機狀態(tài)：MCU功耗 0，RTC 14nA。待 機狀態(tài)下該系統的待機功耗僅為14nA，即使是市面上在低 功耗上做得最好的MCU廠(chǎng)家(比如Energy Micro)，其生產(chǎn)的 MCU的待機功耗也要比以上系統至少高一個(gè)數量級以上。
當系統長(cháng)時(shí)間處于待機狀態(tài)的時(shí)候，該系統在低功耗上極具優(yōu)勢。小 尺 寸 封 裝 可 以 做 到 4 m m * 4 m m ， A M 1 8 1 5 封 裝 尺 寸
3mm*3mm。采用GD130+AM1815可以有效減小PCB設計尺寸。GD1 30屬于cor tex-M3核的超值型MCU， 價(jià)格甚至低

圖1   AM1815典型應用電路圖
于一些M0核的MCU和8位機。而AM1815雖然可以做到極 致 低 功 耗 ， 但 本 身 還 是 一 顆 RTC ， 價(jià) 格 也 不 貴 。 對 比 過(guò) GD130+AM1815兩顆加起來(lái)的價(jià)格，甚至低于很多主打超低 功耗的M3核和M0核的MCU。
Ambiq Micro 是一家專(zhuān)注于研發(fā)生產(chǎn)低功耗芯片產(chǎn)品的 美國公司，其產(chǎn)品采用先進(jìn)的SPOT技術(shù)（亞閾值功率優(yōu)化 技術(shù)），SPOT技術(shù)上世紀由物理學(xué)家發(fā)現，2004年由美國 大學(xué)研究，2010年正式應用到產(chǎn)品里面。SPOT技術(shù)重新定 義了超低功率半導體的含義，為芯片建立了新的標準，從而 使得功耗做得更低。本設計中由AM1815芯片實(shí)現超低功耗 原理。

2 硬件參考設計

圖2   SPI讀寫(xiě)過(guò)程
如圖1所示，AM1815進(jìn)入sleep模式的方式為MCU通過(guò) SPI接口設置AM1815的sleep相關(guān)寄存器的值以使其進(jìn)入sleep 模式，當AM1815進(jìn)入sleep模式后，會(huì )將PSW/nIRQ2引腳電 平由低變?yōu)楦?，而AM1815的PSW/nIRQ2引腳接到MCU的 VSS，當其電平由低變高時(shí)，MCU從上電變?yōu)閿嚯姞顟B(tài)。 AM1815從sleep模式喚醒的方式為其EXTI引腳接收到一個(gè)上 升沿或者下降沿脈沖，這樣PSW/nIRQ2引腳電平就會(huì )從高變 為低，從而MCU從斷電變?yōu)樯想姞顟B(tài)。通過(guò)以上這種方式， 以AM1815的進(jìn)入低功耗和喚醒來(lái)控制MCU的斷電和上電。

3  軟件參考設計 MCU通過(guò)SPI接口讀寫(xiě)AM1815寄存器時(shí)序如圖2所示： 由AM1815的datasheet中SPI讀寫(xiě)時(shí)序圖大概可知，MCU
讀AM1815寄存器的過(guò)程，首先要發(fā)送一個(gè)需要讀取的寄存 器地址addr，其中addr的第7位為0表示讀，然后把MCU通過(guò) SPI接收到的AM1815返回的第一個(gè)字節丟掉，從第二個(gè)字節開(kāi)始順序接收到的數據就是讀取的數據。MCU寫(xiě)AM1815的 過(guò)程類(lèi)似，首先發(fā)送需要寫(xiě)入的寄存器地址addr，其中addr 的第7位為1表示寫(xiě)，然后依次將需要寫(xiě)入的字節寫(xiě)入，不用 管AM1815返回的數據。
選擇GD130的一個(gè)普通的GPIO口(例如PB7)作為控制 引 腳 ， 當 檢 測 到 P B 7 上 有 一 個(gè) 下 降 沿 時(shí) ， 通 過(guò) S P I 接 口 向 AM1815的sleep寄存器寫(xiě)值則會(huì )控制AM1815進(jìn)入sleep模式。

4  結語(yǔ)
本 文 設 計 了 一 種 可 以 應 用 于 可 穿 戴 設 備 、 便 攜 設 備 、 追 蹤 器 、 R F I D 、 支 付 U k e y 、 儀 器 儀 表 等 行 業(yè) 的 低 功耗設計方案。 該方案使用了Gigadev ice公司的高性?xún)r(jià)比 MCU GD32F130G8U6和Ambiq Micro公司的超低功耗RTC AM1815。和業(yè)界通用的單芯片方案比較，該方案具有高性 能、超低功耗、小尺寸以及低成本的特點(diǎn)。在低占空比的應 用場(chǎng)合，該方案的優(yōu)勢更加明顯。