以0 MIPS運行你的嵌入式系統

作者　 ?ivind Loe Silicon Labs微控制器產(chǎn)品高級營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理

摘要：本文介紹了降低MCU功耗的重要性、方法及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。

　　即使是在諸如物聯(lián)網(wǎng)應用的無(wú)線(xiàn)連接這種主導功耗的事件中，讓盡可能多的進(jìn)程自主運行，也可大大提高電池壽命。

　　降低功耗一直是微控器(MCU)市場(chǎng)的一個(gè)主要關(guān)注點(diǎn)。超低功耗MCU現在可以大大降低工作模式和深度睡眠模式下的功耗。這種變化的效果是顯而易見(jiàn)的，它大大提高了我們日常嵌入式應用中的電池壽命，并且提供了在未來(lái)使用能量收集的可能性。然而，要基于新型MCU降低功耗，開(kāi)發(fā)人員必須考慮到許多因素。開(kāi)發(fā)人員可以利用新型MCU中外設的自主運行，通過(guò)更接近以“0”MIPS運行，來(lái)實(shí)現數據手冊中所承諾的低功耗。

　　對于在功耗敏感型物聯(lián)網(wǎng)(IoT)應用中所使用的新型MCU和無(wú)線(xiàn)MCU(WMCU)來(lái)說(shuō)，執行代碼時(shí)的功耗已經(jīng)明顯下降，甚至達到40μA/ MHz以下。使用這些低功耗規格，為什么需要睡眠模式?為什么不以500 kHz運行你的代碼來(lái)實(shí)現20μA的電流消耗，并且允許你的應用使用電池運行10年?其實(shí)事情并不是這么簡(jiǎn)單的。

　　睡眠模式下的功耗在過(guò)去幾年中也有顯著(zhù)的改善。我們現在可以看到深度睡眠模式下的功耗低于2μA，而一些睡眠模式下的功耗甚至低于50 nA。你可能會(huì )覺(jué)得擁有這些模式設計出來(lái)的系統功耗自然很低，然而，事實(shí)并非如此，應用能否利用睡眠模式才是關(guān)鍵。

工作模式是好，也是壞

　　使用MCU或WMCU的最直接的方法是讓CPU管理一切。例如，你可以啟動(dòng)模數轉換(ADC)，將一些數據放入通信接口(如USART傳輸)中，讀取ADC數據，并對數據做出一些處理，所有一切都由CPU直接控制。直接的CPU控制簡(jiǎn)化了開(kāi)發(fā)，但其成本是：每當外設或外部事件需要處理時(shí)，MCU都將處于工作模式，從而使功耗大增。

　　近期，一些數據手冊顯示工作模式的電流是40μA/MHz，甚至更低，它們通常是高時(shí)鐘頻率下的參數，低頻下會(huì )變大，進(jìn)而導致絕對功耗變大。這是因為在工作模式下的頻率和功耗不是線(xiàn)性關(guān)系。功耗由如下兩部分組成(其中第二部分和頻率聯(lián)系不緊密)：

　　1)處理器本身，它是和頻率按比例變化的;

　　2)有基礎工作電流的模塊，比如低壓差線(xiàn)性穩壓器(LDO)、欠壓檢測器(BOD)等。

　　要想降低功耗，應盡可能地減少MCU在高功耗的工作模式下運行，盡可能地關(guān)閉外設，讓CPU盡可能多地睡眠。

功耗預算

　　對于受限于能源的電池供電型應用來(lái)說(shuō)，要知道能源消耗在哪里才能進(jìn)行優(yōu)化。表1顯示了一個(gè)傳感器檢測無(wú)線(xiàn)應用的功耗預算，它的功耗優(yōu)化不太好。

　　通過(guò)平均計算每個(gè)組件的功耗來(lái)測量或估計功耗。如果CPU占空比為兩個(gè)百分點(diǎn)，并且在60μA/ MHz時(shí)工作在20 MHz，則CPU的消耗為24μA。

　　表1所示的功耗預算是根據功能劃分的。例如，基礎睡眠電流包括一個(gè)低頻振蕩器和一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)來(lái)對系統事件進(jìn)行定時(shí)從而允許深度睡眠。傳感器測量部分是由一個(gè)0.5kHz的中斷觸發(fā)，中斷之間深度睡眠。低功耗藍牙每秒鐘都要把數據發(fā)出去，這是個(gè)很普遍的低功耗應用。最后，還有一些非MCU部分的功耗。MCU可能無(wú)法直接控制這些模塊中的一部分，包括電源管理外設，在這個(gè)例子中，MCU是直接控制ADC對傳感器進(jìn)行采樣，如果不是的話(huà)，傳感器電流將完全是圖片中的數據。對于這個(gè)例子，傳感器的持續電流大約是390μA，但是通過(guò)調整占空比，每個(gè)ADC采樣僅僅使用了10 μs的時(shí)間，從而可以大大降低功耗。

　　如果該無(wú)線(xiàn)應用由具有225 mAh容量的CR2032電池供電，則在61.5μA功耗下操作時(shí)其壽命約為0.4年。事實(shí)上，我們可以做得更好。

改善現狀

　　我們來(lái)看看降低MCU傳感器測量電流的方法。雖然此示例涉及ADC測量外部傳感器，但相關(guān)示例可能集中在一系列不同類(lèi)型的測量以及與外部環(huán)境的交互上。在這兩種情況下，MCU和外部環(huán)境之間都會(huì )發(fā)生頻繁的交互。

　　實(shí)現低功耗傳感的最簡(jiǎn)單的方法是讓CPU盡可能多地處于睡眠模式，只在采樣時(shí)喚醒，并盡可能快地重回睡眠模式。對于非常低的采樣率來(lái)說(shuō)，這種方法很好，但是從圖1可以看出，當采樣率或每秒交互次數增加時(shí)，系統的功耗也會(huì )顯著(zhù)增加：

　　許多類(lèi)型的應用必須具有頻繁的活動(dòng)，同時(shí)還需要保持電池壽命。超過(guò)1kHz的活動(dòng)率并不是聞所未聞，這時(shí)候就需要采取措施來(lái)保持低功耗。

　　圖2顯示了傳感器管理的兩種附加方法。外設反射系統/直接存儲器訪(fǎng)問(wèn)(PRS / DMA)方法使CPU在完全不參與的情況下在深度睡眠模式進(jìn)行ADC采樣。而不是RTC喚醒CPU，然后CPU啟動(dòng)ADC進(jìn)行采樣。RTC通過(guò)事件系統(如Silicon Labs的PRS)將事件直接發(fā)送到ADC。ADC在接收到此事件時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)ADC轉換。轉換完成后，DMA在這種情況下也能夠從深度睡眠模式下運行，從ADC獲取數據并將其存儲在RAM中。 PRS / DMA方法的好處是顯著(zhù)降低了電流消耗。在1 kHz時(shí)，系統電流從58μA降低到25μA。

　　驅動(dòng)ADC的更有效的方法是PRS /比較器(CMP)方法，其中RTC仍然通過(guò)PRS系統觸發(fā)ADC，但在這種情況下，ADC立即使用比較功能對樣本進(jìn)行評估，除非發(fā)現有需要的數據，否則不使用DMA或CPU。這種方法能夠實(shí)現1 kHz采樣率時(shí)系統電流只有3.5μA。

動(dòng)態(tài)ADC比較器

　　使用PRS/CMP方法，大部分采樣數據都被丟棄，CPU只關(guān)注需要處理的數據。當信號變化緩慢時(shí)，或者需要特定的信號時(shí)，這種方法很有效。

　　當使用比較功能監視信號時(shí)，一種方法是測量信號，然后根據這個(gè)信號設置閾值，只要信號在閾值范圍內，那么當ADC測量信號時(shí)，系統可以保持在深度睡眠模式，當然CPU也保持在睡眠模式。

　　然而，如果信號發(fā)生變化，并且超過(guò)閾值，系統將知道該信號，并采取適當的措施。在回到睡眠模式之前，ADC閾值將重新配置以適應新的信號值，因此系統可以再次進(jìn)入睡眠模式，直到下一次信號發(fā)生變化。圖3顯示了這種技術(shù)的示例。圓點(diǎn)表示ADC樣本，箭頭表示每當CPU被喚醒時(shí)，它將記錄本次變化并重新配置閾值。

　　使用這種方法，系統實(shí)際上將丟失一些信號準確性，因為信號可以在觸發(fā)器之間的閾值范圍內任意移動(dòng)。然而，益處是功耗顯著(zhù)降低。

　　如果系統的目標是測量信號的動(dòng)態(tài)值，則PRS / DMA驅動(dòng)方法是理想的，因為它使所有數據可用，同時(shí)仍然可以提供非常有益的節能特性。

自主工作子系統

　　ADC示例只是眾多通過(guò)睡眠模式降低應用功耗的方法之一。專(zhuān)注于低功耗應用的新型MCU(如Silicon Labs的EFM32 Gecko MCU)擁有大量功能，可在深度睡眠模式下運行，從而實(shí)現高水平的自主行為。

　　例如，Gecko MCU的LESENSE(低功耗傳感)模塊可以自動(dòng)地、周期性地采樣多達16個(gè)通道，完全不需要CPU參與。它可以實(shí)現高頻率檢測且充電1次就能工作10年。

　　在許多情況下，單個(gè)外設可以自主地履行其職責，但也有許多需要交互的情況。在這種情況下，我們可以利用諸如在當前一些新型MCU中存在的PRS系統這樣的外設互連。這些外設互連允許多個(gè)外設連接以自主執行更復雜的任務(wù)。

　　圖4顯示了這樣的自主系統示例，其使用事件鏈來(lái)執行其功能：

　　1)RTC以給定的時(shí)間周期性地發(fā)送PRS信號至ADC以啟動(dòng)轉換;

　　2)RTC同時(shí)啟動(dòng)外部傳感器，這樣在測量時(shí)信號就已經(jīng)準備好了;

　　3)ADC完成采樣并通知DMA，DMA把數據傳送到RAM;

　　4)來(lái)自ADC的完成PRS信號關(guān)閉外部傳感器;

　　5)當緩沖器滿(mǎn)時(shí)中斷喚醒CPU，或者超過(guò)ADC閾值時(shí)中斷喚醒CPU;

　　6)可選項：PRS看門(mén)狗監視事件循環(huán)，確保它保持運行。

　　DMA可以從圖4所示系統中拿走，通過(guò)設置ADC的比較功能來(lái)做到更省電。

　　這些自主子系統具有顯著(zhù)節能和即使CPU負載很重時(shí)傳感器依舊可以穩定工作的優(yōu)點(diǎn)。

　　缺點(diǎn)是，并不是所有的MCU都支持這種類(lèi)型的操作，并且在設置交互時(shí)，你會(huì )希望像硬件設計人員一樣思考?？傊?，對于許多電池供電型應用來(lái)說(shuō)，其優(yōu)點(diǎn)明顯多于缺點(diǎn)。

結論

　　通過(guò)利用各種節能技術(shù)，當傳感器測量時(shí)，CPU幾乎完全脫離工作。對于表1所示的無(wú)線(xiàn)應用，這將使總平均功耗從61.5μA降低到37.5μA，降低了39%，從而使電池壽命從大約5個(gè)月延長(cháng)到8個(gè)月，增加了64%，或者可以允許電池尺寸減小以改善系統外形。

　　對于非無(wú)線(xiàn)應用，節能將更加顯著(zhù)。表1中的示例，能耗將從29.5μA降低到5.5μA，由CR2032電池供電，理論上壽命將從10個(gè)月延長(cháng)到4.6年。

　　本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第8期第75頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。