低功耗MCU發(fā)威 智能手表電池壽命大增

　　延長(cháng)電池使用壽命是智能手表的首要開(kāi)發(fā)考量。為達成此一目標，設計人員須選用在工作/動(dòng)態(tài)模式下功耗較低，且能同時(shí)維持高性能運作的微控制器（MCU），并導入快速喚醒功能，以便讓MCU盡可能處于休眠或閑置模式，進(jìn)一步降低系統總體功耗。

　　圖1 智能手表將是未來(lái)的潮流。

　　所謂的智能手表該如何定義呢？基本上，智能手表是設計成手表外型、可戴式的運算裝置，當和智慧型手機無(wú)線(xiàn)連結時(shí)，可提供更多的智慧型功能。一般常見(jiàn)的功能包括了日歷通知、電子郵件或簡(jiǎn)訊提示。若是同時(shí)還內建感應器，如加速度計或溫度感測器等，智能手表就能夠幫助記錄與監控使用者的運動(dòng)進(jìn)度、表現和心跳率等。有些手表還能控制音樂(lè )、讀取簡(jiǎn)訊，甚至能透過(guò)使用者手機的藍牙低功耗（Low Energy， LE）連結，直接透過(guò)手表接聽(tīng)電話(huà)。

　　那么，對智能手表的開(kāi)發(fā)人員而言，什么是關(guān)鍵的設計考量？在產(chǎn)品設計過(guò)程中，很容易會(huì )不自覺(jué)地想加進(jìn)更多、更強大的功能。不過(guò)性能強大的手表應用程式，通常得搭配相對強大的處理器，而強大的處理器卻往往很耗電，導致具有加分效果的性能提升，就這樣被功耗抵銷(xiāo)掉。畢竟，就算其功能再強大，誰(shuí)會(huì )愿意買(mǎi)一個(gè)每隔幾個(gè)小時(shí)就要充電一次的智能手表？

　　為了要延長(cháng)電池的使用時(shí)間，最好的辦法就是在考慮系統的心臟，也就是中央微控制器（MCU）時(shí)，選擇在工作/動(dòng)態(tài)模式下功耗較低的元件。

　　在系統設計上（圖2），必須讓智能手表的中央微控制器，能夠在大部分時(shí)間維持在睡眠模式，而當系統必須被喚醒來(lái)執行任務(wù)時(shí)，能夠不影響系統表現，并在最短的時(shí)間內被喚醒。

　　圖2 智能手表結構圖

　　工作/動(dòng)態(tài)模式下維持低功耗

　　當然，設計人員希望能在不犧牲性能的前提下具有最低功耗的工作模式，然而如果只是一味降低在工作/動(dòng)態(tài)模式下的功耗，也會(huì )因此降低了微控制器的運算速度，導致微控制器將花費更多時(shí)間處于工作模式，才能把任務(wù)執行完成并進(jìn)入功耗更低的睡眠模式，最終反而會(huì )增加系統的平均功耗。另外大家都知道，系統的操作電壓越低，越能延長(cháng)電池的壽命。有些微控制器宣稱(chēng)工作電壓可低至1.8伏特（V），但實(shí)際上，當其工作電壓在1.8V時(shí)，不僅運算速度降低，同時(shí)某些周邊功能可能無(wú)法正常運作，這些都不是真的能幫助系統降低功耗的技術(shù)。

　　目前市場(chǎng)上已有業(yè)者推出能在低功耗的情形下維持高性能運作的微控制器。如愛(ài)特梅爾（Atmel）的SAM4L微控制器系列，就能夠在不用改變產(chǎn)品規格的情況下，保持低至1.68V的工作電壓，并且維持最高性能，且其外圍周邊操作不受影響。根據費氏（Fibonacci）基準，該系列是市面上擁有最低工作/動(dòng)態(tài)模式功耗（90μA/MHz）的ARM Cortex-M4微控制器。若再加以運用功率調節（Power Scaling）技術(shù)，可以進(jìn)一步平衡最大時(shí)脈速度和功耗（圖3）。

　　圖3 SAM4L微控制器在工作模式下的功耗表現

　　除此之外，如果設計人員選用的微控制器能夠提供不同的電壓調節器選擇，可進(jìn)一步降低在工作/動(dòng)態(tài)模式下的系統功耗。例如降壓或開(kāi)關(guān)穩壓器能夠在操作電壓為 2∼3.6V時(shí)提供更高的功率，或是線(xiàn)性穩壓器在1.68∼3.6V的范圍內運作，具有較高的抗噪性，而在小于2.3V范圍內調節器則可達到最高功率。

　　快速喚醒能力攸關(guān)節能效益

　　前面有提到，為了要讓電池維持更長(cháng)的壽命，在智能手表的系統設計上，中央微控制器大部分時(shí)間必須維持在睡眠模式，因此如果能降低中央微控制器睡眠模式的功耗，將有助于進(jìn)一步降低系統的總體功耗。

　　可是，如果總是要花很長(cháng)時(shí)間從睡眠模式中喚醒系統，這并非真正的節能。設計人員的終極目標是要確保能快速將系統從睡眠模式中喚醒，并且能根據系統需求，有彈性地選擇不同睡眠模式，這樣一來(lái)系統就可以盡可能在深度睡眠模式中停留更長(cháng)的時(shí)間，而不會(huì )出現性能上的延遲，這才是真正的節能。

　　如前文所提及的SAM4L微控制器系列，具有來(lái)自于picoPower技術(shù)的超低睡眠模式電流特性，可以支援四種睡眠模式：睡眠、待機、保存和備用。在所有的模式下，以第一條指令抓取的喚醒，即使在最低功耗的睡眠模式下醒來(lái)，也只需要1.5微秒（μs）的喚醒時(shí)間（圖4）。

　　圖4 SAM4L微控制器在睡眠模式下的功耗表現

　　該系列還具有非常靈活的喚醒配置。設計人員可使用內部的電源管理器和備用電源管理，來(lái)開(kāi)啟和關(guān)閉系統時(shí)脈來(lái)源，并選擇喚醒來(lái)源。時(shí)脈來(lái)源由電源管理器控制，包括on-chip RC振蕩器，以及振蕩器和超精密數位相位鎖相環(huán)（DFLL）。在睡眠、待機和保存模式下，可以選擇任何來(lái)源以喚醒系統。

　　接下來(lái)將提及的夢(mèng)游（Sleep Walking）功能，也允許周邊功能在不須要系統定時(shí)器持續運行的情況下，以非同步方式喚醒系統；而在備用模式下，32kHz時(shí)脈或系統定時(shí)器，再加上通用異步收發(fā)器（UART）、外部中斷或電壓不足偵測（BOD）警告，便能喚醒系統。

　　事件系統/夢(mèng)游功能　進(jìn)一步降低系統功耗

　　事件系統（Event System）允許外圍周邊直接發(fā)送訊號或事件到其他周邊，而毋須藉由中央處理器（CPU）。舉例而言，定時(shí)器溢位（Timer Overflow）或類(lèi)比比較器輸出如有變化，不需要CPU即能觸動(dòng)類(lèi)比數位轉換器（ADC）轉換或啟動(dòng)直接記憶體存?。―MA）傳輸。那么事件系統能解決什么問(wèn)題呢？

　　首先，事件系統能讓CPU進(jìn)入更長(cháng)時(shí)間的睡眠或閑置狀態(tài)，提升節能效果。再者，它能讓外圍周邊不須透過(guò)CPU即可互相通訊，因此CPU可以更集中執行非CPU不可的任務(wù)，進(jìn)而提升CPU表現。事件系統能提供事件一個(gè)恒定且100%可預測的反應時(shí)間--在兩個(gè)時(shí)脈周期或 40奈秒（ns）內發(fā)生反應。如果是先藉由軟體程序的中斷，再透過(guò)CPU來(lái)執行相同的任務(wù)，則可能需要數微秒（μs）的反應時(shí)間。此外，該系統允許多達八個(gè)周邊同時(shí)平行處理，因此不須要擔心中斷擁塞的情況發(fā)生（圖5）。

　　圖5 在事件系統運作下，周邊可不透過(guò)CPU而互相通訊。

　　除了標準的同步事件之外，事件系統亦支援非同步事件。非同步事件甚至可以在系統時(shí)脈未運行的情況下，在各種睡眠模式下執行。這是透過(guò)一些先進(jìn)的電源管理器功能來(lái)達成的，例如夢(mèng)游功能和非同步喚醒功能。

　　夢(mèng)游功能允許外圍周邊透過(guò)請求模組的局部時(shí)脈，而不用系統定時(shí)器持續地運行或非同步地喚醒元件，并且可以讓事件系統在各種睡眠模式下處理非同步事件。事件處理完成后，模組局部時(shí)脈的請求便會(huì )解除，讓模組回到睡眠狀態(tài)。簡(jiǎn)而言之，夢(mèng)游功能幫助系統進(jìn)一步降低功耗，不須要妥協(xié)于反應時(shí)間，或是為了降低系統功耗而免去一些跟系統安全性有關(guān)的監測功能。

　　接著(zhù)舉一個(gè)將夢(mèng)游功能應用于智慧管理外部溫度量測的實(shí)例。該應用須要定期測量溫度，以決定它是否超過(guò)系統臨界溫度。如果超過(guò)，該溫度讀數會(huì )被儲存在靜態(tài)隨機存取記憶體（SRAM）中，并交由CPU處理該數據；如果沒(méi)有超過(guò)，則系統會(huì )繼續維持在睡眠模式，CPU不會(huì )被喚醒或采取任何行動(dòng)。

　　夢(mèng)游功能讓CPU在整個(gè)事件過(guò)程中保持關(guān)閉狀態(tài)。首先，利用即時(shí)計數器（RTC）在固定的時(shí)間間隔下產(chǎn)生一個(gè)事件（測量溫度），同時(shí)利用夢(mèng)游功能來(lái)喚醒ADC進(jìn)行溫度測量，并比較該溫度和預設臨界值。再來(lái)，ADC確定溫度沒(méi)有超過(guò)臨界值后，便會(huì )回到睡眠狀態(tài)。接著(zhù)重覆以上的程序，繼續喚醒下一個(gè)ADC，量測到溫度上升到臨界值之上，CPU才會(huì )被喚醒。最后，DMA控制器將數據傳送到SRAM以進(jìn)行處理（圖6）。

　　圖6 夢(mèng)游功能的應用范例

　　相較之下，傳統的微控制器在執行同樣的應用監測例子時(shí)，由于沒(méi)有夢(mèng)游功能，所以每一次都必須喚醒CPU來(lái)指示ADC去量測溫度，以確定系統溫度是否超過(guò)臨界值。但大多數的情況下，測量溫度都不會(huì )超過(guò)臨界值，更不須要再執行什么動(dòng)作，如此反覆操作將耗去很多能量。即使這是一個(gè)在多數時(shí)間都處于睡眠模式的系統，卻仍然產(chǎn)生很大的能量損失，大幅降低電池壽命?？梢詮膱D7中很明顯地比較出來(lái)，具備夢(mèng)游功能的微控制器，消耗的能量遠遠小于傳統的微控制器。

　　圖7 MCU具有夢(mèng)游功能時(shí)的功耗

　　完美的智能手表也許不存在，畢竟不同的人有不同需求。有些人喜歡時(shí)尚精簡(jiǎn)的手表，有的喜歡支援強大功能、帶有觸控大表面的手表，不過(guò)有些條件，例如延長(cháng)電池壽命則是無(wú)論如何都不能缺少的。

　　如果設計人員能選用在工作和睡眠模式下功耗較低、能在最短的時(shí)間內從睡眠中被喚醒，同時(shí)帶有獨特低功耗特性，如事件系統和夢(mèng)游功能等的微控制器，想要設計出不須在性能上做任何妥協(xié)即可執行強大功能的應用軟體，并同時(shí)擁有持久電池壽命的智能手表，將不再是一個(gè)不可能的任務(wù)。