低功耗嵌入式系統的設計考量：設計實(shí)例及功耗性能權衡

在本系列文章的(第1部分)中，我們討論了創(chuàng )建低功耗系統的一般設計考量。這一部分，我們不僅將探討低功耗應用的實(shí)例、低功耗與系統性能之間的權衡取舍，而且還將提供使用第1部分所述技巧的低功耗系統設計實(shí)例。

低功耗應用

1. 超低功耗遠程應用 — 這類(lèi)系統的要求包括能夠在一天的大部分時(shí)間里保持睡眠狀態(tài)。該系統需要在用戶(hù)輸入時(shí)喚醒，執行某些任務(wù)(比如發(fā)送一些命令)后，再進(jìn)入睡眠狀態(tài)。最大限度縮短所用時(shí)間可最大限度延長(cháng)電池使用壽命。

2. 心率監視器 — 這類(lèi)系統的要求包括能夠定期自動(dòng)喚醒CPU。時(shí)間間隔取決于該設備的工作狀態(tài)，比如是否連接至人體。如果綁縛在人體上，它將以較短時(shí)間間隔讀取心率。如果沒(méi)有，它將在較長(cháng)時(shí)間間隔內喚醒，檢查是否綁縛到人體上，是否需要改變其工作狀態(tài)。

3. 無(wú)線(xiàn)傳感系統 — 這類(lèi)系統的要求包括能夠持續監控系統環(huán)境并發(fā)送數據到中央系統以進(jìn)一步處理和分析數據。該系統應該能夠在傳感器與中央系統互動(dòng)和通信期間最大限度降低電源損耗。

4. 機械按鈕替換(MBR)— MBR可用于采用電容式觸摸按鈕替換機械按鈕。該系統必須每隔50~100ms對觸摸按鈕進(jìn)行一次采樣，然后進(jìn)入睡眠模式以節省電源。

低功耗與性能的權衡

大多數低功耗系統都可節省電源。正如本系列文章第1部分所討論的那樣，我們可通過(guò)讓系統在較低時(shí)鐘速率下運行來(lái)降低動(dòng)態(tài)功耗。但這種變化會(huì )降低系統響應輸入的能力。對于一些應用而言，這一時(shí)間間隔有時(shí)會(huì )造成危險。

為彌補這一時(shí)間間隔，應先確定它可以接受多長(cháng)的響應延時(shí)，然后再設置系統時(shí)鐘，以確保實(shí)際時(shí)延不高于所需值。這樣可以以功耗為代價(jià)，改善系統響應性。

低功耗嵌入式系統設計的實(shí)例

在本節中，我們將討論如何使用賽普拉斯提供的PSoC流程及其低功耗模式設計低功耗雙工通信系統。該系統的基本功能是遙控其它設備。本實(shí)例將演示低功耗鈕扣電池供電(使用PSoC 4構建)的發(fā)送器以及低功耗低成本2.4GHz收發(fā)器。

無(wú)線(xiàn)發(fā)送器不僅可使用鈕扣電池工作，而且還可觸發(fā)接收器的電源狀態(tài)(鎖定/打開(kāi))。在按下開(kāi)關(guān)頭兩秒鐘時(shí)，它會(huì )顯示電流狀態(tài)，然后在2秒鐘超時(shí)之后用反狀態(tài)發(fā)送回顯信息給接收器。如果接收器發(fā)回確認信號，隨后它就會(huì )更新閃存(用作EEPROM)中的狀態(tài)。

這里開(kāi)發(fā)的系統功耗很低，系統工作時(shí)間只受電池儲存壽命限制，與系統功耗無(wú)關(guān)。下面我們將介紹該系統發(fā)送器部分的設計

發(fā)送器：

該模塊發(fā)送鎖定狀態(tài)至接收端，等待響應，以使用新?tīng)顟B(tài)更新閃存。

在整個(gè)系統未使用時(shí)，它會(huì )保持在“關(guān)斷”狀態(tài)。當用戶(hù)按下發(fā)送器上的開(kāi)關(guān)時(shí)，整個(gè)系統的電源就會(huì )打開(kāi)。系統初始化后，PSoC 4會(huì )讀取自己的閃存行，獲得當前的鎖定狀態(tài)，然后用該鎖定狀態(tài)更新該段LCD。接下來(lái)2秒鐘后，CPU會(huì )配置看門(mén)狗定時(shí)器，喚醒系統，然后再進(jìn)入深度睡眠低功耗模式。

2秒鐘的深度睡眠時(shí)間可用來(lái)為最終用戶(hù)提供兩種特性：

1. 濾除用戶(hù)誤按按鈕操作。

如果用戶(hù)在系統喚醒前釋放開(kāi)關(guān)(2秒鐘)，系統會(huì )在不改變當前狀態(tài)的情況下返回低功耗模式。這種延遲可用作一種特性，允許用戶(hù)在不觸發(fā)狀態(tài)的情況下檢查當前狀態(tài)。為此，用戶(hù)可以短暫地按下開(kāi)關(guān)，在屏幕上出現之前狀態(tài)后將其釋放。

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