監控外部輸入時(shí)降低 MCU 能耗

現如今幾乎沒(méi)有應用程序能夠避免降低能耗的需求。對于便攜式和電池供電設備的設計人員來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)影響其產(chǎn)品性能和可用性的限制因素。在國內，EnergyStar 等計劃讓消費者更加意識到這個(gè)問(wèn)題，不僅是在使用設備時(shí)，而且在設備處于待機模式時(shí)。能源越來(lái)越被認為是一種珍貴而有限的商品。

現如今幾乎沒(méi)有應用程序能夠避免降低能耗的需求。對于便攜式和電池供電設備的設計人員來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)影響其產(chǎn)品性能和可用性的限制因素。在國內，EnergyStar 等計劃讓消費者更加意識到這個(gè)問(wèn)題，不僅是在使用設備時(shí)，而且在設備處于待機模式時(shí)。能源越來(lái)越被認為是一種珍貴而有限的商品。

任何系統總能耗的主要貢獻者之一是位于其的微控制器 (MCU) 的性能。因此，設計人員致力于限度地降低 MCU 功耗，重點(diǎn)關(guān)注三個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域……

個(gè)是有功能耗——MCU 可以為給定的能量輸入做的有用處理工作量——這顯然很重要。MCU 每 MHz 的電流消耗提供了一個(gè)現成的衡量指標，32 位 Cortex M3 處理器的基準數據是 Energy Micro 的 EFM32 Tiny Gecko MCU 達到的 150μA/ MHz。

處理器還需要一系列需要盡可能少電流的睡眠和深度睡眠模式。再次以 Gecko 系列處理器為例，停止模式可達到的數字約為 20nA。

然而，在實(shí)踐中，功耗的第三個(gè)方面可能是重要的。如果處理器無(wú)法在睡眠時(shí)監視外部事件以了解何時(shí)喚醒，則睡眠模式幾乎沒(méi)有用處。因此，在實(shí)踐中，大多數 MCU 大部分時(shí)間都處于中間“等待輸入”模式。

這種狀態(tài)的例子很多。智能手機只需要在有來(lái)電或消息時(shí)喚醒，或者當用戶(hù)通過(guò) HMI（人機界面）傳感器執行適當的操作時(shí)。智能水表的“正?！睜顟B(tài)是等待水開(kāi)始流動(dòng)。

在所有這些情況下，通常的解決方案是讓 MCU 定期喚醒以“檢查”其感知輸入并執行一些計算以查明是否需要采取任何行動(dòng)。這帶來(lái)了許多挑戰。傳感器測量通常需要系統生成特殊的激勵和采樣模式——例如，電容式傳感器需要用正弦波輸入來(lái)激勵。

充其量，在功耗和系統的響應能力之間存在權衡：手機“輪詢(xún)”其觸摸屏界面的次數太少——也許每隔幾秒鐘——可能會(huì )顯得遲鈍，因此難以使用。

醒來(lái)的過(guò)程本身就證明是代價(jià)高昂的：從睡眠模式過(guò)渡到活動(dòng)模式不會(huì )產(chǎn)生任何有用的效果。設計人員可能會(huì )發(fā)現，讓 MCU 處于更高的清醒狀態(tài)比消耗能量來(lái)管理這些轉換更有效。

一種更好、更節能的方法是選擇具有更自主的外圍設備和傳感器輸入系統的 MCU：這樣就不必為每次測量喚醒 CPU。

Energy MicroEFM32 Gecko 系列 MCU 提供了這樣一個(gè)系統，它結合了低能耗傳感器接口 (LESENSE) 和允許 I/O 組件在沒(méi)有 CPU 干預的情況下進(jìn)行交互的外設反射系統 (PRS)。因此，EFM32 系列 MCU 可以在功耗低于 1.2μA 的睡眠模式下實(shí)現電容式觸摸喚醒、金屬物體感應或電阻式傳感器監控等功能。

圖 1.EFM32 外設反射系統配置為啟動(dòng) ADC 單次轉換以響應 TIMER0 溢出，并提供模擬比較器輸出作為 TIMER1 上比較/捕獲通道的輸入。

PRS（圖 1）允許將來(lái)自片上“生產(chǎn)者”外圍設備的信號路由到其他“消費者”外圍設備，這些外圍設備然后可以根據這些輸入執行操作?！吧a(chǎn)者”信號包括模擬比較器和 GPIO 電平輸出、來(lái)自 ADC 和 DAC 的“轉換完成”信號、來(lái)自計數器/定時(shí)器的上溢/下溢信號以及來(lái)自 UART 或 USART 的“TX/RX 完成”狀態(tài)消息。Reflex“消費者”包括 DAC/ADC 觸發(fā)器、定時(shí)器輸入和 UART/USART 使能輸入。

PRS 有八個(gè)通道，每個(gè)通道都有一個(gè)邊緣檢測器，可用于從電平信號生成邏輯脈沖。每通道兩個(gè)寄存器（PRS_SWPULSE 和 PRS_SWLEVEL）允許將每個(gè)輸出驅動(dòng)到軟件確定的電平或邏輯“1”。

器件的 LESENSE 接口建立在這種自主外設原理之上，允許 MCU 在亞 μA 睡眠模式下監控多達 16 個(gè)外部無(wú)源（電阻、電容或電感）傳感器。它結合了模擬比較器和 DAC，在從 32kHz 時(shí)鐘源運行的定序器模塊的控制下。比較器輸出可以計數、比較或作為中斷直接傳遞。為了進(jìn)行測量，DAC 可用作比較器參考。

定序器控制哪些引腳連接到比較器、比較器處于活動(dòng)狀態(tài)多長(cháng)時(shí)間以及何時(shí)應傳遞輸出以進(jìn)行計數或比較。使用 DAC 電壓或 GPIO 引腳的激勵也可以在比較器處于活動(dòng)狀態(tài)之前或期間執行。測量后，計數器或比較器的輸出被緩沖和存儲以供以后處理。

掃描完成后，結果可以傳遞到具有可配置“下一個(gè)”狀態(tài)和觸發(fā)條件的低功耗解碼器。這使得捕獲大量傳感器讀數和組合成為可能，并且僅通過(guò)隨時(shí)間匹配模式來(lái)喚醒 CPU（圖 2）。例如，當溫度和濕度傳感器都達到其閾值時(shí)，或者當壓力傳感器連續觸發(fā) 10 次時(shí)，可以觸發(fā)喚醒。

圖 2：模擬事件的條件喚醒。

傳感器結果也可以通過(guò) PRS 傳遞，以構建更復雜的系統。這使得邏輯上組合多個(gè) GPIO 引腳以觸發(fā)喚醒或使用解碼器解碼串行傳輸的數據成為可能。

例如，水表中旋轉葉片的運動(dòng)可以用LESENSE測量，并通過(guò)PRS與LESENSE連接的正交計數器計算旋轉。例如，旋轉 10 次后，可以喚醒 CPU 以更新顯示和使用統計信息。對于傳統的 MCU，比較器的所有排序和控制都需要 CPU，而通過(guò) LESENSE 和 PRS 處理這些可以讓芯片保持深度睡眠模式。

電容式感應示例 

電容式感應非常常用于 HMI 應用，例如控制面板和遙控器。原理是將電容傳感器包含在 RC 振蕩器電路中。當手指觸摸傳感器時(shí)，電容會(huì )發(fā)生變化，進(jìn)而改變振蕩器電路的基頻。

這種安排可以通過(guò)將 LESENSE 檢測引腳直接連接到外圍設備來(lái)實(shí)現。來(lái)自比較器輸出的振蕩信號被傳遞到外設，每個(gè)上升沿用于遞增計數器。設定時(shí)間后，LESENSE 將計數器值捕獲到結果緩沖區并清除計數器。然后將緩沖的結果與閾值水平進(jìn)行比較：由于手指觸摸會(huì )導致較低的振蕩頻率和較小的計數值，因此只有當計數器值低于閾值時(shí)，LESENSE 才會(huì )喚醒 CPU。

圖 3：電容式傳感器。

以這種方式實(shí)現的電容感應功能消耗的電流受多個(gè)因素的影響，包括電容覆蓋層的厚度和采樣頻率。

經(jīng)驗結果表明，對于采樣頻率為 5Hz 的 5mm 亞克力覆蓋層，每個(gè)觸摸板的額外消耗約為 500nA。這導致以 5Hz 采樣的四按鈕觸摸應用的總功耗約為 3μA。沒(méi)有采樣的靜態(tài)功耗小于 1μA。為了改善用戶(hù)體驗，次觸摸事件后采樣速度可以提高到 10Hz，從而產(chǎn)生 5μA 總功耗。

旋轉計數 

正如我們已經(jīng)觀(guān)察到的，旋轉計數是另一種應用，其中 LESENSE 和 PRS 的組合可以顯著(zhù)降低能耗。這有相當不同的應用，通常在控制和反饋系統中。

一個(gè)典型的系統（圖 4）是使用帶有兩個(gè)線(xiàn)圈的感應傳感實(shí)現的，靠近一個(gè)旋轉的輪子放置，其中一半被金屬覆蓋。LESENSE 以足夠快的速度對每個(gè)線(xiàn)圈進(jìn)行采樣，以捕獲車(chē)輪經(jīng)過(guò)的金屬部分。每次采樣的輸出通過(guò) PRS 系統饋送到正交計數器。如果計數器在同一方向上達到定義的旋轉次數（圖 4 中的三個(gè)），它會(huì )發(fā)出可用于喚醒 CPU 的中斷。

圖 4：計數旋轉。

總結 

讓 MCU 感知外部世界同時(shí)讓 CPU 處于睡眠模式的技術(shù)是降低能耗的重要工具。Energy Micro LESENSE 接口使 EFM32 微控制器能夠在執行此操作的同時(shí)監控許多不同類(lèi)型的模擬傳感器。從低頻時(shí)鐘源運行，LESENSE 可以在亞 μA 睡眠模式下監控多達 16 個(gè)傳感器。典型的平均電流消耗約為 1.2μA。

應用包括任何類(lèi)型的電容式、電感式或電阻式傳感、旋轉計數、GPIO 狀態(tài)解碼或類(lèi)似應用。LESENSE 還具有完全可配置的解碼器，可以評估傳感器狀態(tài)并在出現特殊的傳感器輸出組合或檢測到隨時(shí)間變化的模式時(shí)喚醒 CPU。因此，節能傳感器的實(shí)現是無(wú)窮無(wú)盡的，而可能性?xún)H受設計師想象力的限制。