【干貨】教你如何以0 MIPS運行你的嵌入式系統(tǒng)

作者：?ivind Loe，Silicon Labs微控制器產(chǎn)品高級營銷經(jīng)理

即使是在諸如物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的無線連接這種主導(dǎo)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）市場的一個主要關(guān)注點。超低功耗MCU現(xiàn)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的，它大大提高了我們?nèi)粘?a target="_blank">嵌入式應(yīng)用中的電池壽命，并且提供了在未來使用能量收集的可能性。

然而，要基于新型MCU降低功耗，開發(fā)人員必須考慮到許多因素，對此Silicon Labs特別撰寫一篇技術(shù)文章：“以0 MIPS運行你的嵌入式系統(tǒng)”，幫助開發(fā)人員了解如何利用新型MCU中外設(shè)的自主運行，通過更接近以“0”MIPS運行，來實現(xiàn)數(shù)據(jù)手冊中所承諾的低功耗。

低功耗為嵌入式系統(tǒng)研發(fā)關(guān)鍵

對于在功耗敏感型物聯(lián)網(wǎng)（IoT）應(yīng)用中所使用的新型MCU和無線MCU（WMCU）來說，執(zhí)行代碼時的功耗已經(jīng)明顯下降，甚至達(dá)到40μA/ MHz以下。使用這些低功耗規(guī)格，您可能會想知道為什么我們需要睡眠模式，為什么不以500 kHz運行您的代碼來實現(xiàn)20μA的電流消耗，并且允許您的應(yīng)用使用電池運行10年？其實事情并不是這么簡單的。

睡眠模式下的功耗在過去幾年中也有顯著的改善。我們現(xiàn)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。您可能會覺得擁有這些模式設(shè)計出來的系統(tǒng)功耗自然很低，然而事實并非如此，應(yīng)用能否利用睡眠模式才是關(guān)鍵。

為什么工作模式是好的...也是壞的

使用MCU或WMCU的最直接的方法是讓CPU管理一切。例如，您可以啟動模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC），將一些數(shù)據(jù)放入通信接口（如USART傳輸）中，讀取ADC數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)做出一些處理，所有一切都由CPU直接控制。直接的CPU控制簡化了開發(fā)，但其成本是：每當(dāng)外設(shè)或外部事件需要處理時，MCU都將處于工作模式，從而使功耗大增。

近期，一些數(shù)據(jù)手冊顯示工作模式的電流是40μA/MHz甚至更低，它們通常是高時鐘頻率下的參數(shù)，低頻下會變大，進(jìn)而導(dǎo)致絕對功耗變大。這是因為工作模式下頻率和功耗不是線性關(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(chǔ)工作電流的模塊，比如低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO），欠壓檢測器（BOD）等。

要想降低功耗，應(yīng)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(shè)，讓CPU盡可能多地睡眠。

功耗預(yù)算

對于受限于能源的電池供電型應(yīng)用來說，要知道能源消耗在哪里才能進(jìn)行優(yōu)化。表1顯示了一個傳感器檢測無線應(yīng)用的功耗預(yù)算，它的功耗優(yōu)化不太好。

通過平均計算每個組件的功耗來測量或估計功耗。如果CPU占空比為兩個百分點，并且在60μA/ MHz時工作在20 MHz，則CPU的消耗為24μA。

請注意，表1所示的功耗預(yù)算是根據(jù)功能劃分的。例如，基礎(chǔ)睡眠電流包括一個低頻振蕩器和一個實時時鐘（RTC）來對系統(tǒng)事件進(jìn)行定時從而允許深度睡眠。

傳感器測量部分是由一個0.5kHz的中斷觸發(fā)，中斷之間深度睡眠。低功耗藍(lán)牙每秒鐘都要把數(shù)據(jù)發(fā)出去，這是個很普遍的低功耗應(yīng)用。最后，還有一些非MCU部分的功耗。MCU可能無法直接控制這些模塊中的一部分，包括電源管理外設(shè)，在這個例子中，MCU是直接控制ADC對傳感器進(jìn)行采樣，如果不是的話，傳感器電流將完全是圖片中的數(shù)據(jù)。

對于這個例子，傳感器的持續(xù)電流大約是390μA，但是通過調(diào)整占空比，每個ADC采樣僅僅使用了10 μs的時間，從而可以大大降低功耗。

表1 目標(biāo)應(yīng)用的功耗預(yù)算

如果該無線應(yīng)用由具有225 mAh容量的CR2032電池供電，則在61.6μA功耗下操作時其壽命約為0.4年。事實上，我們可以做得更好。

改善現(xiàn)狀

我們來看看降低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)境之間都會發(fā)生頻繁的交互。

實現(xiàn)低功耗傳感的最簡單的方法是讓CPU盡可能多地處于睡眠模式，只在采樣時喚醒，并盡可能快地重回睡眠模式。對于非常低的采樣率來說，這種方法很好，但是從圖1可以看出，當(dāng)每秒采樣次數(shù)增加時，系統(tǒng)的功耗也會顯著增加：

圖1 采用中斷進(jìn)行ADC采樣，顯示出隨著每秒采樣次數(shù)的增加，功耗也在增加

許多類型的應(yīng)用必須具有頻繁的活動，同時還需要保持電池壽命。超過1kHz的活動率并不是聞所未聞，這時候就需要采取措施來保持低功耗。

圖2顯示了傳感器管理的兩種附加方法。外設(shè)反射系統(tǒng)/直接存儲器訪問（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ADC進(jìn)行采樣。RTC通過事件系統(tǒng)（如Silicon Labs的PRS）將事件直接發(fā)送到ADC。ADC在接收到此事件時自動啟動ADC轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)并將其存儲在RAM中。 PRS / DMA方法的好處是顯著降低了電流消耗。在1 kHz時，系統(tǒng)電流從58μA降低到25μA。

圖2 該ADC采樣圖顯示了各種工作方式下的功耗

驅(qū)動ADC的更有效的方法是PRS /比較器（CMP）方法，其中RTC仍然通過PRS系統(tǒng)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(xiàn)有需要的數(shù)據(jù)，否則不使用DMA或CPU。這種方法能夠?qū)崿F(xiàn)1 kHz采樣率時系統(tǒng)電流只有3.5μA。

動態(tài)ADC比較器

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

當(dāng)使用比較功能監(jiān)視信號時，一種方法是測量信號，然后根據(jù)這個信號設(shè)置閾值，只要信號在閾值范圍內(nèi)，那么當(dāng)ADC測量信號時，系統(tǒng)可以保持在深度睡眠模式，當(dāng)然CPU也保持在睡眠模式。

然而，如果信號發(fā)生變化，并且超過閾值，系統(tǒng)將知道該信號，并采取適當(dāng)?shù)拇胧?。在回到睡眠模式之前?/span>ADC閾值將重新配置以適應(yīng)新的信號值，因此系統(tǒng)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。圓點表示ADC樣本，箭頭表示每當(dāng)CPU被喚醒時，它將記錄本次變化并重新配置閾值。

圖3 當(dāng)信號超過閾值時，CPU中斷動態(tài)修改ADC的閾值

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

如果系統(tǒng)的目標(biāo)是測量信號的動態(tài)值，則PRS / DMA驅(qū)動方法是理想的，因為它使所有數(shù)據(jù)可用，同時仍然可以提供非常有益的節(jié)能特性。

自主工作子系統(tǒng)

ADC示例只是眾多通過睡眠模式降低應(yīng)用功耗的方法之一。專注于低功耗應(yīng)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，從而實現(xiàn)高水平的自主行為。

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

在許多情況下，單個外設(shè)可以自主地履行其職責(zé)，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(dāng)前一些新型MCU中存在的PRS系統(tǒng)這樣的外設(shè)互連。這些外設(shè)互連允許多個外設(shè)連接以自主執(zhí)行更復(fù)雜的任務(wù)。

圖4顯示了這樣的自主系統(tǒng)示例，其使用事件鏈來執(zhí)行其功能：

1.RTC以給定的時間周期性地發(fā)送PRS信號至ADC以啟動轉(zhuǎn)換。

2.RTC同時啟動外部傳感器，這樣在測量時信號就已經(jīng)準(zhǔn)備好了。

3.ADC完成采樣并通知DMA，DMA把數(shù)據(jù)傳送到RAM。

4.來自ADC的完成PRS信號關(guān)閉外部傳感器。

5.當(dāng)緩沖器滿時中斷喚醒CPU，或者超過ADC閾值時中斷喚醒CPU。

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

DMA可以從圖4所示系統(tǒng)中拿走，通過設(shè)置ADC的比較功能來做到更省電。

圖4 該自主ADC系統(tǒng)包含周期工作的傳感器和看門狗

這些自主子系統(tǒng)具有以下幾個主要優(yōu)點：

1.顯著節(jié)能。

2.即使CPU負(fù)載很重時傳感器依舊可以穩(wěn)定工作。

缺點是，并不是所有的MCU都支持這種類型的操作，并且在設(shè)置交互時，您會希望像硬件設(shè)計人員一樣思考?？傊瑢τ谠S多電池供電型應(yīng)用來說，其優(yōu)點明顯多于缺點。

結(jié)論

通過利用各種節(jié)能技術(shù)，當(dāng)傳感器測量時，CPU幾乎完全脫離工作。對于表1所示的無線應(yīng)用，這將使總平均功耗從61.6μA降低到37.6μA，降低了39％，從而使電池壽命從大約5個月延長到8個月，增加了64％，或者可以允許電池尺寸減小以改善系統(tǒng)外形。

對于非無線應(yīng)用，節(jié)能將更加顯著。表1中的示例，能耗將從29.6μA降低到5.6μA，由CR2032電池供電，理論上壽命將從10個月延長到4.6年。

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