全新 SimpleLink MCU 無(wú)線平臺(tái)支持超低功耗小型電池應(yīng)用 - 全文

全新的SimpleLink? CC26xx/CC13xx超低功耗平臺(tái)適用于Bluetooth? Smart、6LoWPAN、ZigBee?、頻率不到1GHz的ZigBee RF4CE?，在打造和設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮到了低功耗。確保我們的解決方案能量消耗盡可能降低，從而支持更長(zhǎng)的電池壽命、型號(hào)更小的電池乃至適合無(wú)電池應(yīng)用的能量收集功能 —— 我們已察看了對(duì)實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)而言至關(guān)重要的方方面面。

應(yīng)用

與流行看法相反的是，無(wú)線電收發(fā)器本身很難成為無(wú)線微控制器（MCU）整體功耗的主要影響因素。由于各種技術(shù)都在進(jìn)步，因此即使在較小的傳感器中對(duì)計(jì)算能力的需求也越來(lái)越多；隨著標(biāo)準(zhǔn)的演變，無(wú)線協(xié)議棧會(huì)帶來(lái)更大的開(kāi)銷。

在SimpleLink CC26xx產(chǎn)品系列中，有兩種非常節(jié)能的MCU可提供給應(yīng)用。

ARM? Cortex?-M3

ARM Cortex-M3是CC26xx器件內(nèi)部的主系統(tǒng)中央處理器（CPU）。一種測(cè)定MCU性能的方法是使用基準(zhǔn)工具。比較流行的基準(zhǔn)之一是來(lái)自嵌入式微處理器基準(zhǔn)協(xié)會(huì)（EEMBC）的CoreMark。CoreMark是一種簡(jiǎn)單卻絕對(duì)尖端的基準(zhǔn)，其設(shè)計(jì)目的是測(cè)試嵌入式設(shè)備中所用處理器內(nèi)核的效率。它不依賴于系統(tǒng)，因此無(wú)論用什么平臺(tái)（例如降序/升序、高端或低端處理器等），它的功能都是相同的。該基準(zhǔn)還展示了MCU內(nèi)核的能效。

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表1：CC26xx的不同CoreMark得分（電壓為3.0V、頻率為48MHz時(shí)在CC2650-7ID上測(cè)定）

表1中的得分能讓有效使用過(guò)程中的平均功耗非常低。以最高速度（此時(shí)頻率為48MHz）運(yùn)行ARM Cortex-M3時(shí)，該CPU運(yùn)行消耗的電流小于3mA，優(yōu)于任何在低效內(nèi)核或較低位CPU時(shí)鐘內(nèi)運(yùn)行的無(wú)線MCU。較之具有類似MCU的任何競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品，CC26xx CoreMark的電源效率（CoreMark/ mA）都是最佳的，這使它成為現(xiàn)今可提供的最節(jié)能微控制器。

傳感器控制器

獨(dú)特的超低功耗傳感器控制器是一個(gè)與模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、模擬比較器、SPI/I2C及電容式觸控板等外設(shè)相耦合的16位CPU。其設(shè)計(jì)目的是當(dāng)系統(tǒng)的其它部分處于待機(jī)狀態(tài)時(shí)可自主運(yùn)行。該傳感器控制器允許以功耗非常低的方式用接口與外部模擬或數(shù)字傳感器連接。

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圖1：當(dāng)系統(tǒng)的其它部分處于待機(jī)狀態(tài)時(shí)，該超低功耗傳感器控制器引擎可自主運(yùn)行

很多時(shí)候，喚醒整個(gè)系統(tǒng)來(lái)執(zhí)行次要任務(wù)是不節(jié)能的，因?yàn)檫@會(huì)帶來(lái)大量開(kāi)銷。在許多用例中均有需要按一定時(shí)間間隔運(yùn)行的任務(wù)，它們的占空比較之實(shí)際射頻（RF）或主要活動(dòng)的占空比更大。

需每秒使ADC運(yùn)行10次以準(zhǔn)確獲得心率的心率監(jiān)測(cè)器可作為一個(gè)例子。在這個(gè)實(shí)例中，喚醒整個(gè)系統(tǒng)來(lái)執(zhí)行每秒10次的無(wú)線傳輸任務(wù)是很不節(jié)能的。使用SimpleLink超低功耗CC26xx平臺(tái)，每當(dāng)進(jìn)行第10次ADC采樣時(shí)，人們都可讓該傳感器控制器執(zhí)行所有的ADC測(cè)量任務(wù)并喚醒ARM Cortex-M3，以便對(duì)該數(shù)據(jù)作進(jìn)一步的可選處理和分組RF傳輸。

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圖2：該傳感器控制器可顯著降低平均功耗

在這個(gè)例子中，該傳感器控制器能以小于3uA的平均電流消耗每秒執(zhí)行10次ADC讀取任務(wù)。用ARM Cortex-M3執(zhí)行相同的任務(wù)將需要10倍的功耗。

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表2：該傳感器控制器在主時(shí)鐘內(nèi)運(yùn)行時(shí)的能效

該傳感器控制器可直接靠預(yù)分頻（24MHz）的時(shí)鐘運(yùn)行，這使它能收集數(shù)據(jù)并對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的處理。

無(wú)線電器件

傳統(tǒng)上，由無(wú)線解決方案的高發(fā)送和接收電流引起的峰值消耗會(huì)對(duì)可能使用的電池產(chǎn)生限制或顯著縮短電池壽命。因?yàn)镃C26xx的峰值電流非常低，僅為6mA左右（0dBm的輸出），所以這再也不會(huì)對(duì)傳統(tǒng)的CR2032電池產(chǎn)生任何限制，甚至允許使用型號(hào)更小的電池。從平均功耗的視角看，無(wú)線電器件不再是功耗的主要影響因素，人們對(duì)它的擔(dān)憂減少了，因此再也沒(méi)必要放棄輸出功率來(lái)降低峰值功耗了。

睡眠和關(guān)機(jī)

在任何電池供電型應(yīng)用中，射頻（接收/發(fā)送）占空比及其參數(shù)均可決定電池壽命。在傳輸之間，使待機(jī)電流能有多低就有多低以便電池中有足夠的電來(lái)供有效使用至關(guān)重要。CC26xx采用超低泄漏的靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（SRAM），該SRAM可被存滿（20KB），另外還能在待機(jī)時(shí)讓實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）運(yùn)行，并使寄存器和CPU的狀態(tài)被保持，消耗的電流卻低至1uA。在關(guān)機(jī)時(shí)，CC26xx可通過(guò)外部輸入輸出（IO）事件來(lái)喚醒，同時(shí)汲取的電流低至150nA。

CR2032的保質(zhì)期正在延長(zhǎng)，一些供應(yīng)商現(xiàn)在聲明電池壽命可長(zhǎng)達(dá)10年。從220mAh的CR2032汲取的平均系統(tǒng)電流必須低于2.5uA，以達(dá)到10年的壽命【2】。如果一個(gè)系統(tǒng)的基極電流大于此，用戶就不能讓電池達(dá)到最長(zhǎng)的潛在壽命，無(wú)論用戶實(shí)現(xiàn)的有效占空比有多小。

平均電流如何影響電池壽命

電池使用壽命主要與平均功耗有關(guān)。這將在很大程度上取決于用例，但現(xiàn)在有一種來(lái)自EEMBC的可用基準(zhǔn)，被稱為ULPBench? —— 該基準(zhǔn)可對(duì)產(chǎn)品說(shuō)明書參數(shù)進(jìn)行規(guī)范，并可提供一套方法以便公正可靠地測(cè)定MCU能效。ULPBench使用跨8位、16位和32位微控制器的一系列便攜式通用工作負(fù)載，能采用MCU低功耗模式同時(shí)聚焦利用集成硬件功能的實(shí)際應(yīng)用。最后，它還可分析有效條件和低功耗條件【3】的影響。

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圖3：CC26xx與競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品的ULPBench得分

查看平均電流的另一種常見(jiàn)方法是觀察一項(xiàng)給定技術(shù)的具體用例。對(duì)Bluetooth Smart而言，一種方法是指出平均電流，同時(shí)在給定的時(shí)間間隔內(nèi)保持兩個(gè)設(shè)備之間的連接。

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表3：CC26xx的平均得分（電壓為3.0V時(shí)在CC2650-7ID上測(cè)定）

當(dāng)查看無(wú)線事件的功率分布圖時(shí)，所有已討論過(guò)的內(nèi)容都會(huì)顯現(xiàn)出來(lái)。圖4展示了具有喚醒、軟件棧預(yù)處理、無(wú)線電事件（接收和發(fā)送）及后期處理/回到睡眠階段功能的Bluetooth Smart的連接事件。

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圖4：Bluetooth Smart連接事件的功率分布圖

關(guān)于如何為Bluetooth Smart應(yīng)用計(jì)算平均電流和電池壽命的更多詳情見(jiàn)【4】

參考：

【1】Cortex-M0+ 處理器