【技术】嵌入式系统低功耗设计的绝佳解决方案！

Parker Dorris是一位支持SILICON LABS微控制器产品线的高级应用工程师。 他于2003年加入Silicon Labs，当时该公司收购了Cygnal Integrated Products。Dorris先生专长于人机界面和USB嵌入式系统设计领域。他详细的介绍了嵌入式系统低功耗设计的考虑因素，并针对Silicon Labs的SiM3Cxx微控制器进行了嵌入式系统低功耗设计的举例，以供参考。

即使在以数字为主的设计中，功耗预算分析也会是模拟工程师的责任。在嵌入式系统开发中应该优先考虑低电流消耗，这样就迫使工程师们在性能和功耗之间找到平衡点，而达到这种平衡就意味着要降低产品性能和可靠性。

这些妥协可能会影响三个方面的性能：模拟传感，通信和算法处理。因为传感器的扫描时间必须加以限制来节省功耗，所以带有模拟电容传感输入的设计可能不具有抗干扰或湿度的能力。当微控制器（MCU）处于深度休眠模式时，串行通信接口可能需要繁琐的协议修改来补偿“死区时间”的通信故障。因为电流消耗的限制要求它们减少活动模式的处理时间，所以设计的某些算法特性可能会减少功能的丰富性。

工程师可以通过选择适合于高性能、低功耗应用的32位微控制器来减轻这些妥协的影响，或者完全避免这些影响。通过利用MCU功能的特定固件优化，他们可以保持性能和可靠性，同时降低电流消耗。

嵌入式设计实例：基于红外的遥控器

包含以下功能的遥控器是嵌入式系统的一个很好的例子，它将从低功耗优化中获益：

•带有板载红外收发器的串行接口

•一个由四个电容式感应按钮组成的用户界面

•一些考虑未来的设计将来可以重复使用，功能更丰富的产品

创建功耗预算

在低功耗应用中运行的MCU遵循一些基本原理，如图一所示：

•尽可能保持MCU处于功耗最低，深度休眠模式。

•在执行任务时，固件应该趋向于可能的最低功率操作状态。

•依赖于过程的任务（如数字滤波算法）应使用最快时钟速度来满足其他设计要求。

•与时间相关的任务，应该使用设计中最慢的时钟速度，例如在一个串行接口上以定义的波特率接收一个字节的数据。

图一 用MCU实现低功耗的实例

开发人员应将系统固件架构分解为功能组件，并尝试确定哪些组件是依赖于进程的，哪些组件是时间依赖的。此外，尝试估计执行每个固件组件所需的时间以及每个组件执行的频率是很有帮助的。基于这些估计值，设计者可以生成平均电流消耗的粗略估计。

创建这个初步的功耗预算可以在以下几个关键方面帮助设计人员：

•设计者可以知道适合设计的电池类型，这将会影响硬件选型和设计的考虑，并且可以减少硬件在开发过程中的修改。

•开发更准确的电流消耗需求估算器，可以使设计人员更明智地决定哪种MCU最适合设计。

远程控制应用程序示例具有以下功能块，如图二所示：

•IR串行接口：由串行接口产生的与时间相关的任务将以定义的波特率运行

•IR命令解析器：一个与进程相关的解释器算法

•电容式传感器检测感应电极上的触摸：由于电容式感应模块而导致的与时间有关的任务

•增强滤波电容检测输出和防止误触检测的鲁棒增强算法：需要MCU周期和资源完成的过程相关任务

图二 基于IR的遥控器中的基本功能模块

选择最佳的32位MCU

在为嵌入式系统选择32位MCU时，设计人员必须深入研究产品规格。大多数MCU供应商提供产品选择指南和矩阵，显示注释的基本设计要求，代码和RAM占用空间以及它们提供的MCU引脚，这些都是很有用的选型工具，可以方便的消除不符合基本设计要求的MCU。但是，在比较MCU供应商之间的功能集时要认真，因为其他厂商的规格可能会有所不同。

例如，如果设计需要高性能模数转换器（ADC），请确保ADC在与您的产品的工作范围相匹配的温度和电压范围内达到所需的性能水平。某些集成ADC在MCU的整个工作范围内无法达到其最高性能规格，仔细的规格检查在低功耗应用中尤为重要。当在电池供电的应用中看到较低的电压电平时，一些MCU将受到多种性能损失的影响。

除了检查高性能模拟外设的规格折衷之外，还要确保MCU能够以您自己的系统时钟速度运行。当使用电池供电时，只能以预期振荡器速度的75％运行的MCU将对具有与过程相关的固件组件的系统的平均电流消耗产生巨大影响。

Silicon Laboratories的基于ARM Cortex-M3处理器的SiM3Cxx Precision32™MCU，是能够提供所需性能的一款MCU。这种MCU包括一个复杂的电源管理模块，其目的是为了实现低功耗性能；一个片上16位的电容到数字转换器；许多串行接口；以及一个代码/RAM/功能集，它提供了足够的性能裕度，可以在未来的高级应用程序中重复使用。

使用具有电容感应的实时时钟

SiM3Cxx MCU的电容式感应模块可以在不到50微秒的时间内完成16位转换。传感固件组件不需要不断执行转换以确定用户是否按下了按钮。相反，固件可以利用MCU的片上实时时钟功能周期性地从深度休眠唤醒并执行扫描。

由于在我们的示例应用程序中没有启用晶体的精度，所以我们可以在不需要分立晶体振荡器的自激振荡模式下操作时钟。通过没有晶体的运行，系统可以节省激励和振荡外部晶体所需的电流。

优化初始化以尽量减少重置时间

SiM3Cxx MCU的ARM处理器内核使用Power Mode 9（PM9）来实现其最低功耗运行状态。实时时钟可配置为在时钟报警跳闸时强制唤醒。在唤醒过程开始时，MCU不能被复位，如果固件重新初始化所有的硬件外设和变量，会导致不必要的执行时间。为节省处理时间并节省电流，固件应在复位后立即检查“唤醒源”，以确定设备重置的原因。

基于复位源，固件可以“分叉”初始化以节省时间。如果可以通过开机事件来重置，例如更换产品的电池，则可能需要完成初始化以建立定义的启动系统状态。但是，如果实时时钟报警导致复位，则固件可能只需要初始化电容感应块来执行预定的转换。如果处理的是用户没有触摸的电极，则可以快速返回到低功率PM9状态，并避免无关代码的执行。图三显示了典型PM9复位的循环流程。

图三 PM9重置循环流程图

转换期间的电源考虑因素

电容转换是随时间变化的，因此固件应该在转换过程中尝试恢复到较低功耗状态，以节省电流。对于SiM3Cxx MCU，当MCU处于功率模式3（PM 3）状态时，可以执行转换，MCU将自动退出此状态并在转换完成时恢复操作。

任何需要在新采样的数据上执行的鲁棒性增强算法都应该以最快的可用系统时钟运行，以便尽快完成这个与处理相关的任务。

使用端口匹配功能进行红外接收唤醒

当SiM3Cxx MCU在数字端口引脚上转换时，也可以从PM9中唤醒。此功能使系统在IR收发器开始通过串行接口传输数据字节时唤醒。端口匹配功能可以监视由IR组件驱动的中断引脚，或者它可以监视接口数据或时钟线中的一个。

请记住，MCU的串行接口将不会被启用并配置为在PM9唤醒后立即接收数据，因为器件必须循环执行复位。使用初始化分叉优化功能可以最大限度地减少这种延迟。

考虑更多的串行接口功耗

IR处理的时间和过程相关部分应该像在电容感应模块中处理类似的任务一样进行处理。如有可能，系统应进入低功耗状态。当需要执行算法时，确保系统使用尽可能最快的系统时钟。

执行电源模式1

低功耗MCU固件可以做更多的事情来节省电流。例如，在功耗模式1（PM1）下，SiM3Cxx MCU可以从RAM而不是代码空间执行代码，它可以保存当前的状态，因为指令执行不需要闪存。当固件对这个功能使用保留RAM，它保持整个复位周期的状态时，电容式感应和IR接口在执行时可实现最佳的低电流消耗。

结论

在许多方面，创建一个低功耗系统是一种“少花钱多做事”的实践。在开发过程的每一个阶段，从MCU选择到代码创建，设计者都应该问自己，是否有办法避免不必要的任务执行。当必须执行任务时，优先是以尽可能小的电流消耗达到设计要求的方式完成任务。但是，设计人员必须注意，系统的优化不会严重影响性能。

例如，在远程控制的例子中，执行电容式感应扫描的频率过低，可能会导致错过按键或检测到的信号不强。如果IR接口没有以适当的速度服务，IR命令可能会被忽略或误解。在性能和节能之间找到适当的平衡点是一个挑战，可以通过谨慎的规划和设计原则来克服挑战，这些原则能够以正确的电流消耗巧妙执行所有要求。

技术顾问：惠惠

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