【应用】高性能超低功耗的高度集成解决方案助力故障指示器
【摘要】故障指示器是一种易于实施、少维护或免维护型低成本解决方案。在32位MCU EFM32JG/PG+射频收发器Si4438 C版本的高度集成解决方案中，实测功耗分别仅为15.45uA和12uA。该方案提供了业界领先的超低功耗性能,使得整个系统信号链范围功耗达到历史新低，且大大降低了设计的复杂性。
在环网配电系统中，特别是大量使用环网负荷开关的系统，如果下一级配电网络系统中发生了短路故障或接地故障，上一级的供电系统必须在规定的时间内进行分断，以防止发生重大事故。因此，越来越多的线路故障指示器被用于配电系统中，用来标出发生故障的部分。
故障指示器是一种易于实施、少维护或免维护型低成本解决方案，因此对于该设备在配电网中的应用需求日益增长。图1是故障指示器及监测系统示意图。
故障指示器会定时将采集到的数据通过无线的方式传输给无线网络通信节点，节点将数据传送给网关后，网关上传到后台的系统平台。通过系统平台可以观察到每一个故障指示器的数据，从而能够有效地监测配电网络。
图1：故障指示器及监测系统
故障指示器的系统框图如下图所示，其主要包括能量采集、电源管理、处理器、模拟前端采样电路和通信接口等。在设计中，智能能量采集/管理和超低功耗成为客户对该检测系统的关键要求，因而选择具有低功耗特性的处理器和无线收发器尤为重要。本文为大家介绍SILICON LABS(芯科科技有限公司)的低功耗32位MCU EFM32JG/PG和射频收发器Si4438在故障指示器中的应用方案以及功耗实测情况。
图2：故障指示器系统框图
32位高性能超低功耗MCU作为处理器，实测功耗仅为15.45uA
Silicon Labs最新推出的超低功耗32位单片机EFM32JG/PG系列，分别基于Cortex-M3和Cortex-M4内核，运行时功耗低至63uA/MHz，内部RTCC工作时，休眠电流只有1.4uA。EFM32JG/PG具有非常广泛的外设选择，并且集成了硬件AES、ECC和SHA加密方式，使其非常适合用于高性能低功耗的应用。
高压线中交流电的频率是50Hz，即周期为20ms，故障指示器要想完整地对其采样，一般在一个周期中至少要采样8次，因此，故障指示器的采样频率要求至少400Hz，周期为2.5ms。而考虑到使功耗尽可能低，MCU需要尽可能多的工作在休眠状态，MCU的工作流程一般是：周期休眠2.5ms后唤醒，启动ADC进行采样，并将采样的结果存到缓冲区，然后继续休眠，采样到第8次时，对这8次的采样结果进行处理。在这种情况下，MCU需要频繁地唤醒，对于产品来说功耗往往不会太理想。
然而，EFM32PG/JG可以更进一步的降低功耗。该MCU的ADC可以工作在EM2和EM3模式下，并且在不唤醒系统的情况下触发LDMA，令其将ADC FIFO中的数据传输到RAM中。EFM32JG/PG的ADC具有4个FIFO可以存放ADC的结果。因此，实现上述同样的功能，EFM32JG/PG的工作流程可以如下：使用内部32.768KHz低频振荡器作为时钟源，定时2.5ms，时间到后通过PRS触发ADC采样，ADC采样结果存放在FIFO中，ADC采样时MCU不会唤醒，依然在EM2模式。当4个ADC FIFO都存满后，通过LDMA将数据传输到RAM的Buffer中，LDMA每隔10ms传输一次。LDMA传输数据时，高频振荡器会自动开启，传输数据结束后会自动关闭。传输数据时，MCU依然不会唤醒执行代码，但开启了高频振荡器，电流会高于EM2模式。每采样8次后，即LDMA传输两次后，MCU唤醒一次对数据进行处理。
这样的工作流程，EFM32JG/PG基本上全部是在休眠模式下将ADC采样的数据保存下来，并且由于EFM32JG/PG在EM2模式下的唤醒时间极短（仅2us），运行功耗非常低，这都大大降低了系统的功耗。图3为使用EFM32PG STK SLSTK3401A实际测试的功耗图，由图中可知，实现上述的功能,MCU平均电流仅为15.45uA。
图3：EFM32PG实际测试功耗图
增加了PSM功能的Si4438C版本，高性能低功耗特性更上一层楼
Silicon Labs针对中国无线市场推出了Si4438的C版本，与B版本相比，C版本突出优化了针对接收功能的功耗。Si4438的工作频段是425MHz到525MHz，发射功率高达20dBm，接收灵敏度在500bps的情况下为-124dBm，因此链路预算最高为144dBm。
Si4438的C版本增加了前缀检测模式(PSM)，能够降低preamble和SYC的检测功耗。图4为Si4438的C版本和B版本的功耗对比表格，由图中的数据对比可得出，Si4438 C版本无论在高性能还是低功耗的特性中，都得到了有效的改善。
图4：Si4438 C版本和B版本功耗对比
为了降低功耗和随时接收到发送端的数据，接收端无线收发器的一般工作模式是休眠模式和RX模式周期性转换，发送端需要先发送一个唤醒包将接收端唤醒，进行数据传输。Si4438的这种工作模式叫做LDC模式，当开启PSM功能时，Sleep设置1000ms，RX设置5ms的工作条件，实测Si4438的平均功耗在12uA。图5是Si4438的实际测试功耗图。
图5：Si4438 LDC with PSM功耗图
通过上面的分析，我们可以看到，EFM32JG/PG+Si4438C方案提供了业界领先的超低功耗性能,使得整个系统信号链范围功耗达到历史新低。此外，32位MCU EFM32JG/PG的 Cortex-M内核，处理能力和执行效率都比8位和16位的更高效。此高度集成的解决方案对于紧凑型布局极其有利，可减少设计的复杂性。
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