低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

利用功耗模式的優(yōu)勢
接下來，考慮一種具有代表性的情形，在這種情況下，選擇不同單片機(jī)功耗模式對系統(tǒng)所用總功率有巨大影響。以基本遠(yuǎn)程溫度傳感器為例，該應(yīng)用收集較長時間段內(nèi)的數(shù)據(jù)，可能運(yùn)用較為成熟的噪聲濾波算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后將單片機(jī)重新置于待機(jī)模式，直到需要更多采樣測量為止。它還采用無線射頻（RF）傳輸方式將溫度信息報告給中央控制臺。

對溫度進(jìn)行采樣需要使用MCU的片上模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），并且僅需適當(dāng)?shù)奶幚砟芰?。在噪聲濾波階段，單片機(jī)必須采用處理能力較高的模式來計算高級濾波算法，并盡快將結(jié)果存回存儲器。因此，單片機(jī)運(yùn)行并消耗功率的總時間縮短了。

每隔一段預(yù)定的時間間隔，單片機(jī)就會組合所有的采樣結(jié)果并采用RF收發(fā)器設(shè)備發(fā)送至中央控制臺。需要精確時序來確保無線傳感器在預(yù)先分配的時隙內(nèi)發(fā)送這一信息，從而允許同一系統(tǒng)中的多個無線傳感器節(jié)點(diǎn)協(xié)同工作。

我們?nèi)绾喂芾韱拘烟幚砥鞯念l率呢？通過配合使用定時器外設(shè)和集成32 kHz振蕩器電路，單片機(jī)能很精確地每秒產(chǎn)生一次中斷，從而保證喚醒時間準(zhǔn)確。此中斷事件還可以使單片機(jī)按預(yù)定的時間表向采樣緩沖區(qū)填充溫度數(shù)據(jù)。

單片機(jī)填充完溫度采樣緩沖區(qū)后，它將切換至處理器速度較高的模式，完成較為成熟的噪聲濾波算法計算，然后盡快返回休眠模式，以縮短工作時間。單片機(jī)采用同樣的實(shí)時時鐘功能來決定將捕捉到的采樣數(shù)據(jù)發(fā)送回中央控制臺的時間。確定單片機(jī)的最優(yōu)功耗模式以使總電流消耗最低取決于多個因素，下文將對此進(jìn)行討論。

在低功耗應(yīng)用中優(yōu)化功耗
要使總功耗最低，僅選擇單片機(jī)功耗最低的模式是不夠的。我們還必須確定單片機(jī)需要完成的每個任務(wù)的工作量——例如，采樣外部溫度傳感器。一旦確定每個任務(wù)的性能需求，我們還必須確定每個任務(wù)的最優(yōu)能源利用率。對于前面提到的公式：能量=時間×電壓×電流，由于系統(tǒng)總體需求和實(shí)際電源決定電壓值，因此我們通常無法改變公式中的電壓，這樣我們只能操作兩個參數(shù)：時間和電流。我們需要權(quán)衡單片機(jī)的工作時間和電流消耗。下面將探討在執(zhí)行上述分析時要切記的一些特定于單片機(jī)的參數(shù)。

處理器喚醒
將單片機(jī)置于低功耗模式后，有一些外部源可將其喚醒。喚醒事件可通過USB事件、實(shí)時時鐘事件，甚至是I/O引腳上的外部觸發(fā)信號發(fā)生。單片機(jī)從低功耗“休眠”模式喚醒并開始執(zhí)行代碼的時間非常重要。通常，我們努力使這個時間盡可能短，這也是我們之所以要在“休眠”和“深度休眠”工作模式之間選擇的原因。若每秒喚醒一次單片機(jī)，由于從“休眠”模式喚醒時，單片機(jī)可在10μs內(nèi)開始執(zhí)行代碼，而無須首先初始化任何軟件存儲單元，因而該模式可能是最優(yōu)選擇。若單片機(jī)處于低功耗狀態(tài)的時間較長——例如，數(shù)分鐘甚至數(shù)小時才喚醒一次，則“深度休眠”模式可能是最優(yōu)選擇。關(guān)鍵是要使單片機(jī)的總電流消耗最小。如果單片機(jī)處于低功耗關(guān)斷模式的時間較長，那么300μs 的喚醒時間與數(shù)分鐘或數(shù)小時的深度休眠時間相比就微不足道了。

系統(tǒng)級喚醒事件的另一個絕佳示例，可采用通過串行接口連接到處理器的外部RF芯片進(jìn)行演示。不使用處理器時，可將其置于某個低功耗狀態(tài)下，僅保持RF芯片運(yùn)行。由于新一代RF芯片的邏輯僅負(fù)責(zé)查找進(jìn)入的RF數(shù)據(jù)包，因此在工作狀態(tài)下消耗的電流很小。一旦接收到與所分配給該單元的地址相關(guān)的有效數(shù)據(jù)包，就將喚醒單片機(jī)開始處理信息。此類功耗模式機(jī)制較常用于基于射頻網(wǎng)絡(luò)的解決方案中，諸如那些基于ZigBee無線協(xié)議的解決方案。

時鐘頻率
單片機(jī)從外部或內(nèi)部時鐘源獲取系統(tǒng)時鐘頻率。單片機(jī)采用該時鐘頻率并將其分頻以得到應(yīng)用程序軟件所需的工作時鐘頻率。較低的頻率通常等同于較低的功耗。有時，單片機(jī)還可以采用鎖相環(huán)將外部時鐘頻率倍頻。外部時鐘信號通常來自晶振或稱為晶體振蕩器。

當(dāng)器件進(jìn)入低功耗模式時，單片機(jī)還可以禁止輸入晶體放大器電路，這樣也許可節(jié)省幾毫安的電流，但會以恢復(fù)正常工作狀態(tài)時延長振蕩器的導(dǎo)通時間（由于外部晶振的起振延時）為代價。然而，有些單片機(jī)具有采用雙速啟動模式的能力，在這種模式下，單片機(jī)將使用內(nèi)部振蕩器立即開始運(yùn)行，并在更精確的外部時鐘源有足夠時間穩(wěn)定后，自動切換至外部時鐘源。

單片機(jī)控制自身時鐘頻率的能力允許軟件工程師在保證總電流消耗最少的情況下，選擇適合于特定任務(wù)的時鐘速度。因此，工程師需要評估能量公式中的時間×電流元素，以確定哪種方案比較好：在較短時間段內(nèi)全速運(yùn)行，在較長時間段內(nèi)較慢運(yùn)行，或者選個中間速度。