如何降低需要監(jiān)視外部輸入的MCU系統(tǒng)功耗

目前幾乎沒有應(yīng)用不需要降低能耗。對(duì)于便攜設(shè)備和電池供電設(shè)備的設(shè)計(jì)師來說，這是影響所設(shè)計(jì)產(chǎn)品的最佳性能與可用性的一個(gè)約束條件。在美國(guó)國(guó)內(nèi)，諸如能源之星(EnergyStar)等計(jì)劃使得消費(fèi)者能夠更好地理解這個(gè)問題，即不僅要降低設(shè)備正常使用時(shí)的功耗，而且要降低待機(jī)模式下的功耗。越來越多的人認(rèn)識(shí)到能源是一種寶貴且有限的資源。

影響系統(tǒng)總體能耗的主要因素之一是位于系統(tǒng)核心的微控制器(MCU)的性能。因此，設(shè)計(jì)師一直致力于盡最大可能地減小MCU功耗，他們主要關(guān)注三個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域。

首先是工作能耗，即在給定能量輸入條件下MCU能夠提供的有用處理工作量，顯然這是非常重要的。可以用每兆赫茲(MHz)的電流消耗來衡量MCU的這個(gè)指標(biāo)，32位Cortex M3處理器的基準(zhǔn)數(shù)是150μA/MHz，Energy Micro公司的EFM32 Tiny Gecko MCU就能達(dá)到這個(gè)指標(biāo)。

此外，處理器也需要各種消耗電流盡可能少的睡眠和深度睡眠模式。同樣舉Gecko系列處理器的例子，停止模式下的電流約為20nA。

然而在實(shí)際應(yīng)用中，影響功耗的第三個(gè)因素也許是最重要的。如果處理器在睡眠狀態(tài)沒法監(jiān)視外部事件以便知道何時(shí)蘇醒，那么睡眠模式幾乎毫無用處。因此在實(shí)際使用中，大多數(shù)MCU的大部分時(shí)間處于中間的“等待輸入”模式。

這種情形的例子有很多。智能手機(jī)只有在來電或有短信時(shí)、或者用戶通過人機(jī)界面(HMI)傳感器做一些操作時(shí)才需要被喚醒。智能水表的“正常”狀態(tài)則是等待水開始流動(dòng)。

所有這些情況下的常規(guī)解決方案是，MCU定期蘇醒過來‘檢查’其傳感輸入并進(jìn)行一些運(yùn)算，以便發(fā)現(xiàn)是否有任務(wù)要做。這種方法面臨許多挑戰(zhàn)。傳感器測(cè)量一般要求系統(tǒng)產(chǎn)生專門的激勵(lì)和采樣圖案，例如，電容傳感器需要用正弦波輸入進(jìn)行激勵(lì)。在功耗和系統(tǒng)響應(yīng)度之間最好有個(gè)權(quán)衡：手機(jī)“輪詢”觸摸屏界面次數(shù)太少的話(比如每隔幾秒)就會(huì)給人反應(yīng)遲鈍的感覺而難以使用。而喚醒過程本身的代價(jià)就可能比較高，使得從睡眠模式到工作模式的轉(zhuǎn)換簡(jiǎn)直就是無用功。設(shè)計(jì)師可能會(huì)發(fā)現(xiàn)，讓MCU處于較高程度的喚醒狀態(tài)比費(fèi)力管理這些轉(zhuǎn)換要高效得多。

一種更好更高效的方法是選擇擁有更加自治的外設(shè)與傳感器輸入系統(tǒng)的MCU：這樣，CPU不必醒過來做每次測(cè)量。Energy Micro公司的EFM32 Gecko系列MCU就可以提供這樣的系統(tǒng)，它整合了低能耗傳感器接口(LESENSE)和外設(shè)反射系統(tǒng)(PRS)，不需要CPU干預(yù)就能實(shí)現(xiàn)與I/O元件的交互。因此EFM32系列MCU可以在睡眠模式下實(shí)現(xiàn)許多功能，比如容性觸摸喚醒、金屬物體檢測(cè)或阻性傳感器監(jiān)視等功能，消耗電流不到1.2μA。

外設(shè)反射系統(tǒng)(PRS)(圖1)允許片載“產(chǎn)生器”外設(shè)產(chǎn)生的信號(hào)被路由到其它“消費(fèi)”外設(shè)，然后再由那些消費(fèi)外設(shè)根據(jù)這些輸入完成相應(yīng)的操作。“產(chǎn)生器”信號(hào)包括模擬比較器和GPIO電平輸出、來自ADC和DAC的“轉(zhuǎn)換完成”信號(hào)、來自計(jì)數(shù)器/定時(shí)器的上溢/下溢信號(hào)以及來自UART或USARTR “發(fā)/收完成”狀態(tài)消息。反射的“消費(fèi)”外設(shè)包括DAC/ADC觸發(fā)器、定時(shí)器輸入和UART/USART使能輸入。


圖1: 經(jīng)過配置的EFM32外設(shè)反射系統(tǒng)可以根據(jù)TIMER0溢出信號(hào)啟動(dòng)一次ADC轉(zhuǎn)換，同時(shí)提供模擬比較器輸出，作為TIMER1中比較/捕捉通道的輸入。

PRS有8個(gè)通道，每個(gè)通道都有一個(gè)邊沿檢測(cè)器，可以用來從電平信號(hào)產(chǎn)生邏輯脈沖。每個(gè)通道的兩個(gè)寄存器(PRS_SWPULSE和PRS_SWLEVEL)允許每個(gè)輸出被驅(qū)動(dòng)到軟件定義的電平或邏輯‘1’。

MCU的LESENSE接口建立在這種自治外設(shè)原理之上，允許MCU在不到1?A的睡眠模式下監(jiān)視多達(dá)16個(gè)外部無源(電阻、電容或電感)傳感器。這種MCU整合了模擬比較器和DAC，并受運(yùn)行于32kHz時(shí)鐘源的定序器控制。比較器輸出可以用于計(jì)數(shù)、比較或直接用作中斷。要想實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量，可以將DAC用作比較器的參考基準(zhǔn)。

定序器控制哪個(gè)引腳連接到比較器、比較器工作了多長(zhǎng)時(shí)間以及何時(shí)應(yīng)該將輸出送去計(jì)數(shù)或比較。也可以在比較器工作之前或工作之中利用DAC電壓或GPIO引腳進(jìn)行激勵(lì)。在測(cè)量之后，計(jì)數(shù)器或比較器輸出被緩沖和存儲(chǔ)，以供隨后的處理。

在掃描完成后，結(jié)果將被傳送給一個(gè)低功耗的解碼器，這個(gè)解碼器具有可配置的“下一個(gè)”狀態(tài)和觸發(fā)條件。這樣便可能捕捉許多傳感器讀數(shù)和組合，并且僅在匹配一段時(shí)間內(nèi)的圖案后才喚醒CPU(圖2)。例如，當(dāng)溫度和濕度傳感器都達(dá)到各自的閾值時(shí)才觸發(fā)喚醒，或者當(dāng)壓力傳感器連續(xù)觸發(fā)10次時(shí)才喚醒CPU。


圖2: 基于模擬事件的條件喚醒。