如何延長(zhǎng)微控制器設(shè)備的電池壽命

電池供電設(shè)備，不管是電動(dòng)牙刷、剃須刀、手機(jī)、個(gè)人數(shù)字助理(PDA)、MP3播放器，還是手無(wú)法夠到的遙控設(shè)備，都成為人們?nèi)粘Ｉ畹囊徊糠帧Ｒ虼?，電源管理?duì)當(dāng)今的嵌入式設(shè)計(jì)工程師來(lái)說(shuō)是一件相當(dāng)重要的的事。普遍存在的微控制器在許多設(shè)備的應(yīng)用中為設(shè)計(jì)工程師提供了大量管理電源要求的方法。不同種類(lèi)的MCU自身就擁有一系列節(jié)省電流消耗及許多節(jié)能特性。但是，在基于微控制器的設(shè)計(jì)中，對(duì)電源的管理不僅僅是選擇一個(gè)正確的微控制器這么簡(jiǎn)單。

　　電源管理同樣也需要最有效地使用MCU自身的降低電流消耗及節(jié)能特性的發(fā)展策略。在系統(tǒng)層面上，即使你所選擇的MCU是獨(dú)立的，同樣能夠使用許多策略來(lái)進(jìn)一步延長(zhǎng)您的應(yīng)用設(shè)備的電池壽命。

　　應(yīng)用實(shí)例：無(wú)線自行車(chē)?yán)锍瘫?/span>

　　接下來(lái)，我們將以無(wú)線自行車(chē)?yán)锍瘫頌槔?，?lái)展示有效的電源管理。該里程表由三部分模塊組成：一個(gè)位于車(chē)把上的控制面板，一個(gè)位于車(chē)輪中的速度傳感器及一個(gè)位于騎車(chē)者頭盔上的顯示器。

　　速度傳感器將自行車(chē)的轉(zhuǎn)速反饋給控制面板，控制面板則計(jì)算諸如：行車(chē)速度、行車(chē)?yán)锍?、行?chē)時(shí)間及能量消耗此類(lèi)信息，并將計(jì)算好的信息傳達(dá)給顯示器。下方圖1為一個(gè)自行車(chē)?yán)锍瘫砜刂泼姘宓姆娇驁D。

　　圖1：無(wú)線自行車(chē)?yán)锍瘫砜刂泼姘宸娇驁D，顯示了當(dāng)今MCU不斷增強(qiáng)的電源管理特性。

　　低功耗模式數(shù)量的增加

　　MCU幾何形狀趨小型化，以減小芯片面積，這會(huì)導(dǎo)致晶體管無(wú)法承受3V或3V以上電壓的直接作用。因此，就要在內(nèi)部邏輯中使用電壓調(diào)整器來(lái)降低電壓。

　　遺憾的是，這些電壓調(diào)整器會(huì)加大MCU的電流消耗。但是，由于功率大小等于電壓乘以電流，因此一個(gè)帶有調(diào)整器的1.8V至3V的系統(tǒng)功耗仍比一個(gè)不帶調(diào)整器的5V的系統(tǒng)功耗要低。

　　MCU很強(qiáng)地依賴于電源管理模式，在降低整體的工作電流的同時(shí)仍能支持調(diào)節(jié)電源和加快時(shí)鐘速度。新型MCU能夠提供許多低功耗模式來(lái)滿足這 些要求，同時(shí)保持系統(tǒng)靈活性。飛思卡爾公司的MC9S08GB60 MCU有四種低功耗模式：深度停止?fàn)顟B(tài)(stop1)、中度停止?fàn)顟B(tài)(stop2)、輕度停止?fàn)顟B(tài)(stop3)和等待模式。

　　在等待模式下，通過(guò)關(guān)閉CPU時(shí)鐘來(lái)降低功耗，但是系統(tǒng)時(shí)鐘由其它MCU外設(shè)來(lái)支持工作，如：模-數(shù)(A-D)轉(zhuǎn)換器、計(jì)時(shí)器或串行通信模塊。該模式在外設(shè)需要工作的情況下用于降低功耗是相當(dāng)有效的，但是CPU在外設(shè)完成任務(wù)之前不能工作。

　　在我們的例子中，等待模式在串行外設(shè)接口(SPI)用于與射頻(RF)收發(fā)器通信情況下使用。

　　要想更進(jìn)一步降低功耗，可使用三種停止模式。Stop1、Stop2、Stop3分別提供不同級(jí)別的降低功耗操作。

　　Stop3是三種停止模式中功能性最強(qiáng)的一個(gè)。在Stop3模式下，片上電壓調(diào)整器處于省電模式，但仍能提供最低限度的調(diào)節(jié)來(lái)保留隨機(jī)存儲(chǔ)器(RAM)和輸入/輸出(I/O)寄存器的內(nèi)容。幾個(gè)中斷源和復(fù)位能夠?qū)CU從Stop3模式下喚醒。Stop3 是三種停止模式中唯一一個(gè)低電壓抑制(LVI)模塊和晶振仍能工作的模式。

　　在我們的例子中，在從速度傳感器讀取速度值之間的一段時(shí)間里，MCU處于等待狀態(tài)，此時(shí)可使用Stop3模式。Stop3模式下工作的實(shí)時(shí)接口(RTI)功能可用于及時(shí)喚醒MCU以進(jìn)行下次讀取。

　　Stop2的功能性較之Stop3要弱些，但其功耗更低。在Stop2模式下，電壓調(diào)整器處于節(jié)電(powered down)狀態(tài)。但是，RAM內(nèi)容仍然保存著。I/O寄存器也處于節(jié)電狀態(tài)，并且當(dāng)它從停止模式被喚醒時(shí)需要進(jìn)行重新配置。在Stop2中，能夠喚醒 MCU的中斷源更少，但是仍具有RTI功能?；氐轿覀兊睦又衼?lái)看，Stop2可取代Stop3來(lái)更進(jìn)一步降低功耗。由于該模式下RTI功能和RAM仍在 工作，所以速度讀取之間的時(shí)間仍可被測(cè)得。

　　Stop1是MCU中功耗最低的模式。在該模式下，電壓調(diào)整器及所有外設(shè)、CPU、RAM和I/O都完全進(jìn)入節(jié)電狀態(tài)。只有復(fù)位和IRQ中斷腳能夠喚醒MCU。當(dāng)MCU能夠進(jìn)入節(jié)電狀態(tài)，但在外部激勵(lì)下，如按下按鈕的情況下仍需做出反應(yīng)時(shí)可用Stop1模式。

　　在自行車(chē)?yán)锍瘫磉@個(gè)例子中，當(dāng)里程表處于節(jié)電狀態(tài)時(shí)可進(jìn)入Stop1模式。節(jié)電狀態(tài)下的Stop1模式是MCU中可能存在的功耗最小的模式，而不需從芯片上切斷電源。為什么不從芯片上將電源徹底切斷呢?因?yàn)閺男酒锨袛嚯娫葱枰褂靡粋€(gè)更為昂貴的撥動(dòng)開(kāi)關(guān)。

　　同樣的，MCU可使用一個(gè)與中斷腳相連的按鈕開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)許多不同的作用。這些不同的作用取決于系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)。因此，Stop1模式能夠保持設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、成本低廉、并且?guī)缀醪幌碾娏?，堪稱完美。

　　時(shí)鐘管理

　　許多設(shè)計(jì)師將低功耗與低時(shí)鐘頻率等同起來(lái)。而事實(shí)上，根據(jù)MCU正在進(jìn)行的不同操作及MCU可使用何種低功耗模式，以最高的速度工作事實(shí)上能夠降低功耗。

　　如果MCU擁有一個(gè)有效的低功耗模式，那么使它最長(zhǎng)時(shí)間地處于該模式下能夠最大限度地降低功耗。因此，如果CPU在返回睡眠模式之前需要執(zhí)行代碼，那么以可能的最高速度完成代碼執(zhí)行，然后返回低功耗模式比持續(xù)以低速度工作消耗的電流少。

　　讓我們?cè)賮?lái)看看自行車(chē)?yán)锍瘫磉@個(gè)例子，假設(shè)控制面板每秒鐘更新速度一次，并且需要循環(huán)16,000個(gè)總線周期來(lái)計(jì)算數(shù)據(jù)并在顯示器上顯示出 來(lái)。由典型的32kHz晶體工作，并且假設(shè)有一個(gè)普通的一分為二的總線時(shí)鐘，我們就能夠擁有16KHz的總線，在這種情況下，需要使用整整一秒鐘來(lái)完成計(jì) 算。

　　現(xiàn)在，如果我們可以使用8MHz的總線時(shí)鐘，就可以僅花費(fèi)2毫秒來(lái)完成計(jì)算，剩余的998毫秒可處于低功耗模式下。

　　當(dāng)然，并非MCU須執(zhí)行的每項(xiàng)任務(wù)都會(huì)得益于高速性能。在我們的例子中，如果數(shù)據(jù)速度相當(dāng)?shù)穆?，無(wú)線通信所需的時(shí)間可能不需要8MHz的總線速率。因此，在這種情況下，要想將功耗最小化，我們就應(yīng)該盡可能慢地運(yùn)行MCU，直至無(wú)線通信結(jié)束。

　　因此，我們需要一個(gè)時(shí)鐘靈活的MCU，如飛思卡爾公司的MC9S08GB60 MCU。擁有該設(shè)備，您可以使用高頻晶體、低頻晶體或內(nèi)部振蕩器。

　　擁有任一此類(lèi)時(shí)鐘源，就可以隨意地使用片上頻率鎖定環(huán)(FLL)使總線速度成倍地升高或降低，來(lái)滿足任務(wù)需求并且使功耗達(dá)到最小化。圖2為自行車(chē)?yán)锍瘫砝又胁煌僮髂Ｊ较鹿牡母淖兦闆r。

　　圖2：在自行車(chē)?yán)锍瘫砝又校?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/如何">如何通過(guò)高活性短脈沖及時(shí)間更長(zhǎng)的非活性低功耗模式之間的轉(zhuǎn)化來(lái)進(jìn)行電源管理的圖。