低功耗應用中µC外圍設備的選擇原則介紹

設計出色的低功耗應用需要同時考慮終端應用的需求和各種可用的 µC 特性。

　　設計人員可能會提出以下問題：是否能夠重新充電?尺寸能夠做到多小?典型的工作時間是多少?速度必須多快?要連接哪種類型的外圍器件?這些答案將最終為確立設計標準和功率要求積累原始資料。

　　圖 1：典型 µC 環(huán)境中的器件

　　處理功率

　　首先應該考慮 CPU 的處理功率,一般來說,CPU 是功耗最高的外圍器件。處理器全速運行時,耗電量非常大,因此 CPU 處于待機或關閉狀態(tài)的時間越多,電池壽命越長。例如,4 位處理器比 32 位處理器的功率消耗低;而處于休眠或停機狀態(tài)的任何位數(shù)的處理器均比工作中的處理器的功耗要低。因此,如果 32 位處理器執(zhí)行功能所耗的時間僅為 4 位處理器的1/10,那么,它在整個系統(tǒng)生命周期內要少消耗 9/10 的功率。因此,大多數(shù)制造商建議以較高的頻率運行 CPU,迅速完成任務,并立即返回到功耗最低的休眠狀態(tài)?？傊?在選擇處理器速度時,要考慮能夠迅速處理預期工作量并盡可能長時間地處于休眠狀態(tài)。

　　其次應考慮大多數(shù)便攜式應用的中斷服務例程 (ISR)。ISR 會定期喚醒處理器執(zhí)行預排程序的或用戶啟動的任務,然后讓處理器返回到休眠狀態(tài)。進入和退出 ISR 所用的 CPU 時鐘周期越少越好。事實上,許多 ISR(例如端口 I/O)有多個標志,這些標志可能會觸發(fā)同一中斷。采用程序計數(shù)器相對尋址方式的處理器會大大縮短識別和處理適當中斷源所需的必要周期-尤其是在鍵盤掃描應用中。如果 ISR 編寫得好,通過限制喚醒 CPU、執(zhí)行任務和返回休眠狀態(tài)所需的程序分支,可以確保處理時間最短。采用中斷向量表的處理器中,程序計數(shù)器加載 ISR 地址,這種處理器有助于減少額外的程序分支,并降低功耗。自動上下文保存以及算術邏輯單元 (ALU) 標志和功率模式的恢復功能也可以促進節(jié)能。

　　此外,由于在低速或時鐘停止的環(huán)境中,動態(tài)內核處理器不能保持數(shù)據的完整性,因而應盡可能使用靜態(tài)內核處理器。

　　工作模式

　　休眠和“低功耗”模式也是必須考慮的重要問題。通過減慢喚醒時間實現(xiàn)低功耗狀態(tài)(或關閉對喚醒器件非常重要的功能)會增加功耗,而不是降低功耗。

　　大多數(shù)低功耗器件的休眠或空閑模式會關閉處理器和時鐘,通常流耗低于一微安。然后,需要 I/O 中斷把處理器從休眠模式喚醒。使用 32kHz 時鐘驅動定時器或實時時鐘能以更靈活的方式喚醒處理器。基于32kHz 振蕩器的功耗不像“深度睡眠”模式那樣低,但它能以幾微安的電流提供時鐘功能。由于許多便攜式應用需要實時時鐘功能,這種改進可以讓系統(tǒng)選用多種不同的外圍器件。

　　需要注意的一點是,如果處理器必須使用 RESET 信號從停機狀態(tài)喚醒,它必須運行所有硬件初始化程序。事實上,即使處理器SRAM 中的內容沒有改變且仍然能夠尋址中斷,它也將不得不重新初始化處理器外圍器件,這將消耗能量。

　　振蕩器

　　在通過復位喚醒時,由于穩(wěn)定振蕩器晶體所花費的時間不同,內部振蕩器能比外部振蕩器多執(zhí)行將近 1,000 條指令。例如,使用外部振蕩器的100 MIP 機器啟動、穩(wěn)定和處理指令需要的時間為1 毫秒。與此相比,同一臺機器僅需要1 微秒時間就可以使內部振蕩器全速工作。讓外部振蕩器穩(wěn)定的時間里,內部振蕩器可以完成加電,執(zhí)行 1000 條指令,然后恢復斷電狀態(tài)。這一時間通常已足夠找到中斷地址,并恢復斷電狀態(tài)。那么,為什么要考慮使用外部振蕩器呢?外部振蕩器通常在整個工作溫度范圍內更準確。事實上,在低功耗應用中,嵌入式程序裝置經常習慣對照外部振蕩器校準內部振蕩器。這是因為驅動外部振蕩器并使其達到速度所需的電路比內部振蕩器消耗的功率更大。

　　選擇內部振蕩器時應慎重。雖然某些內部振蕩器可以在數(shù)微秒內喚醒處理器,但是,必須在經過數(shù)毫秒,當外部晶體達到穩(wěn)定之后, 才能以更高的速度運行,然后 CPU 時鐘才能切換到更高的頻率。例如,如果一個 100 MIP 的處理器有一個 20kHz 的內部時鐘,該時鐘與外部振蕩器的 1 MHz 時鐘同時啟動,內部振蕩器將仍然能夠執(zhí)行 999 條指令,而更高速度的處理器用同樣的時間只能執(zhí)行 20 條指令。

　　定時器

　　利用好定時器有助于在處理器保持待機狀態(tài)的情況下實現(xiàn)系統(tǒng)處理功能。由于定時器功耗非常小,因此這有助于大大降低功耗。應該使用實時時鐘模塊接受 32kHz 計時器定時器輸入和設置不同時間間隔的“警報”或中斷,在無需處理器干預的情況下,使計時器計數(shù)增加。同樣,應該使用影子寄存器更新和比較來自 ISR 的值。一旦寄存器讀到有效的預編程值,即觸發(fā) ISR,使處理器脫離休眠或待機狀態(tài),而不需要 CPU 尋找 ISR 地址、更新周期或比較值。

　　管理開銷

　　管理開銷系統(tǒng)監(jiān)視程序、監(jiān)管工作有助于防范不安全的狀況,有關器件包括電壓監(jiān)控器和看門狗定時器。由于數(shù)字電路依賴觸發(fā)器或從負到正(或相反亦然)狀態(tài)的轉換,因此,即使工作電壓有稍小的下降,也可能會意外觸發(fā) RESET 條件,從而造成系統(tǒng)無法工作。電力減弱保護作為電壓監(jiān)控的一部分,一般用于確保電壓瞬變不會強制處理器進入和退出RESET 狀態(tài)。

　　只要有可能,在電壓監(jiān)控解決方案中應采用不可屏蔽的中斷 (NMI) 來識別電壓瞬變。這種方法讓用戶能隨心所欲地設定電壓觸發(fā)的門限電平,無需系統(tǒng)復位條件,其功耗一般比模擬-數(shù)字轉換器 (ADC) 通道更低。

　　看門狗定時器監(jiān)視故障情況。雖然在典型的嵌入式應用中,內嵌的系統(tǒng)程序器往往禁用看門狗定時器,但是在低功耗系統(tǒng)中,在電源電壓不穩(wěn)定的情況下,看門狗定時器是一種有用的工具?？撮T狗定時器會執(zhí)行預先設定功能,例如在符合某些條件時,比如電壓過低或有內存問題時,向處理器發(fā)出 RESET 指令。所選擇的處理器應該能夠生成已知的 ISR,使處理器無需執(zhí)行 RESET 而恢復聯(lián)機狀態(tài);因為執(zhí)行 RESET,必須啟動外圍設備,因而會消耗更多的處理器功率。

　　UART 通信

　　將一個數(shù)字時鐘與另一個數(shù)字時鐘精確到秒地同步是不可能的,因為每個時鐘均與其內部晶體同步。在 MCU 驅動的系統(tǒng)中,低功耗模式下使用的 32kHz 實時時鐘晶體與用于生成UART 波特率的普通 38.4kHz 頻率之間會出現(xiàn)類似的同步問題。因為實時時鐘的 32,768 頻率使 15 位寄存器每秒溢出一次,所以非常適合時間保持(TIme-keeping) 應用。比較而言,在UART 中使用相同的頻率,則在典型的 10 位(起始位、8 位數(shù)據和 1 個奇偶校驗位)傳輸中保證至少有一位讀取不正確。這是由于 32,768Hz 時鐘必須除以 3.4,才能得到 9,600 波特率。由于沒有 3.4 這一選擇,因此必須選擇除以 3 或除以 4(參見圖2)。

　　將一個數(shù)字時鐘與另一個數(shù)字時鐘精確到秒地同步是不可能的,因為每個時鐘均與其內部晶體同步。在 MCU 驅動的系統(tǒng)中,低功耗模式下使用的 32kHz 實時時鐘晶體與用于生成UART 波特率的普通 38.4kHz 頻率之間會出現(xiàn)類似的同步問題。因為實時時鐘的 32,768 頻率使 15 位寄存器每秒溢出一次,所以非常適合時間保持(time-keeping) 應用。比較而言,在UART 中使用相同的頻率,則在典型的 10 位(起始位、8 位數(shù)據和 1 個奇偶校驗位)傳輸中保證至少有一位讀取不正確。這是由于 32,768Hz 時鐘必須除以 3.4,才能得到 9,600 波特率。由于沒有 3.4 這一選擇,因此必須選擇除以 3 或除以 4(參見圖2)。

　　圖 2：9600 波特傳輸時 32Khz 驅動 UART Rx 錯誤