單片機控制的電池管理實現(xiàn)了成功的互聯(lián)網(wǎng)

作者：時間：2016-12-19 來源：網(wǎng)絡

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　　微控制器將在觀光噪比(IoT)取向設計大多數(shù)因特網(wǎng)主控制元件和這些MCU將有可能被電池供電。電源效率將是實現(xiàn)可接受的電池壽命至關重要因此MCU將需要管理的電池使用更精確地比以往任何時候。許多MCU具有特殊的功能，幫助管理電池電量和使用這些功能優(yōu)化可能使輸贏在市場之間的差異。

本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/201612/341765.htm

　　本文將很快回顧一些實現(xiàn)高效電池的MCU產(chǎn)品設計，并說明所需的關鍵功能，例如使用的設備，這些功能如何提高工作效率和電池壽命。軟件工具，幫助估計電池壽命將用于展示如何在您詳細的設計實施估計壽命。這極大地有助于設備選擇并且是一個關鍵的技術用于創(chuàng)建電源效率的設計。

　　管理電源域

　　電池的MCU實現(xiàn)時想我們最初可能，前提是有一個單一的MCU電源域，流失的電池，我們的目標是管理這個電源域打造最節(jié)能的微控制器實現(xiàn)成為可能。很快我們就會發(fā)現(xiàn)這種假設通常是假的，但是，即使是簡單的MCU通常具有片上多電源域。事實證明，有多個電源域可以是一個很大的優(yōu)勢，當電源效率是最重要的，以我們的設計。具有多個域可以讓我們更有效地管理和控制電源到MCU的是基于我們需要執(zhí)行為特定實現(xiàn)的功能所需的部分。讓我們來看一個具體的MCU，看多電源域怎么可能是有利的一個典型的電池供電的設計。

　　所述STM32F0x1系列MCU(例如，STM32F051K8U6)是STM32 MCU系列入門級裝置，并且因此是可在基于電池的應用中經(jīng)常使用的裝置的一個很好的例子。下面的圖1顯示了為STM32F0x1 / X2設備的各種電源域。的VDDA域權力模擬導向塊中的裝置，并包括用于在A / D轉換器，D / A轉換器，溫度傳感器，復位發(fā)生器和時鐘的PLL功能。該VDDIO2電源域可在STM32F04x / 7X / 9x的設備，并提供了一個獨立的I / O電源軌時，不同的I / O標準需要得到支持(該電源電壓范圍為1.65?3.6 V，以支付各種I / O標準)。主VDD功率域提供功率，以大量的裝置。這包括在非STM32F04x / 7X / 9X設備的I / O環(huán)，待機電路和喚醒邏輯通?？偸窃?，它也通過權力1.8 V數(shù)字核心(處理器，內(nèi)存和數(shù)字外設)一個片上穩(wěn)壓器。

　　意法半導體STM32F0x1 / X2電源圖片

　　圖1：STM32F0x1 / X2電源顯示電池備份域。 (意法半導體提供)

　　最終的電源域，從外部VBAT引腳源，提供電源備份域。備份功能包括一個低能量的32 kHz晶振時鐘振蕩器，備份寄存器保持其值，即使電源中斷，給設備的其他部分(方便保存重要的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)復位和電源之間波動)，而真正的-time時鐘(RTC)的塊。一個低電壓檢測器可以自動切換到在VBAT輸入時在VDD信號低于設定的閾值，以簡化電池備份實現(xiàn)。

　　這些獨立電源域可以很容易地控制和管理傳送到MCU根據(jù)由應用程序所需的動作時的功率。例如，如果設備正在等待的RTC信號它的時刻開始的模擬 - 數(shù)字，大部分裝置可以掉電只用電池備份域操作。該RTC超時可以切換的I / O信號，提醒外部電源管理器件，然后可以打開額外的電源域。這可以是一個非常功率高效的技術，但需要一個外部功率和電池管理裝置。

　　在一些應用中STM32F0x1 / X2器件將通過將裝置的各個部分進入低功率模式，管理的時鐘頻率和測量電壓源管理電池和電源，以在其自己的密鑰塊，以檢測何時低電壓電平可能會影響操作。在這些應用程序的多個片上電壓域和低功耗工作模式都是關鍵要求。現(xiàn)在讓我們看看在低功耗模式，更詳細地了解他們與多個芯片的電源域是如何工作的進一步提高電池的實現(xiàn)方案的電源效率。

　　為了幫助工程師設計開發(fā)意法半導體提供的STM32F0系列的產(chǎn)品培訓模塊概述。

　　低功耗MCU運行模式延長電源效率

　　幾乎所有的MCU現(xiàn)在提供各種各樣的減少通過限制工作頻率和/或重點區(qū)塊的可操作性操作電源的低功耗工作模式。這些模式有各種各樣的名字，但它們的功能往往是非常相似的。飛思卡爾MCU MCF51QE系列的低功耗工作模式，你應該尋找時，電源效率是您的應用程序的關鍵類型的一個很好的例子。甲狀態(tài)轉移圖和簡單的功率調(diào)節(jié)表示于圖2來說明這些模式如何可以用來提高功率效率。該運行模式不限制經(jīng)營和監(jiān)管工作在全開狀態(tài)。在其它模式中的各種塊進行操作使用較低的功率通過關閉電源鍵元件或通過降低工作頻率。例如，在等待模式中的CPU關閉以節(jié)省電力，但外設在它們的全時鐘速率操作。這節(jié)省了功率時不需要CPU的運行，但定時器或通信外圍設備必須繼續(xù)工作。通常，這些外設可以通過中斷剛睡醒的CPU當CPU是必需的。到關閉CPU的能力可以節(jié)省一個顯著量運行功率的由于CPU，操作時，采用多數(shù)所述MCU功率預算。每個低功率模式的更詳細的說明在下面的部分中提供。

　　飛思卡爾MCF51QE128低功耗模式的圖像

　　圖2：飛思卡爾MCF51QE128低功耗模式。 (飛思卡爾提供)

　　運行模式 - CPU時鐘可以全速運行，內(nèi)部供應是充分的監(jiān)管。

　　LPrun模式 - CPU和外設時鐘被限制為250 kHz的CPU時鐘和125 kHz的總線時鐘最大的內(nèi)部供應處于軟監(jiān)管。

　　等待模式 - CPU關閉以節(jié)省電能;外設時鐘正常運行，內(nèi)部穩(wěn)壓器正常工作。

　　LPwait模式 - CPU關閉以節(jié)省電能;外設時鐘是在低速(125 kHz的最大值)和內(nèi)部穩(wěn)壓器在寬松的監(jiān)管模式下運行運行。

　　停止模式 - 系統(tǒng)(CPU和外設)時鐘停止。

　　STOP4 - 所有的內(nèi)部電路供電(全調(diào)節(jié)模式)和內(nèi)部時鐘源仍處于最高頻率最快的恢復。

　　停止3 - 所有的內(nèi)部電路松散的監(jiān)管和時鐘源的最低值(125 kHz的最大值)，提供用電和恢復速度之間的良好平衡。

　　停止2 - 內(nèi)部電路的部分電源關閉; RAM內(nèi)容被保留。在低功耗模式，此設備。需要復位從停止2模式恢復。

　　在運行，等待和停止模式普遍存在于現(xiàn)代MCU和非常功耗節(jié)能設計提供了依據(jù)。尤其是，應用程序，只定期使用主CPU - 也許只進行平均大量傳感器讀數(shù)或管理接收到的數(shù)據(jù)緩沖器，當緩沖器接近充滿 - 可以通過關閉CPU和讓智能節(jié)省功率的戲劇性量外圍設備處理盡可能多的算法成為可能。等待和停止之間的區(qū)別通常體現(xiàn)在響應時間，因為它通常需要更長的時間來塊從低功耗狀態(tài)通電(即減少一個典型的停止模式下，靜態(tài)電流)，而不是刪除一個時鐘門控信號一個塊(即只減少動態(tài)電流在典型等待模式)。

　　可以在MCF51QE128的LPrun和LPwait模式提供了另一種技術，通過運行在CPU和/或外圍設備，以降低功耗低得多的頻率比正常。當操作不容易被周期性地執(zhí)行，而且必須連續(xù)運行，而不必在高速運行時非常有用。例如，通信數(shù)據(jù)包可能以高速在正常運行模式中接收，但LPrun可以用來處理數(shù)據(jù)。這是特別有用的，如果處理時間是依賴于數(shù)據(jù)的，并且不能經(jīng)由周期性定時器中斷很容易地進行管理。一旦數(shù)據(jù)被處理時，LPwait狀態(tài)可以進入等待，直到下一數(shù)據(jù)分組需要被接收。

　　結合使用不同的電源域和低功耗模式允許多種有效實現(xiàn)。尋找各種時鐘頻率，低功耗模式和狀態(tài)轉換的最佳組合可以是一個艱巨的運動，通常需要事先對具體實施工作要做，或者你可能會發(fā)現(xiàn)使用已選定的設備并影響項目進度不能滿足你的操作要求顯著。理想情況下，你會希望能夠模擬各種運行功率水平，估計電池壽命為目標的應用程序。幸運的是(或者也許是因為他們明白這一點的難度)的MCU廠商都創(chuàng)造了一些評估工具，我們可以用它來解決這個難題。

　　軟件工具幫助評估電力需求和電池壽命

　　其中一個使用的工具越容易從Microchip XLP電池壽命估算(BLE)1。這個免費下載的工具，與任何XLP單片機工程估算功耗在整個應用程序。它也可以被用于獲取的功耗為您的XLP MCU設計內(nèi)鍵例程詳細估計。下面的圖3顯示了BLE的圖形用戶界面(GUI)。您只需選擇您的設備，你的電壓和溫度，然后你的目標電池(步驟1至3的GUI)。然后，您可以指定關鍵業(yè)務應用程序，定義工作頻率，該函數(shù)使用模式下，時間的功能被激活和各種模塊(如ADC，UART，定時器等)功能時有效。 (在下面的例子中有一個在運行模式在16兆赫，兩種休眠模式功能并在1 MHz的運行模式功能的功能)的軟件自動確定在每個功能所使用的電流，然后報告所估計的電池壽命該設計。在這個例子中，電池的壽命估計在不到200天。一個完整的文本文件，報告可以生成保存程序設置和結果。一個例子示于圖3的底部。

　　將Microchip XLP電池壽命估算程序映像

　　圖3：Microchip的XLP電池壽命估算程序 - GUI和報告。 (Microchip的提供)

　　使用的電池壽命估算程序可以很容易地找出關鍵程序和您的應用程序使用最多的功率。這使您可以調(diào)整設計，同時嘗試不同的設備，以找到合適的實現(xiàn)。這樣做之前，詳細的編碼和電路板設計可以節(jié)省你浪費顯著努力探索的選項，將無法實現(xiàn)，你需要一個成功的設計的電源效率。

　　一旦你有信心，你的選擇，你可以再取使用評估套件，如Microchip的PIC24F評估和演示工具包的下一個步驟。通常，這些套件包括了豐富的示例代碼，參考設計和豐富的文檔，可以很容易編寫你的關鍵程序和測量實際的功率水平，你會在全面實施得到。

　　新的低功耗技術的高效電池的實現(xiàn)方案

　　MCU廠商也在推動技術信封不斷創(chuàng)造從頭開始新的低功耗功能。德州儀器創(chuàng)造低功耗面向MCU的使用新的非易失性存儲器的鐵電RAM或FRAM，它結合了速度，靈活性一個家庭，和SRAM的耐力與閃光燈的穩(wěn)定性和可靠性，都在較低的總功率消耗。 FRAM存儲器具有超低功耗和快速(每字125納秒)寫道。 FRAM可以用作程序，數(shù)據(jù)，或存儲到簡化應用開發(fā)。 FRAM的超低功耗，非易失性使其成為電池供電的MCU應用需要，如數(shù)據(jù)匯總和傳感器預處理顯著存儲訪問和計算能力的絕佳選擇。

　　該MSP430FR微控制器系列還具有關鍵的低功耗模式，智能外設，以及先進的處理能力。圖4中的框圖顯示所有關鍵MCU功能的MSP430FR5731 / 5/9的設備可用。還檢查了TI產(chǎn)品培訓模塊，涵蓋了TI MSP430FR MCU系列的特性，并展示了如何在FRAM技術為各種應用顯著的低功耗優(yōu)勢。

　　德州儀器MSP430FR5731 / 5/9框圖圖片