基于FRAM技術(shù)的MSP430微控制器能量采集

對(duì)于很多人來(lái)說(shuō)，第一次接觸能量采集可能是在早期使用太陽(yáng)能便攜式計(jì)算器的時(shí)候，雖然如今這種類型的計(jì)算器已不再是主流，但是它所使用的技術(shù)和理念仍然應(yīng)用于我們的日常生活中。目前，我們?cè)谠S多的應(yīng)用中都能看到能量采集的身影，例如傳感器節(jié)點(diǎn)、風(fēng)力渦輪機(jī)和室內(nèi)供能應(yīng)用等。不過(guò)，即使對(duì)于這項(xiàng)技術(shù)的討論較之前已經(jīng)有了很大的發(fā)展，當(dāng)涉及到能量采集時(shí)，開(kāi)發(fā)人員仍然面臨著與數(shù)十年前一樣的挑戰(zhàn)。

為了在不帶來(lái)負(fù)面影響的情況下產(chǎn)生出所需的能量，通常需要一塊物理尺寸很大的太陽(yáng)能板和一套巨大的熱能采集裝置，或者是通過(guò)設(shè)備發(fā)出不同頻率范圍的振動(dòng)來(lái)獲得能量，而一切都是由所使用的系統(tǒng)決定。因此，在很多情況下，這個(gè)系統(tǒng)的成本甚至?xí)^(guò)取代傳統(tǒng)電源所帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)然，如果由于某些因素必須忽略這些限制的話，也會(huì)有例外的情況。例如，在電力線無(wú)法到達(dá)的偏遠(yuǎn)地區(qū)，風(fēng)能或太陽(yáng)能采集可以為電池供電系統(tǒng)提供一個(gè)可行的替代能源，盡管這種方法的初始成本會(huì)比較高。

下面讓我們來(lái)看一看目前能量采集解決方案所面臨的幾個(gè)重大挑戰(zhàn)。

圖1—經(jīng)簡(jiǎn)化的通用框圖

首先，通過(guò)上方的簡(jiǎn)化通用框圖可以看到，這個(gè)系統(tǒng)由輸入和輸出組成，其中包括傳感器、按鈕、LED、顯示屏、發(fā)聲器以及目前越來(lái)越普遍的無(wú)線連通性。這個(gè)典型物聯(lián)網(wǎng)(IoT)架構(gòu)的邊緣節(jié)點(diǎn)可以通Wi-Fi®、Bluetooth®、NFC / RFID或是其它專有接口進(jìn)行通信。這些無(wú)線連接所需的電能低至數(shù)uA，而最高也只需要幾十或幾百mA，在數(shù)十毫秒的時(shí)間內(nèi)即可為相關(guān)的RF IC和子系統(tǒng)供電。

圖2—常見(jiàn)RF電能使用量圖表

在很多應(yīng)用中，設(shè)計(jì)人員希望將傳感器或其它數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在非易失性存儲(chǔ)器中，因?yàn)榧词乖陔娏χ袛鄷r(shí)，也可以恢復(fù)采集到的數(shù)據(jù)。所以，諸如EEPROM或FLASH等現(xiàn)存的通用存儲(chǔ)器技術(shù)在這些能量受限的情況下并不總是最佳選擇。

幸運(yùn)的是，技術(shù)的發(fā)展方向正讓能量采集系統(tǒng)變得可行。其中一項(xiàng)技術(shù)集成就是TI的鐵電隨機(jī)訪問(wèn)存儲(chǔ)器或FRAM微控制器(MCU)系列。FRAM技術(shù)將SRAM存儲(chǔ)器的很多優(yōu)勢(shì)結(jié)合在一起，而同時(shí)又具有FLASH存儲(chǔ)器的非易失性。一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)就是超低功耗非易失性FRAM的寫(xiě)入，與FLASH不同的是，這些寫(xiě)入無(wú)需預(yù)擦除周期，從而節(jié)省了時(shí)間和電能。另外一個(gè)優(yōu)勢(shì)就是FRAM單元的固有低壓寫(xiě)入，傳統(tǒng)閃存或EEPROM技術(shù)需要一個(gè)集成電荷泵來(lái)完成預(yù)擦除周期，而這通常需要5-10mA的電流，運(yùn)行時(shí)間則需要數(shù)百毫秒，在需要頻繁非易失性寫(xiě)入的應(yīng)用中，這個(gè)額外的能耗會(huì)消耗可觀的電池電量或采集得來(lái)的能量。

購(gòu)買一次性電池的開(kāi)銷雖然不是很高，不過(guò)它們所造成的影響極其深遠(yuǎn)。全球每年新電池的銷售量在數(shù)十億節(jié)，而其中只有一小部分是可回收的，這就產(chǎn)生了大量的填埋垃圾。一次性電池的另外一個(gè)缺點(diǎn)就是，無(wú)論是電池本身或是整個(gè)系統(tǒng)，都需要在某些情況下的某個(gè)時(shí)刻進(jìn)行替換，而這就產(chǎn)生了潛在的挑戰(zhàn)。試想一下，如果電池被安裝在部署于海洋底部或山頂?shù)南到y(tǒng)中，我們應(yīng)該如何替換呢?事實(shí)上，電池更換的開(kāi)銷可能非常巨大。雖然可充電電池能夠減少替換電池的數(shù)量，不過(guò)，就可充電電池本身而言，它們不一定會(huì)能夠解決電池更換所帶來(lái)的所有挑戰(zhàn)。當(dāng)我們使用能量采集對(duì)可充電電池進(jìn)行充電時(shí)，這些電池的確能夠帶來(lái)利益。

目前，太陽(yáng)能、熱能、運(yùn)動(dòng)能(振動(dòng)或其它動(dòng)力學(xué)效應(yīng))和RF等能源已經(jīng)被廣泛接受。其它能源也正處于開(kāi)發(fā)過(guò)程中，例如有可能從人類血液中發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)采集能量，或者是從植物和樹(shù)木內(nèi)部的此類反應(yīng)中采集能量。

在理想情況下，這些能源將是綿延不斷的，不過(guò)實(shí)際情況并非如此。以太陽(yáng)能采集裝置為例，飄動(dòng)的云彩也許會(huì)遮住太陽(yáng)光，而室內(nèi)設(shè)施的燈光也不可能永遠(yuǎn)開(kāi)啟?；谡駝?dòng)的采集裝置通常在一個(gè)共振頻率附近運(yùn)行，從而限制它們的運(yùn)行范圍，而熱能采集裝置會(huì)在無(wú)法保持合適的溫差時(shí)損失效率或完全停止運(yùn)行。歸根結(jié)底，我們不能依賴這個(gè)能源保持連續(xù)的7x24小時(shí)運(yùn)行，所以我們需要冗余結(jié)構(gòu)。在某些情況下，這個(gè)結(jié)構(gòu)有可能是第二采集能源或是一節(jié)可充電電池。即使是太陽(yáng)能計(jì)算器都包含一塊CR2025電池，以便在辦公室光線較暗時(shí)作為太陽(yáng)能的備用能源。

處理電力損耗成為一名能量采集節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)人員的主要考慮因素?，F(xiàn)代微控制器在通電時(shí)通過(guò)啟動(dòng)順序運(yùn)行，這往往需要幾毫秒并且會(huì)消耗寶貴的電能。如果電力中斷，大多數(shù)微控制器需要重啟，并且在每次電力恢復(fù)時(shí)運(yùn)行這個(gè)啟動(dòng)代碼。

FRAM存儲(chǔ)器本身是Compute Through Power Loss(CTPL)這款高度創(chuàng)新型軟件實(shí)用工具的使能器件。我們甚至可以將CTPL看成是一種非易失性中斷處理例程，在這個(gè)例程中，當(dāng)檢測(cè)到電力損耗時(shí)(通常使用一個(gè)比較器或ADC輸入)，關(guān)鍵參數(shù)和微控制器狀態(tài)就被保存至非易失性存儲(chǔ)器(NVM)。在出現(xiàn)電力中斷的情況下，F(xiàn)RAM所具有的優(yōu)勢(shì)將顯露無(wú)疑，因?yàn)樵O(shè)計(jì)人員可以直接從中斷的位置繼續(xù)工作而不是從頭開(kāi)始。

憑借128KB FRAM MSP430? 微控制器的低成本MSP430FR6989 MCU Launchpad? 開(kāi)發(fā)套件能夠進(jìn)行簡(jiǎn)單演示。

通過(guò)將FRAM技術(shù)、Compute Through Power Loss代碼和Energy Harvesting BoosterPack? 插入式模塊組合在一起，我們?yōu)楹芏嗄芰坎杉瘋鞲衅鞴?jié)點(diǎn)打下了良好基礎(chǔ)。bq25570所提供的電源備妥信號(hào)可以作為Compute Through Power Loss激活的觸發(fā)信號(hào)，從而在電力中斷后節(jié)省了時(shí)間和寶貴的電能。