監(jiān)控外部輸入時降低 MCU 能耗

現如今幾乎沒有應用程序能夠避免降低能耗的需求。對于便攜式和電池供電設備的設計人員來說，這是一個影響其產品性能和可用性的限制因素。在國內，EnergyStar 等計劃讓消費者更加意識到這個問題，不僅是在使用設備時，而且在設備處于待機模式時。能源越來越被認為是一種珍貴而有限的商品。

現如今幾乎沒有應用程序能夠避免降低能耗的需求。對于便攜式和電池供電設備的設計人員來說，這是一個影響其產品性能和可用性的限制因素。在國內，EnergyStar 等計劃讓消費者更加意識到這個問題，不僅是在使用設備時，而且在設備處于待機模式時。能源越來越被認為是一種珍貴而有限的商品。

任何系統總能耗的主要貢獻者之一是位于其的微控制器 (MCU) 的性能。因此，設計人員致力于限度地降低 MCU 功耗，重點關注三個關鍵領域……

個是有功能耗——MCU 可以為給定的能量輸入做的有用處理工作量——這顯然很重要。MCU 每 MHz 的電流消耗提供了一個現成的衡量指標，32 位 Cortex M3 處理器的基準數據是 Energy Micro 的 EFM32 Tiny Gecko MCU 達到的 150μA/ MHz。

處理器還需要一系列需要盡可能少電流的睡眠和深度睡眠模式。再次以 Gecko 系列處理器為例，停止模式可達到的數字約為 20nA。

然而，在實踐中，功耗的第三個方面可能是重要的。如果處理器無法在睡眠時監(jiān)視外部事件以了解何時喚醒，則睡眠模式幾乎沒有用處。因此，在實踐中，大多數 MCU 大部分時間都處于中間“等待輸入”模式。

這種狀態(tài)的例子很多。智能手機只需要在有來電或消息時喚醒，或者當用戶通過 HMI（人機界面）傳感器執(zhí)行適當的操作時。智能水表的“正常”狀態(tài)是等待水開始流動。

在所有這些情況下，通常的解決方案是讓 MCU 定期喚醒以“檢查”其感知輸入并執(zhí)行一些計算以查明是否需要采取任何行動。這帶來了許多挑戰(zhàn)。傳感器測量通常需要系統生成特殊的激勵和采樣模式——例如，電容式傳感器需要用正弦波輸入來激勵。

充其量，在功耗和系統的響應能力之間存在權衡：手機“輪詢”其觸摸屏界面的次數太少——也許每隔幾秒鐘——可能會顯得遲鈍，因此難以使用。

醒來的過程本身就證明是代價高昂的：從睡眠模式過渡到活動模式不會產生任何有用的效果。設計人員可能會發(fā)現，讓 MCU 處于更高的清醒狀態(tài)比消耗能量來管理這些轉換更有效。

一種更好、更節(jié)能的方法是選擇具有更自主的外圍設備和傳感器輸入系統的 MCU：這樣就不必為每次測量喚醒 CPU。

Energy MicroEFM32 Gecko 系列 MCU 提供了這樣一個系統，它結合了低能耗傳感器接口 (LESENSE) 和允許 I/O 組件在沒有 CPU 干預的情況下進行交互的外設反射系統 (PRS)。因此，EFM32 系列 MCU 可以在功耗低于 1.2μA 的睡眠模式下實現電容式觸摸喚醒、金屬物體感應或電阻式傳感器監(jiān)控等功能。

圖 1.EFM32 外設反射系統配置為啟動 ADC 單次轉換以響應 TIMER0 溢出，并提供模擬比較器輸出作為 TIMER1 上比較/捕獲通道的輸入。

PRS（圖 1）允許將來自片上“生產者”外圍設備的信號路由到其他“消費者”外圍設備，這些外圍設備然后可以根據這些輸入執(zhí)行操作?！吧a者”信號包括模擬比較器和 GPIO 電平輸出、來自 ADC 和 DAC 的“轉換完成”信號、來自計數器/定時器的上溢/下溢信號以及來自 UART 或 USART 的“TX/RX 完成”狀態(tài)消息。Reflex“消費者”包括 DAC/ADC 觸發(fā)器、定時器輸入和 UART/USART 使能輸入。

PRS 有八個通道，每個通道都有一個邊緣檢測器，可用于從電平信號生成邏輯脈沖。每通道兩個寄存器（PRS_SWPULSE 和 PRS_SWLEVEL）允許將每個輸出驅動到軟件確定的電平或邏輯“1”。

器件的 LESENSE 接口建立在這種自主外設原理之上，允許 MCU 在亞 μA 睡眠模式下監(jiān)控多達 16 個外部無源（電阻、電容或電感）傳感器。它結合了模擬比較器和 DAC，在從 32kHz 時鐘源運行的定序器模塊的控制下。比較器輸出可以計數、比較或作為中斷直接傳遞。為了進行測量，DAC 可用作比較器參考。

定序器控制哪些引腳連接到比較器、比較器處于活動狀態(tài)多長時間以及何時應傳遞輸出以進行計數或比較。使用 DAC 電壓或 GPIO 引腳的激勵也可以在比較器處于活動狀態(tài)之前或期間執(zhí)行。測量后，計數器或比較器的輸出被緩沖和存儲以供以后處理。

掃描完成后，結果可以傳遞到具有可配置“下一個”狀態(tài)和觸發(fā)條件的低功耗解碼器。這使得捕獲大量傳感器讀數和組合成為可能，并且僅通過隨時間匹配模式來喚醒 CPU（圖 2）。例如，當溫度和濕度傳感器都達到其閾值時，或者當壓力傳感器連續(xù)觸發(fā) 10 次時，可以觸發(fā)喚醒。

圖 2：模擬事件的條件喚醒。

傳感器結果也可以通過 PRS 傳遞，以構建更復雜的系統。這使得邏輯上組合多個 GPIO 引腳以觸發(fā)喚醒或使用解碼器解碼串行傳輸的數據成為可能。

例如，水表中旋轉葉片的運動可以用LESENSE測量，并通過PRS與LESENSE連接的正交計數器計算旋轉。例如，旋轉 10 次后，可以喚醒 CPU 以更新顯示和使用統計信息。對于傳統的 MCU，比較器的所有排序和控制都需要 CPU，而通過 LESENSE 和 PRS 處理這些可以讓芯片保持深度睡眠模式。

電容式感應示例 

電容式感應非常常用于 HMI 應用，例如控制面板和遙控器。原理是將電容傳感器包含在 RC 振蕩器電路中。當手指觸摸傳感器時，電容會發(fā)生變化，進而改變振蕩器電路的基頻。

這種安排可以通過將 LESENSE 檢測引腳直接連接到外圍設備來實現。來自比較器輸出的振蕩信號被傳遞到外設，每個上升沿用于遞增計數器。設定時間后，LESENSE 將計數器值捕獲到結果緩沖區(qū)并清除計數器。然后將緩沖的結果與閾值水平進行比較：由于手指觸摸會導致較低的振蕩頻率和較小的計數值，因此只有當計數器值低于閾值時，LESENSE 才會喚醒 CPU。

圖 3：電容式傳感器。

以這種方式實現的電容感應功能消耗的電流受多個因素的影響，包括電容覆蓋層的厚度和采樣頻率。

經驗結果表明，對于采樣頻率為 5Hz 的 5mm 亞克力覆蓋層，每個觸摸板的額外消耗約為 500nA。這導致以 5Hz 采樣的四按鈕觸摸應用的總功耗約為 3μA。沒有采樣的靜態(tài)功耗小于 1μA。為了改善用戶體驗，次觸摸事件后采樣速度可以提高到 10Hz，從而產生 5μA 總功耗。

旋轉計數 

正如我們已經觀察到的，旋轉計數是另一種應用，其中 LESENSE 和 PRS 的組合可以顯著降低能耗。這有相當不同的應用，通常在控制和反饋系統中。

一個典型的系統（圖 4）是使用帶有兩個線圈的感應傳感實現的，靠近一個旋轉的輪子放置，其中一半被金屬覆蓋。LESENSE 以足夠快的速度對每個線圈進行采樣，以捕獲車輪經過的金屬部分。每次采樣的輸出通過 PRS 系統饋送到正交計數器。如果計數器在同一方向上達到定義的旋轉次數（圖 4 中的三個），它會發(fā)出可用于喚醒 CPU 的中斷。

圖 4：計數旋轉。

總結 

讓 MCU 感知外部世界同時讓 CPU 處于睡眠模式的技術是降低能耗的重要工具。Energy Micro LESENSE 接口使 EFM32 微控制器能夠在執(zhí)行此操作的同時監(jiān)控許多不同類型的模擬傳感器。從低頻時鐘源運行，LESENSE 可以在亞 μA 睡眠模式下監(jiān)控多達 16 個傳感器。典型的平均電流消耗約為 1.2μA。

應用包括任何類型的電容式、電感式或電阻式傳感、旋轉計數、GPIO 狀態(tài)解碼或類似應用。LESENSE 還具有完全可配置的解碼器，可以評估傳感器狀態(tài)并在出現特殊的傳感器輸出組合或檢測到隨時間變化的模式時喚醒 CPU。因此，節(jié)能傳感器的實現是無窮無盡的，而可能性僅受設計師想象力的限制。