伴隨您的一生：長期工作的超低功耗系統(tǒng)之設計

　　通過降低占空度及減小處理器、軟件與模擬接口的功率需求，系統(tǒng)就可達到1mA量級的平均電流消耗。
　　要點
　　超低功耗設備必須能在無需更換電池或給電池充電的條件下工作；
　　低占空度是關鍵，系統(tǒng)應將其99%以上的時間花在“休眠”模式上；
　　系統(tǒng)并非總是局限于一個“低功耗”處理器上；
　　有幾種設計方法可減少傳感器接口功耗。
　　便攜式消費電子設備的需求最近一直在推動電子系統(tǒng)低功耗設計技術的發(fā)展。這些設備一般采用輕便電池作為電源，且為了能裝入口袋或公文包中，對設備的尺寸也提出了相應的限制。盡管這些功率限制要比采用墻式插座電源的系統(tǒng)更為嚴格，但功率仍比較富裕。畢竟，用戶可以每天晚上對其iPod MP3播放機或手機進行充電。
　　那要怎樣用戶才能永遠不需要對其系統(tǒng)的電池進行充電（或更換）呢？這正是那些應用在偏僻場合的系統(tǒng)的設計者所面臨的一個問題（在那里不可能對電池進行充電）。無線傳感器網(wǎng)絡（常常稱為智能傳感器或“灰塵”網(wǎng)絡）就是這樣一種應用，即每一獨立節(jié)點的平均電流消耗約為1mA。
　　此外，其它少數(shù)幾種消費應用也面臨同樣嚴格的功率限制，其中一個例子便是常見的家用自動調溫器（或恒溫器）。如果將恒溫器設計成需用戶來自己更換電池，則不僅會增加用戶使用手冊的復雜性，同時也會增加花在設備堅固性及接入/接出口上的費用，因此家用恒溫器通常都是密封裝置。德州儀器公司 (TI) MSP430產(chǎn)品營銷經(jīng)理Juan Alvarez對恒溫器能量預算的直接計算解釋說：“小型鋰離子電池容量大約為220 mAh，如果你能達到2.5mA的平均系統(tǒng)電流消耗，則電池大約能用10年?！倍?0年后，用戶就該更換恒溫器而不是更換電池了。
　　能以1mA量級平均電流消耗工作的系統(tǒng)的主要特點是占空度低。這種系統(tǒng)有99%以上的時間處于休眠模式中，而只偶爾蘇醒過來輪詢傳感器、處理和發(fā)送傳感器數(shù)據(jù)，然后再重新進入休眠模式。在設計這種低占空度及超低功耗系統(tǒng)時，設計者在以下兩個具有截然不同特點的方面可節(jié)省能量，即數(shù)字通信和處理，以及傳感放大器和接口電路。
　　在無線傳感器網(wǎng)絡中，通信占去了大部分功率預算。開發(fā)商為功率相對有限的系統(tǒng)設計了最流行的無線協(xié)議。例如，像802.11無線協(xié)議，以其待機偵聽模式，就不適合低占空度網(wǎng)絡。無線傳感器網(wǎng)絡設計商Millennial Net公司首席技術官  Sokwoo Rhee認為，該公司雖考慮了Zigbee等其它無線網(wǎng)絡協(xié)議，但發(fā)現(xiàn)這些協(xié)議需要的功率太多，因此Millennial Net公司轉而開發(fā)自己的專用無線傳感器網(wǎng)絡通信協(xié)議。Rhee說，“我們必須減少來回發(fā)送的控制數(shù)據(jù)包的數(shù)量，以跟上網(wǎng)絡拓撲的發(fā)展。無線傳感器網(wǎng)絡需要減少開銷并能真正有效地發(fā)現(xiàn)和再發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡。其實這就是在節(jié)省功率，因為你無需為所有這些（低效網(wǎng)絡）開銷來使用微控制器?！?br/>　　因此值得我們?nèi)?chuàng)建一種新協(xié)議，因為所產(chǎn)生的連鎖反應不僅限于可節(jié)省微控制器的時間與值機功率。據(jù)Rhee稱，該公司試圖使所需的代碼覆蓋范圍最小。而像Zigbee協(xié)議的代碼覆蓋范圍則是Millennial Net公司專用協(xié)議的兩倍以上。該定制協(xié)議適合于小型存儲器空間，因此它能使用更小的微處理器，從而消耗更少的功率，并使公司能實現(xiàn)其節(jié)省功率的目標。Millennial Net公司選擇了Microchip公司的PIC16/8LF控制器芯片以實現(xiàn)其高的功率效率。未來低占空度及超低功耗設計中的處理器可能會利用低閥值設計技術的優(yōu)勢（參見附文：“亞閥值設計保持了低功耗承諾”）。

　　觸發(fā)？
　　令人吃驚的是，有時人們不必要為低功耗設計選擇一種經(jīng)過功率優(yōu)化的系統(tǒng)處理器。另一家無線傳感器網(wǎng)絡制造商AvalonRF公司首席技術官Eli Weinstein也指出，低占空度是滿足超低功耗要求的關鍵。但AvalonRF公司的系統(tǒng)處理器必須擁有足夠強大的功能來捕獲、處理并發(fā)送節(jié)點所拍攝的快照。該裝置的一個應用例子是監(jiān)視水庫或電站等遠端設施的安全。系統(tǒng)必須能以一塊鋰離子電池來保持長達10年的工作時間。如果有傳感器被脫開，則系統(tǒng)會蘇醒，然后捕獲、處理并發(fā)送一張圖像給決策者，由他來確定是什么觸發(fā)了這一事件。