如何為低功耗應(yīng)用選擇正確的μC外圍器件

隨著消費市場的不斷發(fā)展,終端應(yīng)用產(chǎn)品的體積不斷縮小,Power（功率）越小越好。便攜性和低功耗成為最優(yōu)先考慮的事情,并促成處理器內(nèi)核電壓降至1.8v的行業(yè)動向,也就不足為奇了。盡管與3.3v和5v型號相比,這些低功耗器件消耗的能量確實要低得多,但是低功耗處理器并非都一樣。設(shè)計出色的低功耗應(yīng)用需要同時考慮終端應(yīng)用的需求和各種可用的μC特性。

設(shè)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(shè)計標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)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(guān)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(nèi)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(wù),并立即返回到功耗最低的休眠狀態(tài)。總之,在選擇處理器速度時,要考慮能夠迅速處理預(yù)期工作量并盡可能長時間地處于休眠狀態(tài)。

其次應(yīng)考慮大多數(shù)便攜式應(yīng)用的中斷服務(wù)例程(ISR)。ISR會定期喚醒處理器執(zhí)行預(yù)排程序的或用戶啟動的任務(wù),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(biāo)志,這些標(biāo)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(dāng)中斷源所需的必要周期－尤其是在鍵盤掃描應(yīng)用中。如果ISR編寫得好,通過限制喚醒CPU、執(zhí)行任務(wù)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(shù)邏輯單元(ALU)標(biāo)志和功率模式的恢復(fù)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(nèi)核處理器不能保持?jǐn)?shù)據(jù)的完整性,因而應(yīng)盡可能使用靜態(tài)內(nèi)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(guān)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(guān)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(qū)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(yīng)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(nèi)容沒有改變且仍然能夠?qū)ぶ分袛?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(fù)位喚醒時,由于穩(wěn)定振蕩器晶體所花費的時間不同,內(nèi)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100MIP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(nèi)部振蕩器全速工作。讓外部振蕩器穩(wěn)定的時間里,內(nèi)部振蕩器可以完成加電,執(zhí)行1000條指令,然后恢復(fù)斷電狀態(tài)。這一時間通常已足夠找到中斷地址,并恢復(fù)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(nèi)更準(zhǔn)確。事實上,在低功耗應(yīng)用中,嵌入式程序裝置經(jīng)常習(xí)慣對照外部振蕩器校準(zhǔn)內(nèi)部振蕩器。這是因為驅(qū)動外部振蕩器并使其達到速度所需的電路比內(nèi)部振蕩器消耗的功率更大。

選擇內(nèi)部振蕩器時應(yīng)慎重。雖然某些內(nèi)部振蕩器可以在數(shù)微秒內(nèi)喚醒處理器,但是,必須在經(jīng)過數(shù)毫秒,當(dāng)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100MIP的處理器有一個20kHz的內(nèi)部時鐘,該時鐘與外部振蕩器的1MHz時鐘同時啟動,內(nèi)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(yīng)該使用實時時鐘模塊接受32kHz計時器定時器輸入和設(shè)置不同時間間隔的“警報”或中斷,在無需處理器干預(yù)的情況下,使計時器計數(shù)增加。同樣,應(yīng)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(yù)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(guān)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(zhuǎn)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(yīng)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(shè)定電壓觸發(fā)的門限電平,無需系統(tǒng)復(fù)位條件,其功耗一般比模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)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(yīng)用中,內(nèi)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。看門狗定時器會執(zhí)行預(yù)先設(shè)定功能,例如在符合某些條件時,比如電壓過低或有內(nèi)存問題時,向處理器發(fā)出RESET指令。所選擇的處理器應(yīng)該能夠生成已知的ISR,使處理器無需執(zhí)行RESET而恢復(fù)聯(lián)機狀態(tài);因為執(zhí)行RESET,必須啟動外圍設(shè)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(nèi)部晶體同步。在MCU驅(qū)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(yīng)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(jù)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(nèi)部晶體同步。在MCU驅(qū)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(yīng)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(jù)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(qū)動UARTRx錯誤

UART數(shù)據(jù)用10,922波特或8,192波特的UART接收。由于UART在傳輸中間點對數(shù)據(jù)進行采樣以補償抖動,因此該點已經(jīng)被選擇為接收UART的采樣點。在沒有行抖動的理想情況下,10,922波特UART對第三數(shù)據(jù)位的開始兩次讀數(shù)都會是錯誤的而8,192波特的UART由于會完全遺漏第三位,很快就將出錯。由于低功耗應(yīng)用的理想時鐘是低功耗實時時鐘模式,這使得在低功耗環(huán)境中處理很困難。解決這一問題的最好辦法就是將μC與調(diào)制技術(shù)結(jié)合使用,用32kHz振蕩器提供非常精確的2,400波特,并完全能支持9,600波特（參見圖3）。


圖3：在9600波特傳輸時采用時鐘調(diào)制的32Khz驅(qū)動UART

通過混合兩個時鐘除數(shù)解決錯誤,總體積累的錯誤消失,數(shù)據(jù)接收正確。這種方法對于9,600波特或以下的UART通信很有效。對于高速通信,幾個μC監(jiān)視UARTRx行的邊緣躍遷并觸發(fā)ISR啟動內(nèi)部高速振蕩器,驅(qū)動CPU并處理中斷。這使μCUART能夠接收高速數(shù)據(jù),而不必在UART空閑期間保持一個啟動的高速時鐘。如果使用外部振蕩器或內(nèi)部振蕩器頻率太低,則由于啟動高速振蕩器需要一定的時間,第一次傳輸將失效。為克服這一限制和效率損失,設(shè)計人員應(yīng)該考慮使用能夠喚醒并及時從32kHz或停機模式激活的處理器,從正在傳輸?shù)腢ART恢復(fù)首次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。例如,系統(tǒng)時鐘需要在25μs內(nèi)啟動,才能拾取起始位的中間點,從而正確接收19,200位的傳輸。

許多低功耗應(yīng)用通過UART將μC連接到RS-485傳感器網(wǎng)絡(luò)。支持尋址和多處理器（9位）模式的UART非常適合于這種網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)?shù)?位為1（代表是一個地址）時,這些UART會生成一個ISR,讓處理器能夠在其它傳感器通過系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)時保持休眠狀態(tài)。某些μC會更進一步,在UART中加入地址匹配,僅在第9位是1且地址與在剩余8位中收到的數(shù)據(jù)匹配時才喚醒系統(tǒng)。

模擬器件

模擬器件模擬器件是最早的操作器件。模擬器件已經(jīng)發(fā)展數(shù)十年,它是穩(wěn)定電源、為高速晶體電路提供過濾和穩(wěn)定性的必要器件,對監(jiān)控來自自然界的輸入信號也必不可少。

模擬器件模擬器件是最早的操作器件。模擬器件已經(jīng)發(fā)展數(shù)十年,它是穩(wěn)定電源、為高速晶體電路提供過濾和穩(wěn)定性的必要器件,對監(jiān)控來自自然界的輸入信號也必不可少。

在待機模式下,模擬器件實際上不消耗功率。模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)斷電快,在待機模式下,甚至可以被視為一種低功耗應(yīng)用。

一旦加電,缺點即暴露無遺。一般來說,模擬器件在工作時需要的電流很大。例如,ADC工作時需要的電流達數(shù)百微安。另外,模擬器件（例如內(nèi)部基準(zhǔn)時鐘）會使啟動時間增加幾毫秒,因為穩(wěn)定模擬器件需要相對較大的外部電容。另一種經(jīng)常被集成的器件－集成溫度傳感器－通常是隨溫度改變的二極管電路,也需要相當(dāng)大的電流。

在低功耗應(yīng)用中有幾個需要考慮的標(biāo)準(zhǔn)。如果ADC有內(nèi)部振蕩器,就沒有必要對其它系統(tǒng)振蕩器加電來進行轉(zhuǎn)換。在這種情況下,處理器保持?jǐn)嚯姞顟B(tài),只有轉(zhuǎn)換完成時起,才需要開始工作。像CPU一樣,我們可以通過縮短執(zhí)行時間來降低功耗。ADC轉(zhuǎn)換的速度越快,器件進入待機模式的速度越快。對于內(nèi)部基準(zhǔn)時鐘也是這樣。基準(zhǔn)時鐘啟動和穩(wěn)定得越快,轉(zhuǎn)換完成和模擬系統(tǒng)斷電的速度也越快。如果只是偶爾使用ADC,某些處理器允許采樣時鐘斷電,讓跟蹤電路保持加電。這樣ADC就能夠進入較淺的休眠模式。這種功能的負面影響是,在進行轉(zhuǎn)換前,需要花較長時間來讓采樣和保持電路達到穩(wěn)定。

轉(zhuǎn)換完成之后,有幾個μC集成了直接內(nèi)存訪問(DMA)或先入先出(FIFO)緩沖存儲器,能夠?qū)⒍鄠€轉(zhuǎn)換存儲在RAM中,而無需喚醒處理器。在一定數(shù)量的轉(zhuǎn)換到達之前,處理器會保持待機狀態(tài),而不是在每個轉(zhuǎn)換后喚醒處理器來將數(shù)據(jù)移入RAM,這樣就可以降低功耗。

許多低功耗μC內(nèi)置內(nèi)部模擬比較器,可以執(zhí)行簡單的模擬任務(wù)。有些制造商的比較器允許編程,可以通過延長響應(yīng)時間降低功耗。

起始點

總之,μC外圍設(shè)備的選擇是由終端應(yīng)用最終決定的,因此我們應(yīng)從全面評估系統(tǒng)功能及其功率要求著手。許多處理器制造商宣稱其器件具備低功耗工作能力,但是不同的應(yīng)用對“低功耗”一詞有不同的定義。是需要大量集成的速度更高的處理器,還是需要具有極深度睡眠模式的速度更低的處理器,更多地取決于內(nèi)嵌系統(tǒng)的要求,而不是內(nèi)嵌處理器所謂的“低功耗”工作能力。