威海職業(yè)學(xué)院 孔憲青

引言

產(chǎn)品設(shè)計(jì)的重要一環(huán)就是單片機(jī)的低功耗模式，是可穿戴設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備、手持設(shè)備等電池供電的產(chǎn)品中的重要性能指標(biāo)?，F(xiàn)階段，很多廠商提供了多樣的MCU低功耗處理方法。本文以低功耗為切入，闡述對(duì)MCU的選擇。

1 低功耗模式

低功耗模式是指設(shè)備正常工作的前提下，通過(guò)關(guān)閉外設(shè)和內(nèi)核部分，使MCU在總體電量不變的條件下能更長(zhǎng)時(shí)間的工作。1996年出現(xiàn)的16位MSP430系列通過(guò)關(guān)閉CPU、倍頻環(huán)、數(shù)字時(shí)鐘發(fā)生器、振蕩器而組合出五種低功耗模式，LPM4模式下供電電流可以低到0.1uA。但隨著產(chǎn)品性能的日益要求，32位MCU出現(xiàn)并進(jìn)入低功耗領(lǐng)域，出現(xiàn)了ARM架構(gòu)的Cortex-M0的低功耗內(nèi)核。圖1是MSP30G2553和STM32F011的部分時(shí)鐘樹(shù)的對(duì)比。

圖1 MSP430G2553和STM32L011的部分時(shí)鐘樹(shù)

可以看出，后者對(duì)外設(shè)的頻率控制更精細(xì)，既能獲得32位性能又能獲得更好的功耗控制。其Cortex-M0+系列的外部高速時(shí)鐘晶振預(yù)分頻為AHB，然后再分解為APBx，對(duì)于外設(shè)的控制比MSP430系列有更多選擇。時(shí)鐘是啟動(dòng)外設(shè)和給電的源頭，因此通過(guò)APBx有更多不同分頻以供不同外設(shè)而達(dá)到最優(yōu)的功耗。而MSP430G2553只有MCLK分解的SMCLK和ACLK可用，也就是達(dá)不到精準(zhǔn)控制外設(shè)時(shí)鐘的目的，也不能精準(zhǔn)控制外設(shè)功耗?？傊?，低功耗模式就是精準(zhǔn)的控制時(shí)鐘及其分頻，以達(dá)到降低外設(shè)功耗的目的。

2 MCU的選擇

現(xiàn)階段，低功耗 MCU百花齊放。TI、ST、NXP、Atmel等公司都提供了大量的可供選擇的芯片。從低功耗方面，通過(guò)幾種類型的芯片進(jìn)行對(duì)比，部分參數(shù)見(jiàn)表1。

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，ARM架構(gòu)三內(nèi)核性能的排序?yàn)镃M3＞CM0+＞CM0，運(yùn)行功耗的排序?yàn)镃M3＞CM0＞CM0+，即CM0+內(nèi)核的能效高于CM0，運(yùn)算性能僅次于CM3，但CM0+比CM3價(jià)格低，中斷響應(yīng)卻更快，故CM0+更適合應(yīng)用于低成本低功耗的產(chǎn)品。那些對(duì)功耗要求苛刻、運(yùn)算處理復(fù)雜、且需控制成本的設(shè)備選擇Cortex-M0+內(nèi)核的MCU最為合適。這樣的主流芯片有ST公司的L0系列，NXP公司的LPC800系列，Atmel公司的SAML2系列等。其中STM32L0系列有三條主要的產(chǎn)品線，差異在于不同的外設(shè)模塊，如USB控制器、LCD控制器和DAC。恰當(dāng)?shù)剡x用有助于減少外部芯片的數(shù)量，降低系統(tǒng)成本和功耗。因此，片上集成資源的數(shù)量、種類、性能和功耗，也是決定MCU選型的重要參考因素。

3 低功耗設(shè)計(jì)的其他注意及總結(jié)

除了選擇合適的低功耗MCU之外，還要考慮影響功耗的其他方面：（1）盡量選擇32位高線寬MCU，高密度指令可能是低位寬的幾條指令之和，可有效降低指令能耗；（2）隨時(shí)關(guān)頻及時(shí)掐死外設(shè)，這是低功耗實(shí)現(xiàn)主要方式；（3）時(shí)鐘不要倍頻，盡管高頻運(yùn)行可降低任務(wù)執(zhí)行時(shí)間，但頻率越高能耗越高；（4）針對(duì)特定的任務(wù)合理搭配時(shí)鐘頻率，迅速完成以爭(zhēng)取更多的休眠時(shí)間；（5）恰當(dāng)?shù)男菝吣Ｊ胶托菝邥r(shí)間；（6）中斷的喚醒和低功耗的回歸都應(yīng)迅速，休眠保證了低功耗，但也務(wù)求迅速喚醒，以最低功耗完成工作后，再以最快速度回歸休眠狀態(tài)；（7）優(yōu)化任務(wù)的時(shí)間片，將平均功耗降到最低，使用事件觸發(fā)狀態(tài)機(jī)模式編程；（8）內(nèi)外部上下拉IO口可能造成涓涓細(xì)流，仔細(xì)檢查IO口高阻態(tài)以避免能耗浪費(fèi)；（9）如果不能避免IO設(shè)置為上下拉，就要避免IO與外設(shè)形成持續(xù)的電流回環(huán)，最差也在進(jìn)入MCU睡眠模式之前，根據(jù)外設(shè)情況設(shè)置最小電流回路。

表1 典型低功耗MCU的指標(biāo)對(duì)比

總之，考慮以上的注意事項(xiàng)并選擇具有Cortex-M0+內(nèi)核的MCU是現(xiàn)階段低功耗的保證。低功耗MCU也將在手持設(shè)備、可穿戴設(shè)備和醫(yī)療設(shè)備的應(yīng)用中具有廣闊前景。

[1]佚名.智能硬件開(kāi)發(fā)如何選擇低功耗MCU[J].電子產(chǎn)品世界.