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作者：Energy Micro公司Anders Guldahl 目前幾乎沒有應用不需要降低能耗。對于便攜設備和電池供電設備的設計師來說，這是影響所設計產品的最佳性能與可用性的一個約束條件。在美國國內，諸如能源之星(EnergyStar)等計劃使得消費者能夠更好地理解這個問題，即不僅要降低設備正常使用時的功耗，而且要降低待機模式下的功耗。越來越多的人認識到能源是一種寶貴且有限的資源。 影響系統總體能耗的主要因素之一是位于系統核心的微控制器(MCU)的性能。因此，設計師一直致力于盡最大可能地減小MCU功耗，他們主要關注三個關鍵領域。 首先是工作能耗，即在給定能量輸入條件下MCU能夠提供的有用處理工作量，顯然這是非常重要的。可以用每兆赫茲(MHz)的電流消耗來衡量MCU的這個指標，32位Cortex M3處理器的基準數是150μA/MHz，Energy Micro公司的EFM32 Tiny Gecko MCU就能達到這個指標。 此外，處理器也需要各種消耗電流盡可能少的睡眠和深度睡眠模式。同樣舉Gecko系列處理器的例子，停止模式下的電流約為20nA。 然而在實際應用中，影響功耗的第三個因素也許是最重要的。如果處理器在睡眠狀態沒法監視外部事件以便知道何時蘇醒，那么睡眠模式幾乎毫無用處。因此在實際使用中，大多數MCU的大部分時間處于中間的“等待輸入”模式。 這種情形的例子有很多。智能手機只有在來電或有短信時、或者用戶通過人機界面(HMI)傳感器做一些操作時才需要被喚醒。智能水表的“正常”狀態則是等待水開始流動。 所有這些情況下的常規解決方案是，MCU定期蘇醒過來‘檢查’其傳感輸入并進行一些運算，以便發現是否有任務要做。這種方法面臨許多挑戰。傳感器測量一般要求系統產生專門的激勵和采樣圖案，例如，電容傳感器需要用正弦波輸入進行激勵。在功耗和系統響應度之間最好有個權衡：手機“輪詢”觸摸屏界面次數太少的話(比如每隔幾秒)就會給人反應遲鈍的感覺而難以使用。而喚醒過程本身的代價就可能比較高，使得從睡眠模式到工作模式的轉換簡直就是無用功。設計師可能會發現，讓MCU處于較高程度的喚醒狀態比費力管理這些轉換要高效得多。 一種更好更高效的方法是選擇擁有更加自治的外設與傳感器輸入系統的MCU：這樣，CPU不必醒過來做每次測量。Energy Micro公司的EFM32 Gecko系列MCU就可以提供這樣的系統，它整合了低能耗傳感器接口(LESENSE)和外設反射系統(PRS)，不需要CPU干預就能實現與I/O元件的交互。因此EFM32系列MCU可以在睡眠模式下實現許多功能，比如容性觸摸喚醒、金屬物體檢測或阻性傳感器監視等功能，消耗電流不到1.2μA。 外設反射系統(PRS)(圖1)允許片載“產生器”外設產生的信號被路由到其它“消費”外設，然后再由那些消費外設根據這些輸入完成相應的操作。“產生器”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USARTR “發/收完成”狀態消息。反射的“消費”外設包括DAC/ADC觸發器、定時器輸入和UART/USART使能輸入。 
圖1: 經過配置的EFM32外設反射系統可以根據TIMER0溢出信號啟動一次ADC轉換，同時提供模擬比較器輸出，作為TIMER1中比較/捕捉通道的輸入。 PRS有8個通道，每個通道都有一個邊沿檢測器，可以用來從電平信號產生邏輯脈沖。每個通道的兩個寄存器(PRS_SWPULSE和PRS_SWLEVEL)允許每個輸出被驅動到軟件定義的電平或邏輯‘1’。 MCU的LESENSE接口建立在這種自治外設原理之上，允許MCU在不到1?A的睡眠模式下監視多達16個外部無源(電阻、電容或電感)傳感器。這種MCU整合了模擬比較器和DAC，并受運行于32kHz時鐘源的定序器控制。比較器輸出可以用于計數、比較或直接用作中斷。要想實現精確測量，可以將DAC用作比較器的參考基準。 定序器控制哪個引腳連接到比較器、比較器工作了多長時間以及何時應該將輸出送去計數或比較。也可以在比較器工作之前或工作之中利用DAC電壓或GPIO引腳進行激勵。在測量之后，計數器或比較器輸出被緩沖和存儲，以供隨后的處理。 在掃描完成后，結果將被傳送給一個低功耗的解碼器，這個解碼器具有可配置的“下一個”狀態和觸發條件。這樣便可能捕捉許多傳感器讀數和組合，并且僅在匹配一段時間內的圖案后才喚醒CPU(圖2)。例如，當溫度和濕度傳感器都達到各自的閾值時才觸發喚醒，或者當壓力傳感器連續觸發10次時才喚醒CPU。
圖2: 基于模擬事件的條件喚醒。 傳感器結果也能經過PRS搭建更復雜的系統。這樣就可以從邏輯上組合多個GPIO引腳來觸發一次喚醒，或使用解碼器解碼串行傳送的數據。 舉例來說，水表中旋轉葉片的運動可以用LESENSE來測量，而用正交計數器計數的旋轉葉片是通過PRS連接LESENSE的。比如經過10次旋轉后，CPU可以被喚醒以更新顯示器和使用統計數據。在使用傳統MCU時，比較器的所有排序和控制都需要CPU參與，而通過LESENSE和PRS處理可以使CPU芯片處于深度睡眠模式。 容性檢測示例 容性檢測在控制面板和遙控等HMI應用中很常見。原理是在RC振蕩器電路中包含容性傳感器。當手指觸摸傳感器時，電容值發生改變，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部設備來實現。來自比較器輸出的振蕩信號被送到這個外設，每個上升沿用于增加計數值。在經過一段設定的時間后，LESENSE將計數器值傳送給結果緩沖器，然后復位計數器。然后緩沖的結果將與閾值電平進行比較：由于手指觸摸會導致更低的振蕩頻率和更小的計數值，因此LESENSE只在計數值低于閾值時才會喚醒CPU。 以這種方式實現的容性檢測功能所消耗的電流受幾種因素的影響，包括容性覆膜的厚度和采樣頻率。 經驗表明，對于5mm的丙烯酸覆膜和5Hz的采樣頻率，每個觸摸板增加的功耗約500nA。對于4鍵觸摸、采樣頻率為5Hz的應用來說總功耗大約是3?A。沒有采樣時的靜態功耗不到1μA。為了改善用戶體驗，在第1次觸摸事件后采樣速度可以增加到10Hz，此時總功耗為5μA。 計算旋轉次數 正如我們已經觀察到的那樣，旋轉計數是LESENSE與PRS組合可以顯著降低功耗的另外一種應用。旋轉計數有完全不同的應用，通常是在控制和反饋系統中。 典型系統(圖4)可以使用帶兩個線圈的感性傳感來實現，方法是將兩個線圈靠近一個旋轉輪放置，旋轉輪的一半則用金屬覆蓋。LESENSE足夠快的采樣每個線圈，以捕捉經過的輪子金屬部分。每次采樣的輸出通過PRS系統饋送給正交計數器。如果計數器在相同方向達到定義好的旋轉次數(圖4中的3次)，它產生一個中斷，這個中斷就可以用來喚醒CPU。
圖3: 容性傳感器。
圖4: 計算旋轉次數。 本文小結 給MCU提供感知外部世界的功能同時讓CPU處于睡眠模式的技術是降低能耗的重要手段。Energy Micro LESENSE接口可以幫助EFM32微控制器在深度睡眠模式下監視許多不同種類的模擬傳感器。在低頻時鐘源下運行的LESENSE可以在不到1μA的睡眠模式下監視多達16個傳感器。典型的平均電流消耗約1.2μA。 該方案可以應用于各種容性、感性或阻性檢測、旋轉計數、GPIO狀態解碼或類似應用。LESENSE還有一個完全可配置的解碼器，它能評估傳感器狀態，并在傳感器輸出的特定組合發生時或檢測到某段時間內的匹配圖案時喚醒CPU。綜上所述，具有能源友好的傳感器實現永無止境，而可能性僅限于設計師的想像力。 關于作者 Anders Guldahl as an Application Wngineer (AE) at Energy Micro (www.energymicro.com), supporting customers, developing energy-friendly code examples, and writing application notes. Anders also worked in Energy Micro's Simplicity team, designing development kits for the EFM32 Gecko microcontrollers, LESENSE peripherals, and capacitive touch. Anders holds a Master's Degree in control systems engineering from The Norwegian University of Science and Technology (NTNU) in Trondheim, Norway. |
