長(zhǎng)期以來(lái)，在所有的業(yè)界和市場(chǎng)中，我們一直都能看到對(duì)于能夠長(zhǎng)期運(yùn)作的高能效、電池供電型設(shè)備的需求；隨著物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的興起，嵌入式設(shè)計(jì)人員正把大量精力放在關(guān)注「超省電」設(shè)備的電源管理。 當(dāng)考慮到需要某種形式無(wú)線連接的電池供電型設(shè)備時(shí)，無(wú)論在簡(jiǎn)單的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)配置，或是更復(fù)雜的星型或網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中，這都尤為真切。 有許多被認(rèn)為非常適合超省電設(shè)備類型的應(yīng)用，其中一個(gè)典型的例子是無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)，從功能上看，它是一個(gè)需要長(zhǎng)期運(yùn)行(在某些情況下長(zhǎng)達(dá)幾年)同時(shí)采用電池供電的相對(duì)簡(jiǎn)單設(shè)備。 要為這類應(yīng)用建構(gòu)成功的產(chǎn)品，開(kāi)發(fā)人員必須考慮整個(gè)設(shè)計(jì)的諸多方面。 這些設(shè)計(jì)考慮不僅包括微控制器(MCU)和它的能效等級(jí)，而且也包括系統(tǒng)中的其他元素，例如無(wú)線接口(不僅僅是物理實(shí)現(xiàn)，也包括使用的無(wú)線協(xié)議)、系統(tǒng)級(jí)電源管理(例如，整合到MCU中的低壓差調(diào)節(jié)器或者專用電源管理IC)、傳感器、以及需要收集和處理傳感器數(shù)據(jù)的模擬功能。 圖1顯示了無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的關(guān)鍵組成部分。 讓我們首先從MCU開(kāi)始討論，這是設(shè)計(jì)的核心。 對(duì)于電池供電的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，MCU必須具備超高的能效。 RF協(xié)議和數(shù)據(jù)處理的需求(可能用于訊號(hào)調(diào)節(jié)和數(shù)字訊號(hào)處理)將可能決定32位或者8位MCU的選擇，盡管如此，無(wú)論MCU如何選擇，許多低能耗需求依然是必要的。 圖1 典型的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)架構(gòu) 例如把MCU從超低功耗模式喚醒到全速運(yùn)行模式的時(shí)間長(zhǎng)度(例如2微秒)，將對(duì)節(jié)省電池電量產(chǎn)生顯著差異；在這種情形下，MCU喚醒時(shí)間越短越好。 在MCU進(jìn)行功耗模式轉(zhuǎn)換期間，它不能做任何有意義的事情。 其他兩個(gè)也對(duì)系統(tǒng)級(jí)能耗具備顯著影響的參數(shù)是：低功耗模式下的能耗(應(yīng)當(dāng)小于1微安培)和工作模式期間的能耗(這取決于使用的MCU核心以及MCU自身的制程技術(shù)，通常應(yīng)當(dāng)在150微安培/MHz或以下)。 也有其他因素影響能效，但是這三種因素(計(jì)算需求、低功耗模式時(shí)的能耗和工作模式時(shí)的能耗)是最基本的架構(gòu)考慮因素，將大幅影響應(yīng)用中MCU的選擇。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員也應(yīng)仔細(xì)考慮所選擇的MCU有多少能力是不仰賴CPU核心本身的。 例如，透過(guò)傳感器接口的自主處理能力能夠顯著節(jié)省能耗。 自主型傳感器接口透過(guò)MCU為傳感器提供觸發(fā)訊號(hào)(或者電源)，能夠讀回和解釋結(jié)果，直到獲得「有用」數(shù)據(jù)以后才喚醒MCU，這對(duì)于延長(zhǎng)系統(tǒng)電池壽命大有幫助。 例如圖2所示，Silicon Labs的EFM32 MCU架構(gòu)結(jié)合了自主型低能耗傳感器接口(又稱為L(zhǎng)ESENSE)和電路板上的比較器，能夠從周邊傳感器收集數(shù)據(jù)并且僅僅在有正確或者有用數(shù)據(jù)后才喚醒CPU，實(shí)現(xiàn)所有功能所需的超低功耗預(yù)算僅僅1.5微安培。 圖2 32位的EFM32 MCU中的低能耗傳感器接口(LESENSE)技術(shù) 雖然還有其他的MCU節(jié)能措施需要在超省電型應(yīng)用中加以考慮，以我們的簡(jiǎn)單無(wú)線傳感器應(yīng)用范例來(lái)說(shuō)，仍有很多除了MCU以外需要考慮的地方。 現(xiàn)在讓我們轉(zhuǎn)到無(wú)線連接組成部分，我們能夠考慮幾種顯著不同的選項(xiàng)；無(wú)線拓?fù)?如圖3所示)和協(xié)議選擇(如圖4所示)都將影響需要維持無(wú)線鏈路的功耗預(yù)算。 圖3 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞独? 在某些情形下，采用私有sub-GHz協(xié)議的簡(jiǎn)單點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接可能看起來(lái)是合適的選擇，因?yàn)樗赡軆H需要消耗最少的電池電量。 然而，這種簡(jiǎn)單的無(wú)線配置限制了傳感器發(fā)揮作用的部署位置和范圍。 建構(gòu)在2.4GHz或者sub-GHz技術(shù)上的星狀配置增加了傳感器部署的靈活性，這意味著能夠在同一網(wǎng)絡(luò)中部署更多的傳感器，但是這也可能增加用于傳輸數(shù)據(jù)的協(xié)議之復(fù)雜性，因而增加RF傳輸量，并且導(dǎo)致消耗更多電池電量。 第三個(gè)值得考慮的選項(xiàng)是基于協(xié)議堆棧(例如ZigBee)的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)配置。 雖然網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)消耗最大的傳感器節(jié)點(diǎn)電池電量，但是它也提供了任意節(jié)點(diǎn)間皆可相互傳輸?shù)淖畲蟛渴痨`活性。 藉由無(wú)線協(xié)議堆棧(例如ZigBee)，網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)也能夠提供具備自修復(fù)能力網(wǎng)絡(luò)的最可靠部署選項(xiàng)(也就是說(shuō)如果網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生了故障，被發(fā)送的訊息仍然能夠找到另一條路徑而到達(dá)目的地)。 與網(wǎng)絡(luò)配置選擇密切相關(guān)的是必須傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，包括從節(jié)點(diǎn)到節(jié)點(diǎn)或者從節(jié)點(diǎn)到收集器。 在傳感器節(jié)點(diǎn)，在無(wú)線鏈路上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量應(yīng)當(dāng)相對(duì)小(尤其是如果一些數(shù)據(jù)能夠在節(jié)點(diǎn)的MCU上處理，那么僅僅需發(fā)送相關(guān)信息，而不是傳輸所有收集的數(shù)據(jù))。 因此，ZigBee提供了最佳的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)解決方案；Bluetooth Smart是基于標(biāo)準(zhǔn)的、功耗敏感型點(diǎn)對(duì)點(diǎn)配置的最佳選擇；專有型的sub-GHz解決方案在星型或者點(diǎn)對(duì)點(diǎn)配置中為網(wǎng)絡(luò)大小、帶寬和數(shù)據(jù)負(fù)載提供了最大的靈活性。 表1匯整了IoT應(yīng)用中領(lǐng)先的RF技術(shù)的多種關(guān)鍵特性和好處。 表1 RF協(xié)議之間的主要不同點(diǎn) 考慮采用長(zhǎng)距離(long-range)技術(shù)和平臺(tái)(例如LoRa和Sigfox)也是有幫助的，它們支持高節(jié)點(diǎn)數(shù)量網(wǎng)絡(luò)連接，具備最大數(shù)十公里傳輸距離并且仍然支持低功耗系統(tǒng)。 使用這些長(zhǎng)距離無(wú)線技術(shù)，能夠在極廣的區(qū)域部署節(jié)能型傳感器節(jié)點(diǎn)。 對(duì)于無(wú)線連接來(lái)說(shuō)，另一個(gè)考慮因素是用來(lái)保護(hù)傳輸數(shù)據(jù)的加密設(shè)計(jì)；如何處理加密對(duì)超省電型設(shè)備產(chǎn)生很大影響。 例如，ZigBee加密內(nèi)建在協(xié)議堆棧中，但是如果用于執(zhí)行協(xié)議堆棧的MCU (或者處理器核心)沒(méi)有適當(dāng)?shù)募用苡布敲此鼘⒉坏貌徊捎密浖椒?，花費(fèi)更多周期來(lái)執(zhí)行算法。 舉例來(lái)說(shuō)，在一個(gè)具備AES硬件加速器的ARM Cortex-M0 處理器上執(zhí)行128位的AES加密邏輯花費(fèi)54個(gè)周期，而在沒(méi)有硬件加速器的ARM Cortex-M0 處理器上，執(zhí)行同樣的加密邏輯將花費(fèi)4,000個(gè)周期，大約是具備硬件加密支持MCU的80倍；當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)在無(wú)線鏈路上接收或者發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，這將對(duì)整體功耗產(chǎn)生顯著的影響。 在IoT市場(chǎng)中，無(wú)線鏈路上的安全傳輸需求正在增加。 隨著更加復(fù)雜的加密需求出現(xiàn)在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，這種超省電型設(shè)備中因加密功能而帶來(lái)的電源管理考慮正變得日益重要，并且對(duì)于開(kāi)發(fā)人員進(jìn)行硬件選擇帶來(lái)顯著的影響。 就節(jié)點(diǎn)范例中的傳感器而言，有許多可以選擇，從光、環(huán)境、到運(yùn)動(dòng)傳感器。 傳感器的選擇最終是由你要測(cè)量什么而決定。 在我們的例子中將選擇環(huán)境光強(qiáng)度測(cè)量；有幾個(gè)選擇可以用于測(cè)量環(huán)境光，以分離式感測(cè)組件開(kāi)始，它們可以被設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)非常低的功耗，但是這種方法把訊號(hào)的調(diào)節(jié)和處理負(fù)擔(dān)放到MCU上。 其結(jié)果是MCU將需要在更長(zhǎng)的時(shí)間周期內(nèi)處于工作模式；更多外圍將保持工作狀態(tài)，例如模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)等，而整體系統(tǒng)功耗將會(huì)上升。 另一種選擇是使用內(nèi)建智能型環(huán)境光傳感器，如圖4所示。 圖4 具備內(nèi)建訊號(hào)調(diào)節(jié)功能的環(huán)境光傳感器 把訊號(hào)調(diào)節(jié)內(nèi)建到傳感器中提供一些顯著優(yōu)勢(shì)；被發(fā)送到MCU的數(shù)據(jù)將是可被應(yīng)用快速且容易解釋的相關(guān)數(shù)據(jù)，這意味著MCU能夠盡可能長(zhǎng)的保持休眠狀態(tài)。 有預(yù)調(diào)節(jié)過(guò)的數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)字接口，例如SPI或者I2C，也意味著MCU能夠比使用自身ADC更有效的收集數(shù)據(jù)。 雖然這個(gè)范例中指定了環(huán)境光感測(cè)，但是許多其他傳感器有類似的實(shí)現(xiàn)方式，包括內(nèi)建的智能且能提供數(shù)據(jù)給主機(jī)MCU，這些都能實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)降低整體系統(tǒng)功耗的目標(biāo)。 省電型設(shè)備應(yīng)用中最后的設(shè)計(jì)考慮是簡(jiǎn)化系統(tǒng)本身供電。 取決于應(yīng)用中使用的電池類型，如果需要比電池所提供更多的電壓或電流，通常需要升壓轉(zhuǎn)換器或者升壓開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器。 例如，如果你正在使用1.5V單節(jié)鈕扣電池，但是需要為MCU產(chǎn)生3.3V供電，那么當(dāng)考慮整體設(shè)備電源管理時(shí)，你需要考慮支持這個(gè)功能。 因此在這里的慎重選擇可能再次對(duì)系統(tǒng)的整體功耗產(chǎn)生重要影響；大多數(shù)可用的升壓轉(zhuǎn)換器消耗大約5~7微安培電流，但是如果設(shè)備大多數(shù)時(shí)間處于休眠模式，那么這將是一項(xiàng)沉重的負(fù)擔(dān)。 現(xiàn)在已經(jīng)有具備1微安培功耗甚至低至150nA的升壓轉(zhuǎn)換器(同時(shí)維持高升壓效率)供選擇。 對(duì)于更復(fù)雜的系統(tǒng)，考慮采用電源管理芯片(PMIC)更精確地控制整個(gè)系統(tǒng)是值得的；從單一電源，你能夠產(chǎn)生多個(gè)電壓以驅(qū)動(dòng)嵌入式系統(tǒng)中的不同組成部分，調(diào)諧每一電壓能夠提供恰好的應(yīng)用所需，而沒(méi)有任何能源浪費(fèi)。 例如，你能夠單獨(dú)為系統(tǒng)中的無(wú)線部分提供電源，這意味著無(wú)線部分能夠在不使用時(shí)完全的關(guān)閉(如果協(xié)議支持這種能力)；或者，如果你有支持I/O和核心分別供電的MCU，你能夠透過(guò)使用PMIC再次獲得最佳MCU能耗，并且也能夠?yàn)閼?yīng)用中使用的傳感器提供單獨(dú)的電源。 高質(zhì)量的PMIC也將為一般系統(tǒng)控制提供額外的功能，例如看門狗定時(shí)器(watchdog timer)和回復(fù)能力。 PMIC不適合所有的應(yīng)用，部分原因是由于額外的成本，但是在可承受額外成本的應(yīng)用中，PMIC方式代表了超省電型應(yīng)用中整體系統(tǒng)能耗管理的極佳途徑。 總之，在開(kāi)發(fā)電池供電的超省電型應(yīng)用中，有多種不同的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面涉及其中。 不僅僅是半導(dǎo)體組件選擇和軟件整體設(shè)計(jì)，還包括無(wú)線協(xié)議堆棧、加密和數(shù)據(jù)處理等，都是重要的考慮因素。 每一種設(shè)計(jì)都能夠顯著影響系統(tǒng)的總體功耗預(yù)算，幫助你建構(gòu)具備最大化電池有效使用壽命的超省電型設(shè)備，這正是良好的IoT系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。 (mbbeetchina)