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推动节能设计

在不更换电池和不充电的时候,我时常觉得自己在不断地将各种耗尽电量的个人电子设备恢复为全功能状态。虽然我向来会不时关注电源状态,但是可穿戴健身设备或蓝牙耳机在锻炼时关机的情况仍屡见不鲜,更不用说,智能手机在最糟糕的时刻因电量耗尽而关机,更是司空见惯。

仅仅只是数台个人电子设备就已让人应接不暇,由此可以想象,具有数千台电池供电设备的物联网 (IoT) 应用,很可能仅仅因为电池维护工作,就导致不堪电量重负而崩溃。对于那些大规模的物联网网络和个人设备,对来自“常开型”传感器的即时数据需求致使电源问题的影响不断放大。所幸,随着硅片制造商不断提高微控制器的能效,并为主处理器分担了一些处理负载,这种电子设备供电不足的惨淡情形才有所改善。

先进技术改善经典电源管理

按照传统方法,基于微控制器的系统电源管理主要集中于主处理器的占空比,因为主处理器通常承担了小型嵌入式系统的大部分功耗。因此,一般会要求设计人员最大限度地缩短处理器功耗最大的通电时间,转而设计功率受限的系统,让处理器尽量保持在节能的休眠模式。对于需要从传感器定期收集数据的应用,开发人员让处理器休眠而使用外设中断,唤醒处理器以收集和处理数据,之后再立即恢复休眠状态。

复杂的片上外设的出现让开发人员可以延长处理器的休眠时间。通常,微控制器会集成模数转换器 (ADC) 等外设,这些外设能够收集传感器数据,却压根不需要唤醒主处理器。半导体制造商在更高级的微控制器架构中进一步扩展了这一概念,该架构支持完全活动和完全休眠之间的中间功耗模式。在这些器件中,中间功耗模式可以选择性地提供各种独立的功率域,为处理器内核、片上存储器、模拟外设和数字外设供能。

Maxim IntegratedDarwin 微控制器等高级处理器系列将这种方法提升到更高层次,专门采用一系列机制来降低功耗而不影响应用功能和性能要求(请参阅“构建更有效的智能设备:第 1 部分 – 使用 MCU 和 PMIC 的低功耗设计”)。因此,开发人员可以更精确地平衡功率和性能,以满足紧张的功耗预算。

外设拥有独立处理器

在分离外设功能与核心处理时,更高级的微控制器通过专用处理器改进了这些外设子系统。例如,Maxim Integrated 的 Darwin 系列与许多这类器件一样,包括外设管理单元 (PMU),它不仅支持直接存储器访问 (DMA) 操作,还包括轮询调度及其他更高级的功能。

这种将处理能力扩展到处理器内核以外的做法,已成为如今一些降低功耗和提高性能的最有效方法之本。硬件加密加速器就是这种趋势的典型范例,这些加速器内置于大多数专为物联网设备或其他连接应用所设计的高级微控制器中。通过加快算法执行,专用加速器可使设备快速恢复低功耗状态。

这种趋势还有另一个更有趣的示例,就是 Texas InstrumentsSimpleLink 系列等无线微控制器。例如,Texas Instruments 的 CC2640R2F 低功耗蓝牙 (BLE) 无线微控制器,结合了 Arm® Cortex®-M3 主处理器与 BLE 专用子系统,该系统包含 Arm Cortex-M0 专用处理器和射频 (RF) 收发器(图1)。

图 1:Texas Instruments 的 CC2640R2F BLE 器件等高级无线微控制器,通过使用 Arm Cortex-M0 节能型处理器内核来保持无线连接,同时使 Arm Cortex-M3 主处理器处于休眠状态,以此实现最佳的功耗。(图片来源:Texas Instruments)

当主处理器运行应用时,开发人员无法使用 Cortex-M0 处理器。此处理器只能运行 BLE 协议堆栈。由于高能效的 Cortex-M0 内核可以在主处理器处于休眠模式时继续以低功耗运行,因此该微控制器可以提供不间断连接,而不会给紧张的功耗预算带来过多负担。

对常开型功能的需求当然不仅仅只针对连接性。在越来越多的检测应用中,用户希望设备能够对温度、运动、空气质量及其他特性的变化做出即时响应。若使用传统方法,这种常开型功能会迫使微控制器在活动模式下连续运行,或几乎连续运行,同时收集和检查重要事件的数据。

许多高级传感器允许开发人员编程设定触发中断的最小和最大阈值,使微控制器保持休眠模式直至发生超出阈值的事件。然而,在某些应用中,单靠阈值功能是不够的。例如,常开型运动传感器可能需要识别所测量的加速度或方向出现特性变化或特定模式,这代表设备用户正在行走、跑步、爬楼梯、转弯或做其他活动。即使使用具有阈值功能的高级传感器,主机微控制器也需要保持活动状态以识别这些特性变化。相反,STMicroelectronicsLSM6DSOX 传感器模块因内置有限状态机和决策树处理引擎,故而能够识别相关模式。

对开发人员而言,自主外设操作、专用处理引擎和本地传感器处理等功能只是推动电池供电设计向节能发展的部分方法。

参考文献:

构建更有效的智能设备:第 1 部分 – 使用 MCU 和 PMIC 的低功耗设计 - https://www.digikey.com/en/articles/techzone/2018/oct/build-more-effective-smart-devices-part-1-low-power-design-mcus-pmics

关于此作者

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Stephen Evanczuk 拥有 20 多年的电子行业编辑经验,主题涉猎广泛,涵盖硬件、软件、系统以及包括物联网在内的各种应用。他拥有神经网络领域的神经科学博士学位,曾经从事航空航天领域大规模分布式安全系统和算法加速方法方面的工作。目前,他不是在撰写技术和工程文章,就是在研究深度学习在识别和推荐系统方面的应用。

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