1、省电模式奏效 MCU 打造低功耗 WSN新通讯 2010 年 11 月号 117 期 封面故事 文Vivien Delport环保意识抬头，各式新的无线技术架构也掀起绿色风潮，而无线技术架构中最重要组件当属微控制器，其负责运算与传送数据等功能，若能进一步降低微控制器的功耗，对于整体无线通讯架构的耗电量，也能达到一定的作用，延长电池寿命。全球对绿色科技和能源使用效率的要求，推动新一代超低功耗无线网络的发展。新一代无线网络主要被应用在工业和控制应用中的远程感测系统；此外，也促使更多应用采用无需网络电缆或电源线的无线解决方案。 用于监视和控制的传感器网络并非新概念，现有的技术即可实现有线和无线两种系
2、统，然而，由于有线方案的价格低廉、设计简便，因此得以广泛使用；相反地，无线方案则有些限制，仅使用在一些特定的应用。 如今，采用低功耗的设计将协助开发无线传感器系统。新一代无线网络可使用电池供电及能维持更长的工作时间，且在应用的生命周期中仅需很少或者根本毋须进行维护。未来，能量采集(Energy Harvesting)甚至可以提供所需能源，而不再需要电池。本文将着重介绍新一代嵌入式微控制器(MCU)所具有的各种超低功耗控制功能，以及设计人员如何利用这些功能延长无线传感器节点中电池的使用寿命。MCU 功耗管理功能成关键 何谓低功耗呢？在讨论之前，首先须界定一些术语。能量为单位时间内所做的功，而功率
3、测量功的速率(单位时间使用的能量)。在电子学中，能量= 功率 时间；功率=电压电流。因此，所要注意的关键系统参数为电压、电流和时间，也就是应用在多大电压下运作，要消耗多少电流及总共的运作时间。从微控制器的选择探讨这个问题，首先须要比较新型微控制器的各种功耗模式。 三大典型功耗模式各有所长 根据处理需求的不同，应用包含一组预设工作模式。嵌入式微控制器可能只是众多周边中的一个，采样来自周围环境的讯号，在周边收集到一定数量的采样前，微控制器暂时无事可做。因此，为有效节省功耗，微控制器在每次数据采样期间将采取休眠或进入超低功耗的待机模式。一旦周边收集到足够的采样数据，微控制器才会切换至全速运作模式，此
4、时微控制器将被唤醒并以最大工作效率运作。 微控制器通常要接收到某些类型的唤醒讯号(Wake-up Event)，才会从各种低功耗模式跳脱出来。唤醒讯号包括输入 /输出(I/O)接脚位准改变的触发(Toggle)、外部讯号或类似定时器周边产生中断等内部处理器的动作。微控制器所支持的功耗模式有所不同，但通常各种功耗模式总有一些共同点，典型的功耗模式如下包括常开模式(Always On)、休眠或待机模式，此时保持对内存供电，以及深度休眠模式，此时不对内存供电，尽可能地节省功耗。 常开模式当系统位于常开模式时，代表系统正处于持续供电的运作状态。这些系统的平均功耗需求极有可能位在次毫安(Sub-mill
5、iamp)范围内，从而直接限制微控制器所能达到的处理性能。幸运的是，新一代嵌入式微控制器具有动态控制其频率频率的切换功能，因为在无需高速处理的情况下，降低工作频率有助于减少工作电流的消耗。 待机模式在待机模式下，系统处于工作或低功耗非活动的模式。而对系统而言，工作和待机电流的消耗都非常重要。当系统处于待机模式时，由于持续为微控制器内存供电，虽然电流消耗显著减少，但仍可保存所有内部状态及内存内容，并可于数毫秒(ms)内唤醒微控制器。通常，这类系统在大部分时间皆处于低功耗模式，但仍具备快速启动能力以跟上外部环境的变化，并符合高时效性的系统指令。保持对内存的供电有助于保持软件参数的完整性及应用程序软
6、件的现状，一般来说，退出待机模式并唤醒系统所需的时间约为 510微秒(s)。 深度休眠模式深度休眠模式透过完全关闭嵌入式微控制器核心的活动(包括内建内存)，为系统尽可能地节省功耗。由于在该模式下不对内存供电，因此必须在进入深度休眠模式前将关键数据迅速写入非挥发性内存(Non-volatile Memory)。该模式使微控制器的功耗降至最小值，有时甚至可低至 20 奈安培(nA)。然而，唤醒微控制器后须重新初始化所有内存参数，因此延长了唤醒到系统反应的总时间，退出深度休眠模式并唤醒系统所需的时间约为 200300 微秒。在上述采超低功耗模式运作的系统中，电池的寿命通常由电路中整体系统的电流消耗决
7、定。因此，不单单要注意微控制器消耗的电流，而且要关注印刷电路板(PCB)上其它组件消耗的电流。举例来说，设计人员也可考虑使用陶瓷电容替代钽电容，因为后者的漏电流(Leakage Current)通常较高，设计人员还可决定在应用处于低功耗状态下要为哪些电路供电。 利用功耗模式大幅降低耗电量 接下来还有一种可能的情况，在这种情况下，选择不同微控制器的功耗模式将对系统的总功率造成很大的影响。以一般远程温度传感器为例，该应用收集较长时间内的数据，并运用较为成熟的噪声滤波算法对数据进行处理，处理完毕则将微控制器重新设为待机模式，直到须进行更多采样测量为止，这个应用还将采用无线射频(RF)的传输方式将温度
8、信息报告给中央控制台。 对温度进行采样须使用微控制器内建的模拟数字转换器(ADC)，这时会花掉一些少量处理能量。在处理噪声滤波阶段，微控制器必须采用功耗较高的模式执行数字滤波器算法，并尽快将结果存回内存。因此，微控制器只须在短时间内维持高速运作，这样整体所消耗电力将大大的降低。 每隔一段预定的时间间隔，微控制器就会组合所有的采样结果并利用 RF 收发器设备传送至中央控制台。在这个程序中时机的掌握非常重要，方能确保无线传感器在预先决定的时间内送出采样信息，从而允许同一系统中的多个无线传感器节点协同工作。 那么，又该如何掌握唤醒处理器的频率呢？透过整合定时器周边的 32kHz 振荡器电路，微控制器
9、能很精确地在每秒产生一次中断，进而保证能在适当时机唤醒处理器。此中断事件还可以使微控制器按预定的时间表向采样缓冲区提供温度数据。 微控制器将温度数据传送至采样缓冲区后，将会切换至处理器的高速模式，以完成较为复杂的噪声滤波演算，然后尽快返回休眠模式，以缩短工作时间。微控制器采用同样的实时频率功能决定将捕捉到的采样数据发送回中央控制台的时间，微控制器的最佳功耗模式-也就是能消耗最少总电流的模式，取决于多种因素，以下将对此进行讨论。 最佳能源利用率左右 MCU 功耗 要降低整体功耗，仅选择微控制器最低功耗的模式是不够的，还必须确定微控制器必须完成的任务是否能被达成，如采样外部温度的任务。一旦确定每个
10、任务的性能需求，还必须确定每个任务的最佳能源利用率，请参考前面提到的公式，能量=时间电压电流，由于系统整体需求和实际电源已决定电压值，因此公式中所列的电压并没有什么改变的空间，如此一来，只能操作两个参数，即时间和电流。并须权衡微控制器的工作时间和电流消耗，以下将探讨在执行上述分析时要切记的一些微控制器参数。 唤醒处理器将微控制器置于低功耗模式后，可透过外部的触发将其唤醒，例如透过通用序列总线(USB)、实时频率的设置，甚至是 I/O 接脚上的外部触发讯号。微控制器从低功耗休眠模式唤醒并开始执行程序代码的时间非常重要；通常，须尽可能地缩短唤醒时间，这也是之所以要在休眠和深度休眠模式间选择的原因。
11、由于微控制器从休眠模式到执行代码只需要 10 微秒，若须每秒唤醒一 次微控制器，毋须初始化任何软件内存位置(Software Memory Location)，因此判断休眠模式为降低功耗的最佳选择。若微控制器处于低功耗状态的时间较长，如数分钟甚至数小时才须唤醒一次，则深度休眠模式可能是最佳选择。选择的关键是何种模式能使微控制器在完成任务之余，总电流的消耗量最小，若微控制器处于低功耗模式的时间较长，300 微秒的唤醒时间比起数分钟或数小时的深度休眠时间就微不足道了。 系统级唤醒事件的另一个绝佳范例，可借着透过串行接口连接到处理器的外部 RF 芯片进行说明。处理器闲置时，可将其置于某个低功耗状态下
12、，仅保持 RF 芯片运作。由于新一代 RF 芯片的逻辑仅负责搜寻流入的 RF 数据封包，因此即使保持在工作状态下，消耗的电流也很小。一旦接收到与该单元的指定地址相关的有效数据封包，亦即须要处理的有效数据封包，则唤醒微控制器开始处理信息，此类功耗模式通常用于无线网络的解决方案中，例如那些根据 ZigBee 无线协议设计的解决方案。 频率频率微控制器从外部或内部频率源(Clock Source)获取系统频率频率，再依应用程序所需的工作频率频率划分该频率频率。较低的频率通常等同于较低 的功耗，有时，微控制器还可以采用锁相回路(PLL)以倍频方式增加内部系统的频率频率，提高执行效能。外部系统频率讯号通
13、常来自石英振荡器(Crystal Oscillator)。 当组件进入低功耗模式时，微控制器还可以关闭石英振荡电路，以节省几毫安的电流，但由于外部晶体振荡器启动时造成的的延迟，因此在恢复正常工作状态时振荡器的启动时间将会延长。然而，有些微控制器具有采用双速启动模式(Two-speed Startup Mode)的能力，在这种模式下，微控制器将优先使用内部振荡器并立刻开始运作，并在更精确的外部频率源稳定后，自动切换至外部频率源。 微控制器控制自身频率频率的能力将能协助软件工程人员在总电流消耗最少的情况下，选择适用于特定任务的频率速度。因此，工程人员须评估能量公式中的时间 电流等参数，以确定何种方
14、案较好，决定在较短时间内全速运作，或在较长时间内慢速运作，或是介于两者之间。 实时频率在本文的远程无线传感器应用范例中，系统对时间的掌握必须要非常精确。除系统频率外，还可采用实时频率和日历(RTCC)周边轻松实现掌握时间。RTCC 的主要功能是追踪日期和时间，在本文的范例中，RTCC 能够协助控制功耗模式，更能在适当时间协助唤醒微控制器、触发采样测量或与中央控制台开始同步讯号。 在系统中配备 RTCC 有多种方法，第一，可将专用 RTCC 芯片连结至微控制器；第二，可采用整合基本计时软件、32kHz 的石英振荡器，第三则是可采用拥有专属 RTCC 的微控制器。对系统成本的考虑通常在第一时间就排
15、除第一种选择，对后两种方法的选择则须综合考虑微控制器应用的其它需求及成本的限制。以下将详述第二种方法，也就是利用 32kHz 振荡器与一些非常基本的软件加入 RTCC 的功能。 外部 32kHz 晶体振荡器驱动电路与 16 位定时器配合使用，每秒唤醒一次处理器。每秒唤醒一次处理器除更新 RTCC 定时器，也可能测量当前温度。然后处理器再返回到低功耗模式，此方法提供一种占用动作时间非常小的机制，而组件运作的大多数时间都在休眠模式下仅消耗 600 奈安培的电流。建立 RF 无线感测节点须注意各项参数 高度整合的单芯片通用工业、科学和医疗(ISM)频率调变方式收发器解决方案(FSK Transcei
16、ver Solution)搭配低功耗微控制器，能轻松实现无线感测应用。在本例中，微控制器采用序列周边接口(SPI)作为与射频设备连接的串行通讯端口，并使用微控制器初始化收发器设备的射频设定。设定完成后，收发器设备将透过微控制器发出的基本串行命令处理大多数 RF 数据的发送和接收，结合这两种技术，即可建构基本网络以远程监视各种数字或模拟的无线传感器节点，如本文中的远程温度传感器。 评估无线系统的总功耗预算，最关注的参数不外是 RF 系统的传送功耗、接收功耗、待机功耗及须耗费的启动时间。了解这些参数后，将能确定系统通过无线 RF 信道发送和接收数据所消耗的电流，除此之外，以下也将详述开发 RF 解
17、决方案时须注意的两个重点，包含发送的数据长度和安全性。 RF 发送时间设计人员常常忽略考虑 RF 数据封包的大小，事实上，RF 发送时间对无线解决方案的性能、质量和功耗影响很大，较小的数据封包有助于减少电力需求，甚至可以缩小电池体积，因此，在决定新的低功耗 RF 协议时，设计人员必须将这点牢记在心。 针对无线温度传感器的设计，可试着评估目前通用的各种 RF 通讯协议，诸如 ZigBee、ZigBee Pro、微芯(Microchip)的 MiWi和 MiWi P2P 协议。由于本应用要求较低的功耗，所以决定采用基本的时间分割多重存取(TDMA)协议。 透过在 RF 数据框(Dataframe)
18、中预先分配时间(Predefined Time Slot)，并利用第一个时间槽(Time Slot)作为中央处理器(CPU)发送的讯框起始封包(Start-of-frame)，藉此确保整个传感器监视系统的精确时序，同时降低功耗。采用这种基本时间片段的方法，微控制器和 RF 收发器可在大多数时间内皆保持低功耗待机模式。 安全性随着无线网络在传送数据中可能造成的安全问题渐渐受到关注，大多数 RF 系统均采用强大的算法保护数据。具有 128 位密钥的高级加密标准(AES)可透过软件执行，确保数据完整性及系统抵抗黑客的能力，对商务应用至关重要。对于无线传感器节点来说，为节省节点工作时的功耗，须尽可能缩
19、短节点的工作时间，因此，能快速执行 AES 演算非常重要，微控制器可按需求、动态更改处理能力加速 AES 的演算。除由电池供电的无线设备以外，采用有线电源的系统，考虑功耗对整体系统的温度、体积及成本均有影响，也须要加速 AES 演算。 系统成本众所周知，系统的总成本在设计任何系统，如无线温度传感器的过程中始终为非常重要的考虑，确定无线微控制器成本的关键因素是所需程序和数据存储器的大小。传感器网络和相关产品的开发人员偏好采用大储存空间的微控制器满足应用程序的需求，开发基于网络协议层如 ZigBee 的应用程序时，需要较大的储存空间，某些情况下则需要至少 250KB 的内存。若要为成本相当有限的设
20、计增加基本的传输功能，可利用微控制器的许多功耗控制功能最大程度地降低成本和功耗。 硬件/ 软件本文中的设计范例组合使用配备通用 ISM 频宽调变收发器的单一芯片和一颗超低功耗的微控制器。传感器内的超低功耗微控制器每秒测量一次模拟温度传感器，并将结果存入数据缓冲区，进行复杂的噪声滤波算法，然后采用 RF 收发器发送结果数据。出于安全考虑，此数据已透过 AES 算法保护并在预定分配好的时间内发送。此外，微控制器在接上电源后初始化 RF 收发器的射频设定，并按需求控制射频设备的功耗模式。 本文介绍如何轻松建置低功耗无线传感器网络的过程。藉由全面地理解超低功耗微控制器的各种功耗管理功能，有助于系统设计人员开发环保的绿色无线设计方案。只要选择合适的超低功耗微控制器和 RF 射频产品，评估整体系统的需求，然后使用微控制器的功耗管理设定，即可使系统处于低功耗休眠状态，以有效降低成本。 (本文作者为微芯安全、微控制器及技术开发部门应用工程经理)
