【導(dǎo)讀】現(xiàn)如今幾乎沒(méi)有應(yīng)用程序能夠避免降低能耗的需求。對(duì)于便攜式和電池供電設(shè)備的設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)影響其產(chǎn)品性能和可用性的限制因素。在國(guó)內(nèi)，EnergyStar 等計(jì)劃讓消費(fèi)者更加意識(shí)到這個(gè)問(wèn)題，不僅是在使用設(shè)備時(shí)，而且在設(shè)備處于待機(jī)模式時(shí)。能源越來(lái)越被認(rèn)為是一種珍貴而有限的商品。
現(xiàn)如今幾乎沒(méi)有應(yīng)用程序能夠避免降低能耗的需求。對(duì)于便攜式和電池供電設(shè)備的設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)影響其產(chǎn)品性能和可用性的限制因素。在國(guó)內(nèi)，EnergyStar 等計(jì)劃讓消費(fèi)者更加意識(shí)到這個(gè)問(wèn)題，不僅是在使用設(shè)備時(shí)，而且在設(shè)備處于待機(jī)模式時(shí)。能源越來(lái)越被認(rèn)為是一種珍貴而有限的商品。
任何系統(tǒng)總能耗的主要貢獻(xiàn)者之一是位于其的微控制器 (MCU) 的性能。因此，設(shè)計(jì)人員致力于限度地降低 MCU 功耗，重點(diǎn)關(guān)注三個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域……
個(gè)是有功能耗——MCU 可以為給定的能量輸入做的有用處理工作量——這顯然很重要。MCU 每 MHz 的電流消耗提供了一個(gè)現(xiàn)成的衡量指標(biāo)，32 位 Cortex M3 處理器的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)是 Energy Micro 的 EFM32 Tiny Gecko MCU 達(dá)到的 150μA/ MHz。
處理器還需要一系列需要盡可能少電流的睡眠和深度睡眠模式。再次以 Gecko 系列處理器為例，停止模式可達(dá)到的數(shù)字約為 20nA。
然而，在實(shí)踐中，功耗的第三個(gè)方面可能是重要的。如果處理器無(wú)法在睡眠時(shí)監(jiān)視外部事件以了解何時(shí)喚醒，則睡眠模式幾乎沒(méi)有用處。因此，在實(shí)踐中，大多數(shù) MCU 大部分時(shí)間都處于中間“等待輸入”模式。
這種狀態(tài)的例子很多。智能手機(jī)只需要在有來(lái)電或消息時(shí)喚醒，或者當(dāng)用戶通過(guò) HMI（人機(jī)界面）傳感器執(zhí)行適當(dāng)?shù)牟僮鲿r(shí)。智能水表的“正常”狀態(tài)是等待水開(kāi)始流動(dòng)。
在所有這些情況下，通常的解決方案是讓 MCU 定期喚醒以“檢查”其感知輸入并執(zhí)行一些計(jì)算以查明是否需要采取任何行動(dòng)。這帶來(lái)了許多挑戰(zhàn)。傳感器測(cè)量通常需要系統(tǒng)生成特殊的激勵(lì)和采樣模式——例如，電容式傳感器需要用正弦波輸入來(lái)激勵(lì)。
充其量，在功耗和系統(tǒng)的響應(yīng)能力之間存在權(quán)衡：手機(jī)“輪詢”其觸摸屏界面的次數(shù)太少——也許每隔幾秒鐘——可能會(huì)顯得遲鈍，因此難以使用。
醒來(lái)的過(guò)程本身就證明是代價(jià)高昂的：從睡眠模式過(guò)渡到活動(dòng)模式不會(huì)產(chǎn)生任何有用的效果。設(shè)計(jì)人員可能會(huì)發(fā)現(xiàn)，讓 MCU 處于更高的清醒狀態(tài)比消耗能量來(lái)管理這些轉(zhuǎn)換更有效。
一種更好、更節(jié)能的方法是選擇具有更自主的外圍設(shè)備和傳感器輸入系統(tǒng)的 MCU：這樣就不必為每次測(cè)量喚醒 CPU。
Energy MicroEFM32 Gecko 系列 MCU 提供了這樣一個(gè)系統(tǒng)，它結(jié)合了低能耗傳感器接口 (LESENSE) 和允許 I/O 組件在沒(méi)有 CPU 干預(yù)的情況下進(jìn)行交互的外設(shè)反射系統(tǒng) (PRS)。因此，EFM32 系列 MCU 可以在功耗低于 1.2μA 的睡眠模式下實(shí)現(xiàn)電容式觸摸喚醒、金屬物體感應(yīng)或電阻式傳感器監(jiān)控等功能。
圖 1.EFM32 外設(shè)反射系統(tǒng)配置為啟動(dòng) ADC 單次轉(zhuǎn)換以響應(yīng) TIMER0 溢出，并提供模擬比較器輸出作為 TIMER1 上比較/捕獲通道的輸入。
PRS（圖 1）允許將來(lái)自片上“生產(chǎn)者”外圍設(shè)備的信號(hào)路由到其他“消費(fèi)者”外圍設(shè)備，這些外圍設(shè)備然后可以根據(jù)這些輸入執(zhí)行操作。“生產(chǎn)者”信號(hào)包括模擬比較器和 GPIO 電平輸出、來(lái)自 ADC 和 DAC 的“轉(zhuǎn)換完成”信號(hào)、來(lái)自計(jì)數(shù)器/定時(shí)器的上溢/下溢信號(hào)以及來(lái)自 UART 或 USART 的“TX/RX 完成”狀態(tài)消息。Reflex“消費(fèi)者”包括 DAC/ADC 觸發(fā)器、定時(shí)器輸入和 UART/USART 使能輸入。
PRS 有八個(gè)通道，每個(gè)通道都有一個(gè)邊緣檢測(cè)器，可用于從電平信號(hào)生成邏輯脈沖。每通道兩個(gè)寄存器（PRS_SWPULSE 和 PRS_SWLEVEL）允許將每個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)到軟件確定的電平或邏輯“1”。
器件的 LESENSE 接口建立在這種自主外設(shè)原理之上，允許 MCU 在亞 μA 睡眠模式下監(jiān)控多達(dá) 16 個(gè)外部無(wú)源（電阻、電容或電感）傳感器。它結(jié)合了模擬比較器和 DAC，在從 32kHz 時(shí)鐘源運(yùn)行的定序器模塊的控制下。比較器輸出可以計(jì)數(shù)、比較或作為中斷直接傳遞。為了進(jìn)行測(cè)量，DAC 可用作比較器參考。
定序器控制哪些引腳連接到比較器、比較器處于活動(dòng)狀態(tài)多長(zhǎng)時(shí)間以及何時(shí)應(yīng)傳遞輸出以進(jìn)行計(jì)數(shù)或比較。使用 DAC 電壓或 GPIO 引腳的激勵(lì)也可以在比較器處于活動(dòng)狀態(tài)之前或期間執(zhí)行。測(cè)量后，計(jì)數(shù)器或比較器的輸出被緩沖和存儲(chǔ)以供以后處理。
掃描完成后，結(jié)果可以傳遞到具有可配置“下一個(gè)”狀態(tài)和觸發(fā)條件的低功耗解碼器。這使得捕獲大量傳感器讀數(shù)和組合成為可能，并且僅通過(guò)隨時(shí)間匹配模式來(lái)喚醒 CPU（圖 2）。例如，當(dāng)溫度和濕度傳感器都達(dá)到其閾值時(shí)，或者當(dāng)壓力傳感器連續(xù)觸發(fā) 10 次時(shí)，可以觸發(fā)喚醒。
圖 2：模擬事件的條件喚醒。
傳感器結(jié)果也可以通過(guò) PRS 傳遞，以構(gòu)建更復(fù)雜的系統(tǒng)。這使得邏輯上組合多個(gè) GPIO 引腳以觸發(fā)喚醒或使用解碼器解碼串行傳輸?shù)臄?shù)據(jù)成為可能。
例如，水表中旋轉(zhuǎn)葉片的運(yùn)動(dòng)可以用LESENSE測(cè)量，并通過(guò)PRS與LESENSE連接的正交計(jì)數(shù)器計(jì)算旋轉(zhuǎn)。例如，旋轉(zhuǎn) 10 次后，可以喚醒 CPU 以更新顯示和使用統(tǒng)計(jì)信息。對(duì)于傳統(tǒng)的 MCU，比較器的所有排序和控制都需要 CPU，而通過(guò) LESENSE 和 PRS 處理這些可以讓芯片保持深度睡眠模式。
電容式感應(yīng)示例
電容式感應(yīng)非常常用于 HMI 應(yīng)用，例如控制面板和遙控器。原理是將電容傳感器包含在 RC 振蕩器電路中。當(dāng)手指觸摸傳感器時(shí)，電容會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而改變振蕩器電路的基頻。
這種安排可以通過(guò)將 LESENSE 檢測(cè)引腳直接連接到外圍設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)。來(lái)自比較器輸出的振蕩信號(hào)被傳遞到外設(shè)，每個(gè)上升沿用于遞增計(jì)數(shù)器。設(shè)定時(shí)間后，LESENSE 將計(jì)數(shù)器值捕獲到結(jié)果緩沖區(qū)并清除計(jì)數(shù)器。然后將緩沖的結(jié)果與閾值水平進(jìn)行比較：由于手指觸摸會(huì)導(dǎo)致較低的振蕩頻率和較小的計(jì)數(shù)值，因此只有當(dāng)計(jì)數(shù)器值低于閾值時(shí)，LESENSE 才會(huì)喚醒 CPU。
圖 3：電容式傳感器。
以這種方式實(shí)現(xiàn)的電容感應(yīng)功能消耗的電流受多個(gè)因素的影響，包括電容覆蓋層的厚度和采樣頻率。
經(jīng)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于采樣頻率為 5Hz 的 5mm 亞克力覆蓋層，每個(gè)觸摸板的額外消耗約為 500nA。這導(dǎo)致以 5Hz 采樣的四按鈕觸摸應(yīng)用的總功耗約為 3μA。沒(méi)有采樣的靜態(tài)功耗小于 1μA。為了改善用戶體驗(yàn)，次觸摸事件后采樣速度可以提高到 10Hz，從而產(chǎn)生 5μA 總功耗。
旋轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)
正如我們已經(jīng)觀察到的，旋轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)是另一種應(yīng)用，其中 LESENSE 和 PRS 的組合可以顯著降低能耗。這有相當(dāng)不同的應(yīng)用，通常在控制和反饋系統(tǒng)中。
一個(gè)典型的系統(tǒng)（圖 4）是使用帶有兩個(gè)線圈的感應(yīng)傳感實(shí)現(xiàn)的，靠近一個(gè)旋轉(zhuǎn)的輪子放置，其中一半被金屬覆蓋。LESENSE 以足夠快的速度對(duì)每個(gè)線圈進(jìn)行采樣，以捕獲車輪經(jīng)過(guò)的金屬部分。每次采樣的輸出通過(guò) PRS 系統(tǒng)饋送到正交計(jì)數(shù)器。如果計(jì)數(shù)器在同一方向上達(dá)到定義的旋轉(zhuǎn)次數(shù)（圖 4 中的三個(gè)），它會(huì)發(fā)出可用于喚醒 CPU 的中斷。
圖 4：計(jì)數(shù)旋轉(zhuǎn)。
總結(jié)
讓 MCU 感知外部世界同時(shí)讓 CPU 處于睡眠模式的技術(shù)是降低能耗的重要工具。Energy Micro LESENSE 接口使 EFM32 微控制器能夠在執(zhí)行此操作的同時(shí)監(jiān)控許多不同類型的模擬傳感器。從低頻時(shí)鐘源運(yùn)行，LESENSE 可以在亞 μA 睡眠模式下監(jiān)控多達(dá) 16 個(gè)傳感器。典型的平均電流消耗約為 1.2μA。
應(yīng)用包括任何類型的電容式、電感式或電阻式傳感、旋轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)、GPIO 狀態(tài)解碼或類似應(yīng)用。LESENSE 還具有完全可配置的解碼器，可以評(píng)估傳感器狀態(tài)并在出現(xiàn)特殊的傳感器輸出組合或檢測(cè)到隨時(shí)間變化的模式時(shí)喚醒 CPU。因此，節(jié)能傳感器的實(shí)現(xiàn)是無(wú)窮無(wú)盡的，而可能性僅受設(shè)計(jì)師想象力的限制。
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