微控制器以越來越低的功耗運(yùn)行，從而開辟了智能照明和無線計(jì)量等新應(yīng)用。新設(shè)備正在降低功耗，并為工程師的設(shè)計(jì)提供更多選擇，從高級(jí)語言開發(fā)工具到各種外圍設(shè)備。

　　智能電力的驅(qū)動(dòng)力來自多個(gè)方向。能夠監(jiān)測和控制接近負(fù)載點(diǎn)的功耗可以讓電力更均勻地分布在整個(gè)電網(wǎng)中，并減少運(yùn)營商的電力浪費(fèi)。對(duì)于用戶來說，它可以提供更靈活的資費(fèi)，降低用電成本，并有助于降低整體用電量，進(jìn)一步降低成本。然而，設(shè)備必須具有成本效益，無論是在資本成本還是在維護(hù)方面。更換數(shù)百萬智能電表中的電池是電網(wǎng)運(yùn)營商的主要運(yùn)營成本，也是實(shí)施的潛在缺陷。降低智能設(shè)備的功耗，不僅如其所說的降低功耗，還可以讓電池運(yùn)行多年。

　　通過有效的設(shè)備管理、新的低功耗設(shè)計(jì)架構(gòu)和對(duì)功耗敏感的制造工藝進(jìn)一步降低功耗，還可以將總功耗預(yù)算降低到不需要電池的程度。此時(shí)，可以從環(huán)境中獲取能量——通常來自工業(yè)環(huán)境中的振動(dòng)或熱能——并存儲(chǔ)在本地電池中。這為微控制器以及傳感器和用于監(jiān)控的網(wǎng)絡(luò)鏈路提供電源。節(jié)點(diǎn)和微控制器的架構(gòu)選擇對(duì)于性能和電池壽命至關(guān)重要，并且有幾種不同的選擇。

　　設(shè)計(jì)權(quán)衡

　　集成和性能都與智能電源應(yīng)用中使用的微控制器的電源考慮因素有關(guān)。有多種外設(shè)可供選擇，可添加到控制器內(nèi)核中，以減少片外需要，從而降低功耗。然而，有時(shí)，在無線鏈路旁邊使用小型 8 位控制器可能比嘗試將應(yīng)用處理器與 RF 結(jié)合的完全集成系統(tǒng)更有效。而一些控制器，如Energy Micro開發(fā)的EFM32（如下），具有復(fù)雜的電源管理，可以關(guān)閉各個(gè)外圍模塊以將功耗保持在最低水平，擁有單獨(dú)的控制器可以提供一種隔離節(jié)點(diǎn)不同部分的方法，以便僅在絕對(duì)必要時(shí)使用電源。

　　圖 1：Energy Micro 的 EFM32“Gecko”低功耗內(nèi)核。

　　在性能和功率之間還有另一個(gè)權(quán)衡。與使用速度較慢、標(biāo)稱功耗較低的設(shè)備相比，能夠快速使用節(jié)能架構(gòu)然后關(guān)閉設(shè)備可以使用更少的能源。但是，這取決于啟動(dòng)和關(guān)閉時(shí)間，但更多設(shè)備正在包括這種快速響應(yīng)以降低功耗。但有時(shí)，電源管理的復(fù)雜性影響不大，而代碼大小的影響更大。存儲(chǔ) 16 位甚至 8 位代碼可以降低內(nèi)存需求并提供更快的訪問速度，從而降低成本和功耗。但是，32 位系統(tǒng)也能夠利用較小的字長和減少的指令集，例如 ARM 的 16 位 Thumb 2。

　　在智能電力中，軟件并不是特別復(fù)雜，但它必須非常可靠——必須更換或更新有問題的節(jié)點(diǎn)可能會(huì)非常昂貴。這意味著現(xiàn)有的遺留代碼是一種寶貴的資源，代碼重用是設(shè)計(jì)要求的重要組成部分。同時(shí)，針對(duì) ARM MIPS 和其他 32 位架構(gòu)的新一代設(shè)計(jì)工具和集成開發(fā)環(huán)境 （IDE） 可實(shí)現(xiàn)更快的開發(fā)、更高質(zhì)量的代碼和更高效的調(diào)試，從而更快、更可靠地將項(xiàng)目推向市場。這會(huì)影響微控制器架構(gòu)的選擇。

　　所有這些都是設(shè)計(jì)人員在開發(fā)智能電源系統(tǒng)時(shí)所面臨的平衡，實(shí)現(xiàn)智能電源的方法有多種，反映了電源和成本的嚴(yán)格設(shè)計(jì)約束。使用 32 位控制器（通常圍繞 ARM 的功率優(yōu)化 Cortex-M3 內(nèi)核）的系統(tǒng)越來越普遍。

　　挪威初創(chuàng)公司 Energy Micro 使用 ARM Cortex M3 內(nèi)核開發(fā)了市場上能耗最低的微控制器，允許長期使用電池，甚至可以從能量收集中獲取電力。

　　EFM32G210F128 ‘壁虎’采用低能耗設(shè)計(jì)，從節(jié)能模式喚醒時(shí)間短，并提供多種外圍設(shè)備來控制智能電源設(shè)備。該控制器系列針對(duì)用于管理智能電力網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的電池供電應(yīng)用。

　　芯片的核心是能量管理單元 （EMU），它處理所有低能量模式、打開和關(guān)閉外設(shè)，以及關(guān)閉未使用的 SRAM 塊的電源，從而將功耗降低到僅 20 nA 的水平。 3 V 關(guān)斷模式。有一個(gè) 0.9 μA 深度睡眠模式，它支持具有 32.768 kHz 振蕩器的實(shí)時(shí)時(shí)鐘、上電復(fù)位、欠壓檢測器、RAM 和 CPU 保持在 3 V 運(yùn)行模式下上升到 180 μA/MHz，代碼從閃存執(zhí)行。

　　EMU 使用專門開發(fā)的時(shí)鐘管理單元 （CMU），它允許軟件管理外圍模塊上的各個(gè)時(shí)鐘，即使在不使用時(shí)也會(huì)消耗大量功率。

　　Energy Micro 還開發(fā)了一種外圍反射系統(tǒng) （PRS），它可以讓不同的外圍模塊直接通信，而不涉及 CPU。發(fā)出反射信號(hào)的外圍模塊稱為生產(chǎn)者，PRS 將這些反射信號(hào)路由到消費(fèi)者外圍設(shè)備，這些外圍設(shè)備根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)應(yīng)用操作。

　　它還通過低功耗 UART 使其 Gecko 微控制器與眾不同，該 UART 允許在嚴(yán)格的功率預(yù)算下以 9600 位/秒的速度從單個(gè) 32.768 kHz 時(shí)鐘進(jìn)行雙向 UART 通信。類似地，當(dāng)大部分器件斷電時(shí)，可以使用低功耗 16 位定時(shí)器 （LETIMER），允許執(zhí)行簡單的任務(wù)，同時(shí)將系統(tǒng)的功耗保持在絕對(duì)最小值。LETIMER 可用于以最少的軟件干預(yù)輸出各種波形。它還連接到實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)器 （RTC），并且可以配置為開始計(jì)數(shù)來自 RTC 的比較匹配。

　　德州儀器還在其Stellaris 1000中使用了 ARM Cortex M3 內(nèi)核微控制器系列，針對(duì)同樣的電池供電、注重成本的嵌入式智能電源應(yīng)用。LM3S1000 系列通過更大的片上存儲(chǔ)器、更好的電源管理以及更多的 I/O 和控制功能擴(kuò)展了該系列。

　　圖 2：TI 的智能電源實(shí)施。

　　LM3S1911微控制器面向工業(yè)應(yīng)用，包括遠(yuǎn)程監(jiān)控、電子銷售點(diǎn)機(jī)器、測試和測量設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和開關(guān)、工廠自動(dòng)化、HVAC 和樓宇控制、游戲設(shè)備、運(yùn)動(dòng)控制、醫(yī)療儀器和消防和安全。

　　它有一個(gè)電池支持的休眠模塊，可在長時(shí)間不活動(dòng)期間有效地將設(shè)備斷電至低功耗狀態(tài)。功能還包括上電/斷電序列器、連續(xù)時(shí)間計(jì)數(shù)器 （RTC）、一對(duì)匹配寄存器、系統(tǒng)總線的 APB 接口和專用非易失性存儲(chǔ)器。

　　圖 3：TI 的 Stellaris 1000 框圖。

　　它使用 ARM 16 位 Thumb-2 指令集將內(nèi)存需求減少到幾千字節(jié)，并使用 50 MHz 內(nèi)核和集成嵌套向量中斷控制器 （NVIC） 來提供確定性中斷處理。除了具有 8 個(gè)優(yōu)先級(jí)的 29 個(gè)中斷外，它還支持監(jiān)視應(yīng)用程序，而內(nèi)存保護(hù)單元 （MPU） 為受保護(hù)的操作系統(tǒng)功能和原子位操作或位帶提供特權(quán)模式，提供最大的內(nèi)存利用率和簡化的外圍設(shè)備控制，再次降低功率和成本。

　　為了鏈接到系統(tǒng)的其他部分，LM3S100 提供了三個(gè)完全可編程的 16C550 型 UART，支持 IrDA。它們具有單獨(dú)的 16 x 8 發(fā)送 （TX） 和接收 （RX） FIFO，以減少 CPU 中斷服務(wù)負(fù)載和可編程波特率發(fā)生器，允許速度高達(dá) 3.125 Mbit/s。可編程 FIFO 包括 1 字節(jié)深度操作以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的雙緩沖接口。

　　16 位未死

　　正如 ARM 的 Thumb-2 16 位指令集所示，緊湊代碼有優(yōu)勢(shì)，一些不同的架構(gòu)方法可以為智能電源設(shè)計(jì)帶來好處。Microchip 的16 位DSPIC33EP256MU80微控制器在 16 位內(nèi)核中添加了一個(gè)專用的 DSP 模塊，以 60 MIPS 的性能獲得類似的效果。

　　圖 4：Microchip 帶有 DSP 加速器的 16 位內(nèi)核。

　　它具有修改后的哈佛架構(gòu)，并且與 32 位和 Thumb-2 代碼一樣，在其 16 位寬的數(shù)據(jù)路徑和 24 位寬的執(zhí)行管道上使用具有優(yōu)化指令集的 C 編譯器。有 73 條基本指令，大多數(shù)指令的有效執(zhí)行吞吐量為每周期一條指令，以提供額外的性能。單周期 DSP MAC 模塊支持 11 條附加指令，帶有兩個(gè) 40 位累加器，具有舍入和飽和選項(xiàng)以及附加模塊和位反轉(zhuǎn)尋址模式。

　　一個(gè) 15 通道直接存儲(chǔ)器訪問 （DMA） 引擎提供與任何數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器位置之間的數(shù)據(jù)傳輸，具有高達(dá) 4 KB 的雙端口 DMA 緩沖區(qū)來存儲(chǔ)通過 DMA 傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。這在 CPU 執(zhí)行代碼時(shí)提供了 RAM 和外設(shè)之間的快速數(shù)據(jù)傳輸，而無需使用執(zhí)行內(nèi)核的周期，從而提高了性能并降低了功耗。

　　通信模塊包括一個(gè)雙重角色 USB v2.0 On-The-Go （OTG） 模塊，在低速 （1.5 Mbps） 和全速 （12 Mbps） 模式下是主機(jī)或外設(shè)。用于 USB 的高精度 PLL 支持多達(dá) 32 個(gè)端點(diǎn)（16 個(gè)雙向），USB 模塊可以使用設(shè)備上的任何 RAM 位置作為片上 USB 收發(fā)器的 USB 端點(diǎn)緩沖區(qū)或作為片外接口收發(fā)器。

　　8 位的生命也是

　　如此 即使 8 位內(nèi)核仍在有效使用。Silicon Labs 的 C8051F981-GM是一個(gè) 8 位流水線 8051 內(nèi)核，已針對(duì)極低功耗進(jìn)行了優(yōu)化，在 25 MHz 和 25 MIPS 時(shí)具有 1.8–3.6 V 的 150 μA/MHz 有效電流。憑借 2 μs 從睡眠喚醒和 1.5 μs 模擬建立時(shí)間，該設(shè)備可以快速準(zhǔn)備好進(jìn)行測量或連接到無線網(wǎng)絡(luò)。

　　圖 5：Silicon Labs 的 C8051 8 位流水線內(nèi)核。

　　該 ADC 在 12 位分辨率下提供 75 Ksamples/s 或在 10 個(gè)通道上提供 8 位分辨率下 330 Ksamples/s。該設(shè)備還包括一個(gè)內(nèi)置溫度傳感器。

　　彌合差距

　　飛思卡爾希望通過一系列具有通用外設(shè)和開發(fā)工具集的Flexis 器件來彌合 8 位和 32 位功能之間的差距，以提供遷移靈活性。QE 系列由引腳兼容的 8 位 SO8 和 32 位 ColdFire V1 器件二重奏組成，是 Flexis 系列中的第一個(gè)系列，包括其最低功耗的 MCU。這也是其他衍生低壓、低功耗 （LVLP） 器件的基礎(chǔ)。該系列特別針對(duì)需要較長電池壽命的消費(fèi)和工業(yè)應(yīng)用。

　　這MCF51QE128LH是一款基于 V1 ColdFire 指令集的 32 位控制器，它擴(kuò)展了 ColdFire 嵌入式控制器系列的低端，具有高達(dá) 128 KB 的閃存和一個(gè) 12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC），最多支持 24 個(gè)渠道。MCF51QE128 包括高達(dá) 3.6 V 的電源電壓、一個(gè) 50 MHz CPU 內(nèi)核和三個(gè)定時(shí)器，用于改進(jìn)工業(yè)設(shè)備的電機(jī)控制，包括智能電源、聯(lián)網(wǎng)煙霧探測器和安全攝像頭。

　　32 位 MCF51QE128 與 8 位S08QE128的引腳、外設(shè)和工具兼容設(shè)備，在整個(gè)性能范圍內(nèi)提供設(shè)計(jì)自由度。ColdFire 指令集修訂版 C （ISA_C） 提供附加指令以輕松處理 8 位和 16 位數(shù)據(jù)，并支持多達(dá) 256 個(gè)中斷/復(fù)位源，以實(shí)現(xiàn)軟件靈活性和實(shí)時(shí)應(yīng)用程序的優(yōu)化。

　　圖 6：飛思卡爾半導(dǎo)體的 MC51QE128 32 位控制器與 8 位版本兼容。

　　有兩種超低功耗 （ULP） 停止模式，一種允許有限使用外設(shè)，同時(shí)仍可在降低功耗的狀態(tài)下對(duì)應(yīng)用進(jìn)行采樣，從而延長電池壽命。還有一個(gè)新的 ULP 電源等待模式，其典型喚醒時(shí)間為 6 μs，以及一個(gè)超低功耗 OSC，可在低功耗模式下實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的時(shí)基。

　　有兩個(gè)模擬比較器可以選擇與內(nèi)部參考進(jìn)行比較。這意味著可以將輸出路由到定時(shí)器/脈沖寬度調(diào)制器 （PWM） 模塊作為輸入捕捉觸發(fā)器，只需要一個(gè)引腳用于輸入信號(hào)，并騰出更多引腳用于其他用途。模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 提供多達(dá) 24 個(gè)通道，具有 12 位分辨率和 2.5 μs 轉(zhuǎn)換時(shí)間，以及一個(gè) 1.7 mV/°C 的靈敏溫度傳感器。

　　這些能力來自使用晶體管的低功耗工藝，該工藝具有增加的溝道長度，從而減少了漏電流，從而降低了靜態(tài)功耗。用于構(gòu)建控制器的標(biāo)準(zhǔn)單元庫包括一個(gè)功耗僅為 500 nA 的超低功耗 （VLP） 振蕩器、一個(gè)支持低功耗運(yùn)行的低壓差待機(jī)穩(wěn)壓器以及一個(gè)僅需 6 μs 的喚醒模式，從之前的 110 μs 下降。這一切都意味著應(yīng)用程序可以喚醒、執(zhí)行任務(wù)并快速回到睡眠狀態(tài)以節(jié)省額外的電量。

　　用戶可選擇的外設(shè)時(shí)鐘門控可實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘樹的節(jié)能優(yōu)化，可消耗不同模塊使用的高達(dá) 40% 的功率，而自超時(shí)模塊 （SATO） 允許閃存長時(shí)間通電足以執(zhí)行讀取，結(jié)果被鎖存，然后自動(dòng)斷電。此過程會(huì)以非常低的 CPU 速率自動(dòng)啟動(dòng)，并在低頻下為閃存操作提供更好的電流。

　　結(jié)論

　　可用于智能電源等應(yīng)用的各種微控制器似乎令人眼花繚亂。但是，通過在功率預(yù)算內(nèi)選擇正確的外設(shè)和功能組合，有很多機(jī)會(huì)可以優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)低功耗。工藝技術(shù)和超低功耗電路設(shè)計(jì)的發(fā)展意味著許多設(shè)備現(xiàn)在可用于旨在擁有十年電池壽命甚至使用能量收集來消除維護(hù)成本的設(shè)計(jì)。隨著集成度的提高以降低物料清單的總體成本，智能電力系統(tǒng)的實(shí)施在幫助降低從工廠車間到企業(yè)的整個(gè)過程中變得可行。