在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中，電池續(xù)航時間是至關(guān)重要的考慮因素，尤其是在遠程監(jiān)測、穿戴設(shè)備、智能家居傳感器等應(yīng)用中。小華半導體的MCU提供了多種低功耗模式如深度睡眠、待機模式等，這些模式能夠幫助減少功耗并延長電池使用壽命。關(guān)鍵在于如何根據(jù)應(yīng)用需求有效地選擇和切換低功耗模式，以平衡設(shè)備的響應(yīng)時間和功耗。

1. 小華半導體MCU的低功耗模式概述

小華半導體的MCU通常提供多個低功耗模式，主要包括：

1.1 待機模式

特點：MCU進入待機模式時，CPU停止工作，但外設(shè)和系統(tǒng)時鐘仍然保持活躍。通常用于短時間不需要高性能的任務(wù)。

應(yīng)用場景：當設(shè)備處于空閑狀態(tài)時，可以使用待機模式，等待下次傳感器采集或通信事件。

1.2 睡眠模式

特點：在睡眠模式下，CPU停止工作，時鐘可能會停止或降低頻率，部分外設(shè)(如定時器、看門狗等)仍然工作。此模式比待機模式更省電，但喚醒時間較長。

應(yīng)用場景：適用于需要較長時間處于低功耗狀態(tài)，且對響應(yīng)時間要求較低的應(yīng)用，如環(huán)境監(jiān)測傳感器。

1.3 深度睡眠模式

特點：這是最節(jié)能的模式，除非有外部中斷或特定事件觸發(fā)，幾乎所有的外設(shè)都停止工作，MCU進入非常低的功耗狀態(tài)。此時，CPU、外設(shè)甚至部分時鐘都可以被關(guān)閉。

應(yīng)用場景：適用于不需要頻繁響應(yīng)外部事件的應(yīng)用，如溫度傳感器或空氣質(zhì)量傳感器的長期監(jiān)控。

1.4 停止模式

特點：在停止模式下，CPU和大多數(shù)外設(shè)都停止運行，只有極少數(shù)外設(shè)(如RTC、外部中斷)會保持激活狀態(tài)。系統(tǒng)的功耗極低，但喚醒時間相對較長。

應(yīng)用場景：適用于設(shè)備長時間不活動但偶爾需要喚醒執(zhí)行任務(wù)的場景，比如定時數(shù)據(jù)采集的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。

1.5 休眠模式

特點：除了外部喚醒源例如，按鍵、定時器中斷等外，幾乎所有功能模塊都關(guān)閉，系統(tǒng)的功耗降到最低。設(shè)備從此模式喚醒的時間通常較長。

應(yīng)用場景：適用于對響應(yīng)時間不敏感的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，設(shè)備長時間處于低功耗待機模式，等待外部事件觸發(fā)。

低功耗模式實驗

探索低功耗模式的最佳方法是選擇一個微控制器并以各種低功耗模式實際運行該處理器。本文中，我決定翻出積塵已久的NXP Kinetis-L Freedom電路板，我曾經(jīng)不僅用它進行過實驗，而且還應(yīng)用于許多產(chǎn)品、應(yīng)用和課程。無論對錯，我決定不僅要測量微控制器的能耗，還要測量整個開發(fā)板的能耗。MCU通常是電路板上的耗能大戶之一，但測量整個系統(tǒng)的電流經(jīng)常提醒我它并不是電路板上唯一的耗電器件。微控制器的優(yōu)化長路迢迢，但其實它并不是唯一需要優(yōu)化能耗的器件。

從基線測量開始

每當我努力優(yōu)化一個產(chǎn)品的能耗時，我首先會從基線能量測量開始。通常我會通過分析幾秒或幾分鐘內(nèi)設(shè)備的電流消耗來了解應(yīng)該從哪里開始。在我的開發(fā)板實驗中，將Kinetis-L置于運行模式，無睡眠模式，所有外設(shè)均運行并設(shè)置電路板定期切換LED。通過采用IAR嵌入式工作臺的I-Jet調(diào)試器以及I-Scope，我可以為該電路板配置一個簡單基線，即LED關(guān)閉時電流消耗大約為16.9mA，LED打開時大約為18.0mA，如圖1所示。顯然，從哪里開始進行測量很重要，否則分析結(jié)果可能明顯偏離。

圖1：開發(fā)板的電流測量，LED每秒切換一次。

采用等待模式和深度睡眠模式優(yōu)化能耗

節(jié)省能耗最快的方法是執(zhí)行等待或深度睡眠模式。研究Kinetis-L處理器的數(shù)據(jù)表可以得出，等待模式的能耗在3伏電壓下的電流介于3.7和5.0mA之間。在此模式下，CPU和外設(shè)時鐘被禁用，而閃存處于休眠模式，此時允許處理器在中斷時間范圍內(nèi)(12-15個時鐘周期)仍然可以被喚醒。等待模式易于實現(xiàn)，設(shè)置進入等待模式的代碼如下所示：

void Sleep_Wait(void)

{

SCB_SCR &=~ SCB_SCR_SLEEPDEEP_MASK;

asm(“WFI”);

}

只需這兩行代碼，開發(fā)板的電流消耗就從18.0mA降至15.9mA。電流消耗減少了11.6%!如果電路板由680mA電池供電，則該設(shè)備的電池壽命將從37.8小時變?yōu)?2.8小時!兩行代碼就可以將電池壽命延長五小時!

這些高級電源模式的好處在于我們可以輕松地再向前邁一步。我們可以使用以下代碼將處理器置于深度睡眠等待模式，而不僅僅是等待模式：

void Sleep_Deep(void)

{

SCB_SCR |= SCB_SCR_SLEEPDEEP_MASK;

asm(“WFI”);

}

我們所做的僅僅是調(diào)整了SCB_SCR寄存器中的一位，就已經(jīng)將最初的18mA電流消耗減少為14.8mA。電流消耗減少了17.8%!同樣，假設(shè)電路板由680mA電池供電，電池壽命現(xiàn)在已經(jīng)從37.8小時增長為46小時!只需幾行代碼就可以節(jié)省大量能耗，而這只是冰山一角!

利用Stop模式和VLLS模式實現(xiàn)微安級電流消耗

采用停止模式可以禁用內(nèi)核和系統(tǒng)時鐘，這有可能將MCU電流消耗再進一步降低兩毫安。你會發(fā)現(xiàn)，功耗模式越低，實現(xiàn)它所需的代碼就越多，而喚醒系統(tǒng)恢復工作的代碼就越復雜。令Kinetis-L進入停止模式的代碼如下所示：

void Sleep_Stop(void)

{

volatile unsigned int dummyread = 0;

SMC_PMCTRL &=~ SMC_PMCTRL_STOPM_MASK;

SMC_PMCTRL |= SMC_PMCTRL_STOPM(0);

dummyread = SMC_PMCTRL;

Sleep_Deep();

}

請注意，停止模式通過電源管理控制寄存器控制，一旦狀態(tài)被設(shè)置，就會調(diào)用Sleep_Deep函數(shù)來完成電源模式的設(shè)置并執(zhí)行WFI。

到目前為止，我們一直在談?wù)?~2mA的MCU能耗。現(xiàn)代微控制器將提供僅消耗微安甚至毫微安的電源模式!Kinetis-L處理器于2013年左右首次亮相，其超低漏電停止(VLLS)模式僅耗能135至496微安!初始化此電源模式的代碼如下所示：

void Sleep_VLLS1(void)

{

volatile unsigned int dummyread = 0;

SMC_PMCTRL &=~ SMC_PMCTRL_STOPM_MASK;

SMC_PMCTRL |= SMC_PMCTRL_STOPM(0x4);

SMC_VLLSTRL = SMC_VLLSCTRL_LLSM(1);

dummyread = VLLS_CTRL;

Sleep_Deep();

}

講到這里，你會發(fā)現(xiàn)微控制器已經(jīng)幾乎不消耗任何能量了!

低功耗模式對喚醒延遲的影響

正如我們目前所看到的那樣，將處理器設(shè)置為越來越低的電源模式是節(jié)省能源的好方法，但這是需要付出代價的。處理器的能量狀態(tài)越低，喚醒處理器恢復工作所需的時間就越長。例如，如果我使用標準停止模式，則處理器被喚醒并再次開始執(zhí)行代碼需要2μs加上中斷延遲，這還可以接受。但是，如果在Kinetis-L上設(shè)置了其中一種VLLS模式，將需要啟動處理器的喚醒延遲再加上額外的53到115微秒!有些應(yīng)用可能無法接受這種狀況。圖2顯示了Kinetis-L從低功耗模式到運行狀態(tài)的各種轉(zhuǎn)換。

圖2：Kinetis-L從低功耗模式到各種模式的轉(zhuǎn)換時間。

?MCU低功耗模式?是指通過關(guān)閉或減少MCU(微控制器)在非工作狀態(tài)下的功耗，以延長設(shè)備的使用時間和電池壽命。MCU低功耗模式主要包括以下幾種：

?睡眠模式?：在這種模式下，CPU停止運行，但外設(shè)仍然保持活動。適用于短時間閑置狀態(tài)，功耗較低，喚醒速度快?12。

?停止模式?：在這種模式下，CPU和大部分外設(shè)停止工作，只有關(guān)鍵外設(shè)如RTC(實時時鐘)和外部中斷保持活動。適用于長時間休眠狀態(tài)，功耗更低，但喚醒時間較長?12。

?待機模式?：在這種模式下，所有時鐘和外設(shè)都停止工作，只有最基本的功能如看門狗或外部中斷可以繼續(xù)運行。功耗非常低，但喚醒時間較長?13。

不同低功耗模式的具體應(yīng)用場景和優(yōu)缺點

?睡眠模式?：適用于需要快速喚醒的應(yīng)用場景，如傳感器數(shù)據(jù)采集。優(yōu)點是喚醒速度快，缺點是功耗相對較高?12。

?停止模式?：適用于需要長時間休眠的應(yīng)用場景，如智能手表的待機狀態(tài)。優(yōu)點是功耗更低，缺點是喚醒時間較長?12。

?待機模式?：適用于需要極低功耗的應(yīng)用場景，如遠程監(jiān)控設(shè)備。優(yōu)點是功耗非常低，缺點是喚醒時間最長?13。

不同廠商的低功耗MCU產(chǎn)品及其特性

一些廠商如英飛凌和瑞薩推出了低功耗MCU產(chǎn)品。例如，英飛凌的AIROC CYW20829支持多種電源模式，包括深度睡眠模式，電流消耗僅為4.5μA(64 KB SRAM)，適用于藍牙5.4、低功耗音頻產(chǎn)品等應(yīng)用?4。

Arm微控制器都具有標準的低功耗模式，但每個芯片廠商都會定制開發(fā)人員可用的更多低功耗模式。正如我們所看到的，芯片供應(yīng)商通常會提供幾種容易實現(xiàn)的模式，對喚醒延遲的影響最小。他們還會提供幾種超低功耗模式，幾乎可以關(guān)閉處理器并且僅消耗幾百微安或更少能量!開發(fā)人員通常需要在能耗和系統(tǒng)被喚醒需要的時長以及響應(yīng)事件的速度之間進行權(quán)衡。而權(quán)衡一定是基于應(yīng)用的，所以不要指望能夠在每個產(chǎn)品和應(yīng)用上都執(zhí)行最低功耗模式。