低功耗MCU的选择

2018-01-20威海职业学院孔宪青

河北农机 2017年12期

威海职业学院孔宪青

引言

产品设计的重要一环就是单片机的低功耗模式，是可穿戴设备、医疗设备、手持设备等电池供电的产品中的重要性能指标。现阶段，很多厂商提供了多样的MCU低功耗处理方法。本文以低功耗为切入，阐述对MCU的选择。

1 低功耗模式

低功耗模式是指设备正常工作的前提下，通过关闭外设和内核部分，使MCU在总体电量不变的条件下能更长时间的工作。1996年出现的16位MSP430系列通过关闭CPU、倍频环、数字时钟发生器、振荡器而组合出五种低功耗模式，LPM4模式下供电电流可以低到0.1uA。但随着产品性能的日益要求，32位MCU出现并进入低功耗领域，出现了ARM架构的Cortex-M0的低功耗内核。图1是MSP30G2553和STM32F011的部分时钟树的对比。

图1 MSP430G2553和STM32L011的部分时钟树

可以看出，后者对外设的频率控制更精细，既能获得32位性能又能获得更好的功耗控制。其Cortex-M0+系列的外部高速时钟晶振预分频为AHB，然后再分解为APBx，对于外设的控制比MSP430系列有更多选择。时钟是启动外设和给电的源头，因此通过APBx有更多不同分频以供不同外设而达到最优的功耗。而MSP430G2553只有MCLK分解的SMCLK和ACLK可用，也就是达不到精准控制外设时钟的目的，也不能精准控制外设功耗。总之，低功耗模式就是精准的控制时钟及其分频，以达到降低外设功耗的目的。

2 MCU的选择

现阶段，低功耗 MCU百花齐放。TI、ST、NXP、Atmel等公司都提供了大量的可供选择的芯片。从低功耗方面，通过几种类型的芯片进行对比，部分参数见表1。

对比发现，ARM架构三内核性能的排序为CM3＞CM0+＞CM0，运行功耗的排序为CM3＞CM0＞CM0+，即CM0+内核的能效高于CM0，运算性能仅次于CM3，但CM0+比CM3价格低，中断响应却更快，故CM0+更适合应用于低成本低功耗的产品。那些对功耗要求苛刻、运算处理复杂、且需控制成本的设备选择Cortex-M0+内核的MCU最为合适。这样的主流芯片有ST公司的L0系列，NXP公司的LPC800系列，Atmel公司的SAML2系列等。其中STM32L0系列有三条主要的产品线，差异在于不同的外设模块，如USB控制器、LCD控制器和DAC。恰当地选用有助于减少外部芯片的数量，降低系统成本和功耗。因此，片上集成资源的数量、种类、性能和功耗，也是决定MCU选型的重要参考因素。

3 低功耗设计的其他注意及总结

除了选择合适的低功耗MCU之外，还要考虑影响功耗的其他方面：（1）尽量选择32位高线宽MCU，高密度指令可能是低位宽的几条指令之和，可有效降低指令能耗；（2）随时关频及时掐死外设，这是低功耗实现主要方式；（3）时钟不要倍频，尽管高频运行可降低任务执行时间，但频率越高能耗越高；（4）针对特定的任务合理搭配时钟频率，迅速完成以争取更多的休眠时间；（5）恰当的休眠模式和休眠时间；（6）中断的唤醒和低功耗的回归都应迅速，休眠保证了低功耗，但也务求迅速唤醒，以最低功耗完成工作后，再以最快速度回归休眠状态；（7）优化任务的时间片，将平均功耗降到最低，使用事件触发状态机模式编程；（8）内外部上下拉IO口可能造成涓涓细流，仔细检查IO口高阻态以避免能耗浪费；（9）如果不能避免IO设置为上下拉，就要避免IO与外设形成持续的电流回环，最差也在进入MCU睡眠模式之前，根据外设情况设置最小电流回路。