嵌入式系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)關(guān)鍵要素

在嵌入式系統(tǒng)中，低功耗設(shè)計(jì)是在產(chǎn)品規(guī)劃以及設(shè)計(jì)過(guò)程中必須要面對(duì)的問(wèn)題。半導(dǎo)體芯片每18個(gè)月性能翻倍。但同時(shí)，電池的技術(shù)卻跟不上半導(dǎo)體的步伐，同體積的電池10年容量才能翻一倍。嵌入式系統(tǒng)對(duì)于使用時(shí)間以及待機(jī)時(shí)間的要求也越來(lái)越高，這就需要在設(shè)計(jì)產(chǎn)品的時(shí)候充分考慮到整個(gè)系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)。功耗控制是一個(gè)系統(tǒng)的工程，需要從低功耗的器件選型、硬件的低功耗設(shè)計(jì)與制造技術(shù)、軟件的低功耗優(yōu)化等多個(gè)方面來(lái)統(tǒng)籌考慮。作者就在潤(rùn)欣科技工作期間服務(wù)過(guò)的項(xiàng)目，總結(jié)從以上多個(gè)角度來(lái)闡述嵌入式系統(tǒng)中低功耗設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

低功耗器件選型

隨著半導(dǎo)體工藝的不斷發(fā)展，半導(dǎo)體的制造工藝也在不斷進(jìn)步，選用先進(jìn)工藝以及低功耗設(shè)計(jì)的元器件可以從源頭上降低整個(gè)系統(tǒng)的功耗。

1)主控芯片的選型要充分考慮到系統(tǒng)的使用場(chǎng)景，對(duì)于那些運(yùn)算任務(wù)比較多的應(yīng)用場(chǎng)景下，可以選用能耗比高的芯片來(lái)設(shè)計(jì)，比如像ambiq的Apollo系列芯片，該芯片采用具有的SPOT技術(shù)，芯片在亞閾值穩(wěn)定運(yùn)行，可減少能源消耗近13倍，實(shí)現(xiàn)的低功耗技術(shù)。

圖1 各廠家芯片ULPBench 1.0 Score

2)對(duì)于嵌入式系統(tǒng)，電源芯片對(duì)于低功耗設(shè)計(jì)是一個(gè)很重要的器件。電源芯片自身的功耗以及轉(zhuǎn)換效率在很大程度影響電池的使用時(shí)間。進(jìn)行低功耗的穩(wěn)壓，需采用低功耗的LDO或者DCDC芯片，如TI的TPS797系列，自身功耗僅1.2uA。

3)在滿足功能需求的情況下，盡量選用帶觸發(fā)輸出功能外部器件而非需要輪詢(xún)的外部器件，這樣可以減少的運(yùn)行時(shí)間，平時(shí)MCU可以一直處于睡眠狀態(tài)下，在滿足觸發(fā)條件時(shí)有外部器件通過(guò)中斷喚醒MCU工作。

硬件的低功耗設(shè)計(jì)與制造技術(shù)

硬件設(shè)計(jì)對(duì)于嵌入式系統(tǒng)的功耗也有著至關(guān)重要的因素。

1)對(duì)外圍元器件的電源控制，采用帶關(guān)斷功能的器件，對(duì)于那些進(jìn)入低功耗模式下不需要工作的外設(shè)，可以使用MOS管電路配合MCU控制對(duì)局部的電路進(jìn)行電源管理。在該設(shè)備不需要工作時(shí)，盡量關(guān)斷該部分電源，以達(dá)到更低的功耗。

2)多級(jí)電壓設(shè)計(jì)，電壓和功耗有著密切的聯(lián)系。因此功耗的降低可以考慮對(duì)于不同的電路模塊，使用不同的電壓等級(jí)，可以采用DVFS動(dòng)態(tài)電壓頻率技術(shù)，通過(guò)將不同電路模塊的工作電壓及工作頻率降低到恰好滿足系統(tǒng)要求，來(lái)實(shí)時(shí)降低系統(tǒng)中不同電路模塊功耗的方法。

3)硬件設(shè)計(jì)對(duì)于MCU的每個(gè)IO口都要避免IO口漏電流。當(dāng)外設(shè)掉電時(shí)，IO口仍然會(huì)有潛在的電源輸出，所以IO口需要默認(rèn)配置成低電平或者高電平狀態(tài)，避免漏電流。

軟件對(duì)于系統(tǒng)功耗的優(yōu)化

軟件對(duì)功耗的優(yōu)化涉及到多個(gè)層次和方面。

1)適當(dāng)?shù)慕档虲PU的運(yùn)行頻率，降低MCU的運(yùn)行速度，可以有效的降低運(yùn)行時(shí)需要消耗的電流，芯片的功耗和主頻是線性的關(guān)系，更高的時(shí)鐘頻率意味著更快的MCU運(yùn)行速度，那么MCU內(nèi)部CMOS電路就更快的開(kāi)關(guān)頻率，導(dǎo)致更高的運(yùn)行電流和待機(jī)電流。

2)合理的使用MCU的待機(jī)模式，在當(dāng)前沒(méi)有任務(wù)需要處理時(shí)，將MCU進(jìn)入到低功耗的睡眠模式。對(duì)于使用的嵌入式產(chǎn)品，一般都是在idle空閑任務(wù)中進(jìn)入睡眠模式，但是為了進(jìn)一步降低功耗，實(shí)現(xiàn)低功耗設(shè)計(jì)，我們還不能直接把睡眠或者停機(jī)模式直接放在空閑任務(wù)就可以了，需要設(shè)計(jì)一種更先進(jìn)的休眠機(jī)制，比如在freertos操作系統(tǒng)中使用tickless 低功耗機(jī)制，進(jìn)入空閑任務(wù)后，首先要計(jì)算可以執(zhí)行低功耗的時(shí)間，也就是求出下一個(gè)要執(zhí)行的高優(yōu)先級(jí)任務(wù)還剩多少時(shí)間。然后就是把低功耗的喚醒時(shí)間設(shè)置為這個(gè)求出的時(shí)間，到時(shí)間后系統(tǒng)會(huì)從低功耗模式被喚醒，繼續(xù)執(zhí)行多任務(wù)。

3)關(guān)注每一個(gè)GPIO口電平狀態(tài)，在進(jìn)入睡眠之前配置所有的GPIO口到高電平或者低電平以降低漏電流。對(duì)于外掛的傳感器以及外圍設(shè)備，也需要在進(jìn)入睡眠之前配置其功耗模式以降低消耗的電流。

4)合理關(guān)閉MCU內(nèi)部模塊，對(duì)于在Deep Sleep模式下不需要工作的內(nèi)部模塊都要關(guān)閉時(shí)鐘以及電源以節(jié)省功耗，同時(shí)要重點(diǎn)關(guān)注模擬IO口，模擬功能一般是耗電大戶，在AD/DA功能不使用的時(shí)候盡快關(guān)閉，減小使用模擬功能的時(shí)間。此外，芯片內(nèi)部SRAM由于需要不停的刷新，在睡眠模式下也需要消耗一定的電流，可以配置部分SRAM在睡眠模式下保持刷新降低功耗。

5)對(duì)于包含有無(wú)線功能的芯片，配置合理的待機(jī)參數(shù)以降低功耗。如比對(duì)于BLE芯片CSR1010，在進(jìn)行BLE的廣播模式下，60ms的廣播間隔的待機(jī)電流時(shí)394A，如果將廣播時(shí)間增大到1.28S，則待機(jī)電流降低到28A。對(duì)于wifi芯片，比如高通QCA4004芯片，在DTIM1情況下對(duì)應(yīng)功耗是1.5mA，在DTIM10情況下則降低到334A。

總結(jié)

嵌入式系統(tǒng)低功耗需要綜合考慮各種可能的因素、條件和狀態(tài)，需要對(duì)各種細(xì)節(jié)進(jìn)行認(rèn)真的斟酌和分析，需要對(duì)各種可能的方案和方法進(jìn)行計(jì)算和分析，盡的努力優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng)的功耗，達(dá)到節(jié)省電能的目的。