根據(jù)數(shù)值選擇低功耗單片機

　　根據(jù)數(shù)據(jù)手冊列出的電流消耗規(guī)格來比較和選擇低功耗單片機(MCU)是一項比較困難的任務(wù)。在大多數(shù)情況下，選擇MCU的開發(fā)人員會先初步看看數(shù)據(jù)手冊第一頁，作為快速獲得器件信息的參考點，其中包括外設(shè)、運行速度、封裝信息、GPIO引腳數(shù)量和供電特性等。這種方法對于獲得器件的整體性能很有效，但是在評估低功耗特性時卻不實用。

　　為了對低功耗操作有全面了解，開發(fā)人員還要考慮電流消耗、狀態(tài)保持、喚醒時間、喚醒源，以及低功耗模式下可運行的外設(shè)等。開發(fā)人員在相同操作模式下對比同類低功耗MCU，以獲得客觀的逐項比較結(jié)果。另外，易用的評估工具也非常重要，因為能評估整體系統(tǒng)功耗的額外功能和外設(shè)，使工程師的工作更加容易。

　　MCU供應(yīng)商通常會在數(shù)據(jù)手冊第一頁列出最低功耗值。雖然器件可能實現(xiàn)數(shù)據(jù)手冊中提到的規(guī)格，但是實際的操作模式可能在應(yīng)用中不一致。某些不利的低功耗特性并未列出，包括極慢的喚醒時間、無狀態(tài)保持或RAM保持功能，或者操作電壓范圍縮小。為了深入了解各種低功耗特性，開發(fā)人員需定義相同的操作模式，其中包括兩部分：電氣規(guī)格和低功耗功能。

　　電氣規(guī)格比較

　　電氣性能規(guī)格羅列在數(shù)據(jù)手冊中，通過仔細研究才能判斷哪種規(guī)格更加重要。通常電氣規(guī)范依據(jù)供應(yīng)商定義的電源模式組織分類，這將使評估更加困難，因為需要熟悉每種電源模式的功能。一般情況下，定義一系列操作條件并對應(yīng)到一種電源模式更有意義。例如，開發(fā)人員可能會定義下面一組操作條件：

　　· 狀態(tài)保持和RAM保持條件下的休眠模式電流消耗

　　o 所有其他外設(shè)禁用

　　· RTC啟用且狀態(tài)保持和RAM保持條件下的休眠模式電流消耗

　　o RTC啟用，所有其他外設(shè)禁用

　　· 喚醒時間

　　· 供電電壓范圍

　　一旦操作條件有明確的定義，那么就很容易判定屬于何種電源模式。

　　額外的低功耗特性

　　第二部分是低功耗特性，這在供應(yīng)商文檔中很難找到，其散布在數(shù)據(jù)手冊和參考手冊中。低功耗功能的示例包括：

　　· 可用的喚醒源。

　　· 如何恢復(fù)代碼執(zhí)行。

　　· 在休眠模式下可操作的外設(shè)。

　　一旦相同的操作模式明確定義，開發(fā)人員可以開始研究文檔中的更多細節(jié)。

　　經(jīng)過收集數(shù)據(jù)的過程之后，還可以通過MCU相關(guān)的特性針對應(yīng)用進一步降低功耗。這些特性優(yōu)化可以減少BOM成本、提供更長的產(chǎn)品生命周期或者提供更好的設(shè)計靈活性。例如，片上DC-DC轉(zhuǎn)換器能夠有效為系統(tǒng)提供電能，從而減少功耗，并且允許使用更小的電池、降低整體BOM成本，或者提高功率預(yù)算的靈活性。多種喚醒源可以提升設(shè)計靈活性，允許MCU盡量停留在最低功耗模式，進一步降低應(yīng)用的平均電流消耗。

　　開發(fā)人員的另一種優(yōu)化方式是允許固件改變片內(nèi)電源電壓范圍。當MCU在低頻率下運行時，可以減少供電電壓，從而節(jié)省功耗?？蛇x的時鐘門控使硬件模塊與活動電路斷開連接，從而避免不工作的外設(shè)消耗電能。以上特性沒有列舉在衡量低功耗MCU的供電電流規(guī)格中，但其實是實現(xiàn)最低整體系統(tǒng)功耗的關(guān)鍵。

　　使用工具降低設(shè)計復(fù)雜度

　　為實現(xiàn)最低功耗，MCU具有越來越高的配置度，但是也導(dǎo)致設(shè)計越來越復(fù)雜。為了應(yīng)對增加的復(fù)雜性，開發(fā)人員應(yīng)當關(guān)注MCU的評估平臺和易于實現(xiàn)的解決方案。例如，用于編程MCU的開發(fā)板和軟件工具應(yīng)當是直觀和方便使用的。使用不便的硬件將增加固件開發(fā)難度。而從固件的角度來看，MCU供應(yīng)商應(yīng)該提供可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)手冊上規(guī)格的固件示例。如果列舉的電流消耗規(guī)格無法在評估板上實現(xiàn)，那在定制的硬件上配置MCU來獲得這些數(shù)據(jù)更加困難。為客戶提供可用于代碼開發(fā)起點的各種代碼示例能夠幫助工程師更好的學(xué)習(xí)如何使用器件，并加快產(chǎn)品上市時間。

　　圖形化配置工具能夠輔助開發(fā)，幫助開發(fā)人員更深入的理解MCU。在開發(fā)低功耗應(yīng)用時，需要了解整體功耗的分布。只有熟悉這些信息，才能明確哪些設(shè)計可以進一步優(yōu)化，也能更好理解整體架構(gòu)。理想情況下，低功耗配置工具能夠給出進一步降低功耗的提示，也包括配置過程中檢測到的任何配置錯誤。例如，Silicon Labs AppBuilder圖形配置工具中的功耗評估器能夠顯示提供配置指導(dǎo)的功耗提示，并且也提供功耗預(yù)算的餅圖，顯示有多少電能消耗，以及哪些外設(shè)正消耗電能;當配置更改時，餅圖將自動更新。

　　圖1. 功耗評估器幫助開發(fā)人員獲得最低功耗

　　為了簡化MCU的比較過程，下表中列出幾種常見操作模式，以及Silicon Labs基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的SiM3L1xx MCU系列產(chǎn)品可提供的系統(tǒng)級優(yōu)化功能和開發(fā)工具。

　　小結(jié)

　　為低功耗應(yīng)用評估和選擇MCU，僅了解數(shù)據(jù)手冊第一頁是遠遠不夠的。開發(fā)人員深入分析器件的供電電流規(guī)格，由此決定哪個MCU可提供最低整體系統(tǒng)功耗，以及減少整體電源電流的系統(tǒng)級優(yōu)化功能。

　　通常各個MCU供應(yīng)商指定的操作條件不同，在一些情況下，列出的低功耗數(shù)據(jù)僅出現(xiàn)在不實用的模式中。在相同操作模式下對比MCU將避免開發(fā)人員被供應(yīng)商宣稱的超低功耗數(shù)據(jù)所誤解。

　　一旦理解和確定器件的電氣特性，開發(fā)人員還應(yīng)關(guān)注合適的評估平臺和軟件工具。MCU的選擇過程中需要考慮以上因素，因為這對于工程團隊的快速運作非常重要。

　　Silicon Labs公司單片機產(chǎn)品經(jīng)理Evan Schulz

　　Evan Schulz是Silicon Labs公司單片機產(chǎn)品經(jīng)理，專注于公司的32位單片機系列產(chǎn)品，此前擔任公司MCU團隊應(yīng)用工程師。Evan先生于2008年作為助理應(yīng)用工程師加入Silicon Labs公司。他擁有德克薩斯州大學(xué)奧斯汀分校的電機工程學(xué)士學(xué)位。