低功耗無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)

利用功耗模式的優(yōu)勢(shì)
接下來(lái)，考慮一種具有代表性的情形，在這種情況下，選擇不同單片機(jī)功耗模式對(duì)系統(tǒng)所用總功率有巨大影響。以基本遠(yuǎn)程溫度傳感器為例，該應(yīng)用收集較長(zhǎng)時(shí)間段內(nèi)的數(shù)據(jù)，可能運(yùn)用較為成熟的噪聲濾波算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后將單片機(jī)重新置于待機(jī)模式，直到需要更多采樣測(cè)量為止。它還采用無(wú)線(xiàn)射頻（RF）傳輸方式將溫度信息報(bào)告給中央控制臺(tái)。

對(duì)溫度進(jìn)行采樣需要使用MCU的片上模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），并且僅需適當(dāng)?shù)奶幚砟芰?。在噪聲濾波階段，單片機(jī)必須采用處理能力較高的模式來(lái)計(jì)算高級(jí)濾波算法，并盡快將結(jié)果存回存儲(chǔ)器。因此，單片機(jī)運(yùn)行并消耗功率的總時(shí)間縮短了。

每隔一段預(yù)定的時(shí)間間隔，單片機(jī)就會(huì)組合所有的采樣結(jié)果并采用RF收發(fā)器設(shè)備發(fā)送至中央控制臺(tái)。需要精確時(shí)序來(lái)確保無(wú)線(xiàn)傳感器在預(yù)先分配的時(shí)隙內(nèi)發(fā)送這一信息，從而允許同一系統(tǒng)中的多個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)協(xié)同工作。

我們?nèi)绾喂芾韱拘烟幚砥鞯念l率呢？通過(guò)配合使用定時(shí)器外設(shè)和集成32 kHz振蕩器電路，單片機(jī)能很精確地每秒產(chǎn)生一次中斷，從而保證喚醒時(shí)間準(zhǔn)確。此中斷事件還可以使單片機(jī)按預(yù)定的時(shí)間表向采樣緩沖區(qū)填充溫度數(shù)據(jù)。

單片機(jī)填充完溫度采樣緩沖區(qū)后，它將切換至處理器速度較高的模式，完成較為成熟的噪聲濾波算法計(jì)算，然后盡快返回休眠模式，以縮短工作時(shí)間。單片機(jī)采用同樣的實(shí)時(shí)時(shí)鐘功能來(lái)決定將捕捉到的采樣數(shù)據(jù)發(fā)送回中央控制臺(tái)的時(shí)間。確定單片機(jī)的最優(yōu)功耗模式以使總電流消耗最低取決于多個(gè)因素，下文將對(duì)此進(jìn)行討論。

在低功耗應(yīng)用中優(yōu)化功耗
要使總功耗最低，僅選擇單片機(jī)功耗最低的模式是不夠的。我們還必須確定單片機(jī)需要完成的每個(gè)任務(wù)的工作量——例如，采樣外部溫度傳感器。一旦確定每個(gè)任務(wù)的性能需求，我們還必須確定每個(gè)任務(wù)的最優(yōu)能源利用率。對(duì)于前面提到的公式：能量=時(shí)間×電壓×電流，由于系統(tǒng)總體需求和實(shí)際電源決定電壓值，因此我們通常無(wú)法改變公式中的電壓，這樣我們只能操作兩個(gè)參數(shù)：時(shí)間和電流。我們需要權(quán)衡單片機(jī)的工作時(shí)間和電流消耗。下面將探討在執(zhí)行上述分析時(shí)要切記的一些特定于單片機(jī)的參數(shù)。

處理器喚醒
將單片機(jī)置于低功耗模式后，有一些外部源可將其喚醒。喚醒事件可通過(guò)USB事件、實(shí)時(shí)時(shí)鐘事件，甚至是I/O引腳上的外部觸發(fā)信號(hào)發(fā)生。單片機(jī)從低功耗“休眠”模式喚醒并開(kāi)始執(zhí)行代碼的時(shí)間非常重要。通常，我們努力使這個(gè)時(shí)間盡可能短，這也是我們之所以要在“休眠”和“深度休眠”工作模式之間選擇的原因。若每秒喚醒一次單片機(jī)，由于從“休眠”模式喚醒時(shí)，單片機(jī)可在10μs內(nèi)開(kāi)始執(zhí)行代碼，而無(wú)須首先初始化任何軟件存儲(chǔ)單元，因而該模式可能是最優(yōu)選擇。若單片機(jī)處于低功耗狀態(tài)的時(shí)間較長(zhǎng)——例如，數(shù)分鐘甚至數(shù)小時(shí)才喚醒一次，則“深度休眠”模式可能是最優(yōu)選擇。關(guān)鍵是要使單片機(jī)的總電流消耗最小。如果單片機(jī)處于低功耗關(guān)斷模式的時(shí)間較長(zhǎng)，那么300μs 的喚醒時(shí)間與數(shù)分鐘或數(shù)小時(shí)的深度休眠時(shí)間相比就微不足道了。

系統(tǒng)級(jí)喚醒事件的另一個(gè)絕佳示例，可采用通過(guò)串行接口連接到處理器的外部RF芯片進(jìn)行演示。不使用處理器時(shí)，可將其置于某個(gè)低功耗狀態(tài)下，僅保持RF芯片運(yùn)行。由于新一代RF芯片的邏輯僅負(fù)責(zé)查找進(jìn)入的RF數(shù)據(jù)包，因此在工作狀態(tài)下消耗的電流很小。一旦接收到與所分配給該單元的地址相關(guān)的有效數(shù)據(jù)包，就將喚醒單片機(jī)開(kāi)始處理信息。此類(lèi)功耗模式機(jī)制較常用于基于射頻網(wǎng)絡(luò)的解決方案中，諸如那些基于ZigBee無(wú)線(xiàn)協(xié)議的解決方案。

時(shí)鐘頻率
單片機(jī)從外部或內(nèi)部時(shí)鐘源獲取系統(tǒng)時(shí)鐘頻率。單片機(jī)采用該時(shí)鐘頻率并將其分頻以得到應(yīng)用程序軟件所需的工作時(shí)鐘頻率。較低的頻率通常等同于較低的功耗。有時(shí)，單片機(jī)還可以采用鎖相環(huán)將外部時(shí)鐘頻率倍頻。外部時(shí)鐘信號(hào)通常來(lái)自晶振或稱(chēng)為晶體振蕩器。

當(dāng)器件進(jìn)入低功耗模式時(shí)，單片機(jī)還可以禁止輸入晶體放大器電路，這樣也許可節(jié)省幾毫安的電流，但會(huì)以恢復(fù)正常工作狀態(tài)時(shí)延長(zhǎng)振蕩器的導(dǎo)通時(shí)間（由于外部晶振的起振延時(shí)）為代價(jià)。然而，有些單片機(jī)具有采用雙速啟動(dòng)模式的能力，在這種模式下，單片機(jī)將使用內(nèi)部振蕩器立即開(kāi)始運(yùn)行，并在更精確的外部時(shí)鐘源有足夠時(shí)間穩(wěn)定后，自動(dòng)切換至外部時(shí)鐘源。

單片機(jī)控制自身時(shí)鐘頻率的能力允許軟件工程師在保證總電流消耗最少的情況下，選擇適合于特定任務(wù)的時(shí)鐘速度。因此，工程師需要評(píng)估能量公式中的時(shí)間×電流元素，以確定哪種方案比較好：在較短時(shí)間段內(nèi)全速運(yùn)行，在較長(zhǎng)時(shí)間段內(nèi)較慢運(yùn)行，或者選個(gè)中間速度。