如何延長微控制器設(shè)備的電池壽命

　　除了低功耗模式及時鐘管理以外，想要使功耗最小化還應(yīng)在設(shè)計時考慮許多硬件和軟件方面的因素。從硬件角度來看，控制好MCU內(nèi)外的外設(shè)功耗能夠在很大程度上降低整體功耗。

　　禁止片上外設(shè)使用MCU控制寄存器是一個很直接的方法，但該方法的效果可能沒有直接禁用MCU外部外設(shè)那么明顯。使用通用的I/O引腳，可以控制外部電路的功耗。

　　里程表例子中是通過速度傳感器來測量車輪的速度。這可以通過將LED和光傳感器安裝于車架上，并將槽盤安裝于車輪中來實現(xiàn)。持續(xù)工作的LED和光傳感器將會消耗大量的電流。而使用I/O引腳，使LED和光傳感器只在進行速度測量時工作，就將會大大降低電流。

　　當(dāng)前，分立元器件，如LED和光傳感器可以明顯地控制I/O，但僅限于能夠以類似模式控制的電路。如果這些器件需要的電流大于MCU能夠直接提供的電流，就可以使用緩沖器作為這些電路的電源開關(guān)。在某些情況下，將幾個I/O腳并聯(lián)在一起就能夠提供足夠的電流。

　　速度傳感器同樣有另一方法可以降低電流。如果持續(xù)讀取光傳感器來檢查光線是否穿過槽盤，那么MCU必須一直處于更高電流的工作模式。由于我 們所關(guān)心的僅僅是從亮到暗或從暗到亮的轉(zhuǎn)變點，因此可以使用中斷來代替持續(xù)輪詢。中斷使MCU進入一個低功耗的等待模式。MCU的計時器可以持續(xù)計數(shù)，并 且通過使用與光傳感器輸出相連的一個輸入捕捉特性，我們很容易就能夠測出速度傳感器的亮/暗時間，進而算出每分鐘轉(zhuǎn)速(RPM)。

　　如果配置不當(dāng)?shù)脑挘琈CU的I/O腳自身就會成為過載電流源。不用的引腳應(yīng)即時關(guān)閉，避免浮動輸入造成一個大的電流路徑。在使用采取多種封裝形式的MCU時，這一點常常會被忽略。

　　我們常常容易忘記最高引腳數(shù)版本的封裝中，可用引腳仍在較低引腳數(shù)版本的封裝硅片上。任何浮動的輸入引腳都會阻礙過載電流源電流的流出，在 某些情況下阻礙作用會高許多倍，如溫度變化的情況下。在這些情況下，應(yīng)啟動內(nèi)部上拉或者如果該引腳是I/O引腳，可將其配置成輸出引腳(如果該引腳驅(qū)動的 是開路，則與數(shù)據(jù)無關(guān))。

　　延長壽命的系統(tǒng)軟件策略

　　從軟件角度來看，有一些明顯的降低功耗的竅門。如前所述，保存能量的最佳方法就是盡可能長時間地處于最低功耗狀態(tài)。

　　由于在工作狀態(tài)下，CPU活躍地執(zhí)行各種指令，永遠不會處于最低功耗狀態(tài)中。因此，我們必須將CPU需要執(zhí)行的工作量最小化。這就應(yīng)該使CPU更快地完成其任務(wù)，讓MCU迅速返回低功耗模式中。

　　這兒有一些降低CPU工作時間的技巧。盡量使用最短的數(shù)據(jù)類型。當(dāng)寫入C代碼時，我們很容易忘記一點，即普通的整數(shù)常常被定義為16位或32位的數(shù)字，即使是在8位MCU的編譯器中亦是如此。

　　對于8位的器件，應(yīng)默認使用8位字符類型，除非必須使用更長的字節(jié)。即使字節(jié)長度需要更長，同樣可以通過將16位或32位數(shù)字分解成幾個8位片段，只在數(shù)據(jù)處理最后階段才將其連接起來的方法就可以降低代碼長度。

　　如果有額外的內(nèi)存來使用直接插入碼，就應(yīng)避免使用短循環(huán)或子程序調(diào)用。每個循環(huán)和子程序都會使用額外的CPU周期來確認循環(huán)是否完成，或者是將程序計數(shù)器推入堆棧和彈出堆棧。

　　如果你知道一個短循環(huán)只會執(zhí)行四次，那么就在一行之內(nèi)寫入四次相同的代碼，而避免使用for-next或while-loop循環(huán)語句。如果一個子程序只有10或20比特的代碼，考慮將其直接插入以取代使用子程序。在簡單的任務(wù)中，這種方法將大大降低CPU負載。

　　在適當(dāng)?shù)臅r候?qū)?shù)值預(yù)先計算好?；氐轿覀兊淖孕熊?yán)锍瘫砝又?，根?jù)主控制面板是與顯示器還是與速度傳感器進行對話，假設(shè)RF鏈路分別采用兩種波特率。當(dāng)寫入C代碼時，將實際波特率代替串行接口所需的實際預(yù)算數(shù)值傳輸給串行接口設(shè)置程序可能更好。

　　畢竟這會使代碼的可讀性更強些。但是，這同樣也導(dǎo)致串行接口程序不得不在波特率每次發(fā)生改變時都根據(jù)新的波特率計算出預(yù)算數(shù)值。將預(yù)算數(shù)值預(yù)先算好并傳輸給串行設(shè)置程序?qū)p少CPU周期和代碼長度。

　　要考慮使用查表方法取代復(fù)雜的計算。如飛思卡爾公司HCS08家族的MCU就擁有非常有效的訪問表格數(shù)據(jù)的指令和尋址模式。根據(jù)計算的復(fù)雜 性，該方法能夠節(jié)省一些CPU的計算。如果計算仍不可避免，那么就應(yīng)在程序開始之前確保盡早退出計算。 簡單的例子是通過“1”或“0”搜索乘法運算。

　　本文小結(jié)

　　當(dāng)今的多功能微控制器能夠為電池供電應(yīng)用的設(shè)計工程師提供許多延長此類設(shè)備電池壽命的方法。多種低功耗模式和靈活的時鐘源讓設(shè)計工程師能夠 對節(jié)能和所需的性能進行管理，以實現(xiàn)設(shè)計目標(biāo)。當(dāng)CPU要求高時進行高速運作，反之則進行低速運作。要在任何可能的時候轉(zhuǎn)入低功耗模式。

　　除了對MCU自身功耗進行管理之外，通過深謀遠慮的系統(tǒng)規(guī)劃可使MCU管理整個系統(tǒng)的功耗。MCU能夠在需要時使系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備和電路開始運作或停止運作，幾乎如同MCU管理其片上外設(shè)一樣簡單。

　　不可忽視的是，軟件工程師們可以通過建立CPU周期意識來延長電池使用壽命。CPU所執(zhí)行的指令越少，MCU就能夠越快地進入低功耗模式。 創(chuàng)造許多簡單的函數(shù)可以縮短代碼長度，但是卻斷送了縮短電池壽命的努力。另一方面，盡可能使用最短的數(shù)據(jù)類型會在縮短代碼長度的同時延長電池壽命。

　　因此，下次選用電池供電系統(tǒng)設(shè)計時，別忘了對您的MCU做出明智的選擇，同時使用MCU能夠提供的所有功能來管理整個系統(tǒng)的功耗。