基于GD32F130系列單片機(jī)的一種高性能、小尺寸、低成本的超低功耗解決方案實(shí)現(xiàn)(上)

前言
     可穿戴設(shè)備、便攜設(shè)備、追蹤器、RFID、支付Ukey、 儀器儀表等需要高性能、低功耗、小體積的場(chǎng)合。這類應(yīng)用 通常都是低占空比的應(yīng)用場(chǎng)合，也就是說設(shè)備在一天24小時(shí) 內(nèi)的絕大多數(shù)時(shí)間是不工作的或者只需要保持在計(jì)時(shí)狀態(tài)， 進(jìn)入工作狀態(tài)的方式是通過定時(shí)喚醒或者外界信號(hào)喚醒，喚 醒后的一般動(dòng)作是讀取系統(tǒng)狀態(tài)、處理并保存數(shù)據(jù)、一些算 法處理、然后進(jìn)入待機(jī)或不工作狀態(tài)。
     業(yè)界針對(duì)此類應(yīng)用通常的選擇辦法有以下幾種。一， 選擇一顆功耗較低的8位機(jī)或者16位機(jī)。誠(chéng)然，8位機(jī)或者16 位機(jī)成本確實(shí)很低，但是性能往往不能滿足需求，因?yàn)閷?duì)于 這類應(yīng)用而言，喚醒后的工作時(shí)間越短越利于降低功耗，而32位機(jī)相較于8位機(jī)和16位機(jī)而言，相同主頻下代碼執(zhí)行效 率大大提高，可以在功耗不明顯增加的情況下大大縮短喚 醒后的工作時(shí)間；并且通常8位機(jī)的尺寸都沒法做到32位機(jī) 可以做到的小尺寸。二，選擇一顆超低功耗的32位MCU。 高 性 能 、 小 尺 寸 可 以 滿 足 ， 但 是 因 為 即 使 是 超 低 功 耗 的 MCU，待機(jī)功耗還是μA級(jí)，整體算下來功耗還是不能做到 極致低。
     結(jié) 合 以 上 兩 種 設(shè) 計(jì) 的 不 足 ， 筆 者 設(shè) 計(jì) 一 種 基 于

圖1  亞閾值功率優(yōu)化技術(shù)原理
GD32F130G8U6和外置超低功耗RTC (AM1815)的解決方案，整體待機(jī)功耗可低至14nA，可以完美解決以上問題，
具體實(shí)現(xiàn)方法如下。

1 方案說明
通 過 使 用 兆 易 創(chuàng) 新 ( g i g a d e v i c e) 的 高 性 能 3 2 位 M C U GD32F130G8U6和Ambiq Micro 的超低功耗RTC  AM1815 來代替單顆低功耗MCU的方案。 待機(jī)狀態(tài)下， MCU完全 shutdown，只有RTC工作，保持計(jì)時(shí)以及保存重要備份數(shù) 據(jù)；工作狀態(tài)下，MCU被RTC喚醒，執(zhí)行程序，工作執(zhí)行 完畢給RTC發(fā)sleep指令，控制RTC關(guān)閉MCU電源。RTC喚醒 MCU的方式可以是IO口電平變化邊沿觸發(fā)，也可以是定時(shí) 觸發(fā)。該方案相對(duì)于單芯片方案的主要優(yōu)勢(shì)有以下幾點(diǎn)。高性能 GD32F130G6U6主要特性： ARM Cortex-M3 內(nèi)核；
最大時(shí)鐘頻率72Hz，內(nèi)核訪問閃存高速零等待；單周期乘法器和硬件除法器；NVIC中斷嵌套支持16個(gè)中斷， 每個(gè)中斷有16個(gè)優(yōu)先 級(jí)；
64K flash、8K SRAM；高性能模擬外設(shè)，1個(gè)12bit的ADC，支持10路通道，最 快轉(zhuǎn)換時(shí)間1us；多種外設(shè)接口，2個(gè)USART，2個(gè)SPI(18Mbit/s)，2個(gè)I2C(400Kbit/s)；片上1個(gè)高級(jí)定時(shí)器，1個(gè)系統(tǒng)定時(shí)器，最大支持6個(gè)通 用定時(shí)器，1個(gè)DMA；

圖2  AM1815典型應(yīng)用電路圖
支 持 上 電 復(fù) 位 ( P O R ) ， 掉 電 復(fù) 位 ( P D R ) 和 低 壓 檢 測(cè)(LVD)；28pin封裝，23個(gè)可用IO； 內(nèi)部高速時(shí)鐘(8MHz)和內(nèi)部低速時(shí)鐘(40kHz)。 超低功耗： 工作狀態(tài)：MCU運(yùn)行功耗245μA/MHz，RTC 14nA； 待機(jī)狀態(tài)：MCU功耗 0，RTC 14nA。 待機(jī)狀態(tài)下該系
統(tǒng)的待機(jī)功耗僅為14nA，即使是市面上在低功耗上做得最好的MCU廠家(比如Energy Micro)，其 生產(chǎn)的MCU的待機(jī)功耗也要比以上系
統(tǒng)至少高一個(gè)數(shù)量級(jí) 以上。當(dāng)系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間處于待機(jī)狀態(tài)的時(shí)候，該系統(tǒng)在低功耗 上極具優(yōu)勢(shì)。

2 AM1815實(shí)現(xiàn)超低功耗原理
Ambiq Micro 是一家專注于研發(fā)生產(chǎn)低功耗芯片產(chǎn)品的 美國(guó)公司，其產(chǎn)品采用先進(jìn)的SPOT技術(shù)（亞閾值功率優(yōu)化 技術(shù)），SPOT技術(shù)上世紀(jì)由物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，2004年開始由

美國(guó)密西根大學(xué)研究，經(jīng)過六年發(fā)展，2010年正式應(yīng)用到產(chǎn) 品里面，SPOT技術(shù)重新定義了超低功率半導(dǎo)體的含義，為 芯片建立了新的標(biāo)準(zhǔn)，從而使得功耗做得更低。SPOT平臺(tái) 采用在亞閾值電壓(低于0.5V)下運(yùn)行的晶體管，而不是使用 一直在1.8V下保持開啟的晶體管。
小尺寸GD32F130G8U6封裝可以做到4mm*4mm，AM1815封裝 尺寸3mm*3mm。采用GD130+AM1815可以有效減小PCB設(shè) 計(jì)尺寸。
低成本GD130屬于cortex-M3核的超值型MCU，價(jià)格甚至低于 一些M0核的MCU和8位機(jī)。而AM1815雖然可以做到極致低 功耗，但本身還是一顆RTC，價(jià)格也不貴。筆者曾經(jīng)對(duì)比過 GD130+AM1815兩顆加起來的價(jià)格，甚至低于很多主打超低 功耗的M3核和M0核的MCU。（未完待續(xù)）