低功耗MCU為能量收集應用

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低功耗MCU為能量收集應用

采集的能量作為動力源已經講了，甚至實行小規(guī)模多年。只是最近有一些關鍵電子部件 - 微控制器和射頻收發(fā)器，特別是 - 達到發(fā)展的階段中，所消耗的功率相當于限電從收集技術。

遠程傳感器節(jié)點是物聯(lián)網(IOT)網絡中不可或缺的元素 - 尋求主流能源收集解決方案也得到了一個“殺手級應用”的到來加速。雖然這些節(jié)點可以是復雜的設計，它們都具有四個組件中共同 - 一個MCU，一個傳感器，收割機，和RF收發(fā)器。傳感器節(jié)點需要的能量源，但它往往是不切實際的它們連接到電力網。類似地，定期改變標準的堿性電池被認為是令人望而卻步的勞動成本，因為節(jié)點通常廣泛分布。

能量儲存是通常在大多數(shù)情況下，少量的能量收獲必須存儲并在需要時所使用的系統(tǒng)，以及因為一部分。這增加了可再充電電池系統(tǒng)。其它公共組件包括一個電源管理芯片，和信號調節(jié)電路，在最起碼處理模擬 - 數(shù)字(ADC)的數(shù)據(jù)轉換。一個典型的傳感器系統(tǒng)搭載收獲能量如圖1所示。

Silicon Labs的能量采集傳感器節(jié)點的圖像

圖1：能源采集傳感器節(jié)點。 (Silicon Labs公司提供)

之前考慮的幾個這些系統(tǒng)的更重要的設計方面，值得以具有通過各種形式的收獲可以多少能量提供一些想法。

考生可以分為四大類：震動，溫差，光照和RF。如圖2，環(huán)境室外光(太陽能)和振動工業(yè)機器提供的超過其它來源大約三個數(shù)量級的一個優(yōu)點 - 但不是所有的應用程序要求多的能量。

圖2：能量采集源。 (德州儀器提供)

盡管存在分歧，光伏，運動和熱收獲有幾個共同點：他們產生不穩(wěn)定的電壓，而不是穩(wěn)定的3.3 V或1.8 V設計工程師有時會覺得理所當然;和他們提供間歇功率(有時沒有供電)，這是對于包括可再充電電池的原因。

設計注意事項

沒有少于五芯片企業(yè)與MCU產品線創(chuàng)造了能量收集解決方案。它們包括：德州儀器，意法半導體，Silicon Labs公司，恩智浦半導體和Microchip的技術。通常情況下，他們提供自己的微控制器，傳感器，收發(fā)器和模擬芯片的一些組合，但與第三方公司以科技為能量收集器的合作伙伴。

從設計的角度來看，第一個步驟是選擇的組件，這將滿足應用的功率目標。關鍵因素包括：一個非常低待機電流;非常低有源功耗;并能夠工作和待機模式之間極其快速切換。

是能夠工作和待機模式之間快速切換的值不是立竿見影，但它可以對能源消耗產生深遠的影響，因為能量基本上是浪費，而該設備的過渡，從待機到活動模式。

能量數(shù)據(jù)采集過程中消耗的是在傳感器系統(tǒng)的一個重要的考慮因素。如果應用程序需要顯著的處理能力 - 一個健康監(jiān)測設備，例如 - 微控制器基于ARM之一的Cortex-M內核是一個顯而易見的選擇。這些32位MCU，其實是可以很省電，因為內核具有的功能和指令集的功能，工程師們可以比較輕松地利用。對于超低功耗應用中，Cortex-M節(jié)能模式2(EM2)，并等待換事件(WFE)指令特別有用。

WFE幾乎是不言自明的。代替連續(xù)輪詢時，CPU等待到發(fā)生特定事件。包括ARM在Cortex-M的指令集WFE指令。

該EM2深度睡眠模式使MCU提供自主運行的高度，同時保持能源消耗低。核心的高頻振蕩器被關斷，但低能量外設可以繼續(xù)訪問一個32千赫振蕩器和實時時鐘。在這些條件下，在CPU不運行 - 因此MCU實際執(zhí)行在睡眠模式中高級操作。功率消耗在EM2為0.9微安。

讓我們來看看的Cortex-M為基礎的方案進行數(shù)據(jù)采集。

ARM Cortex-M的特點

常規(guī)的方式進行數(shù)據(jù)采集是觸發(fā)ADC捕獲與一個計時器和過DMA總線傳輸數(shù)據(jù)。使用Silicon Labs的神奇壁虎EFM32WG230F256-QFN64作為示例，可以預期的電流消耗為165微安以1 K個采樣/ s的采集速率和350微安為32千樣本/秒。雖然這種技術充分利用周邊的互動，它不使用任何特殊的MCU或指令集功能。結果由紅線在圖3所示圖形的范圍內采集速率的。

第二個選項(標識為圖3中的綠線)通過利用EM2保持MCU待機直到中斷喚醒它降低了能耗。中斷可以由任何數(shù)量的事件，包括一個特殊的定時器，經營而核心處于EM2模式被觸發(fā)。該功能使MCU可以回到全速工作，在短短2微秒。該MCU吸引0.9μA在EM2模式下的待機電流。這優(yōu)化了超低功耗模式所花費的時間和降低電流的要求，在1 K個樣本/秒采集到60μA - 一個顯著改進的選項之一。該技術是適合于中斷驅動的應用程序，但根據(jù)具體情況也有更多的機會，以減少能源消耗。

EM2采用的依然是第三個選項(藍線圖3) - 但不是等待中斷，它采用了Cortex-M指令集的等待事件(WFE)指令。 WFE使MCU可以向外部或內部事件做出響應例如由中斷產生。代替使從主回路的過渡到一個中斷的，但是，在MCU從EM2喚醒并簡單地執(zhí)行下一條指令，這消除了中斷延遲。這種方法是不適合于所有應用。然而，當它可以用于功率消耗降到小于20微安，實現(xiàn)了1 K個采樣/ s的數(shù)據(jù)采集速率。

Silicon Labs的電流消耗與采樣頻率的圖像

圖3：消耗電流采樣頻率。 (Silicon Labs公司提供)

當三個選項被認為過采樣率的范圍，如圖3中，一個有趣的結果是觀察。有些情況下，傳統(tǒng)的第一選擇實際上產生比兩個節(jié)能選項更好的效果交叉點。在中斷方式的情況下(選擇2)交叉發(fā)生在4 kHz的采樣率。在WFE方法的情況下，交叉是在20千赫抽樣率。還應當指出的是，大多數(shù)的應用程序都與能量收集可行，數(shù)據(jù)采集速率是相當?shù)偷摹?/p>

混合信號微控制器

微控制器基于32位ARM Cortex-M內核，當然，不是為能量收集應用程序的唯一選擇。許多可與8位和16位MCU，往往更熟悉嵌入式設計工程師以及作為較便宜的順利實施。

Silicon Labs的8位的C8051F9xx超低功耗8位微控制器系列和Microchip的超低功耗(XLP)系列16位微控制器都調整為超低功耗性能。這是很難進行直接的性能比較，因為企業(yè)通常使用不同的方法和假設，以在性能指標到達。不過，這兩家公司提供零件的休眠電流下降到低至約10μA，令人印象深刻的有功功率的性能和功能，如從睡眠狀態(tài)的快速轉換到活動狀態(tài)。

當涉及到剪裁功耗可從收集解決方案的能源，交通是一樣的MCU一樣重要。一些MCU廠商都在片上集成射頻功能。 Microchip提供了一系列的MCU與以未經授權的ISM頻段310930 MHz的集成解決方案。最通用的是PIC12LF1840T39A，它在四個子帶：310，433，868，和915兆赫。

Silicon Labs的Si10xx無線MCU系列產品還結合了超低功耗MCU用的sub-GHz RF收發(fā)器。家庭地址的低功率需要諸如傳感器節(jié)點的RF雙向通信鏈路的嵌入式系統(tǒng)的具體要求。既高性能功率放大器和低噪聲放大器被集成在芯片上。鏈路預算為146分貝。

德州儀器還派出無線微控制器進行通信在子千兆赫的ISM頻段。該CC430F513x系列為例，結合了TI的CC1101低于1 GHz的射頻收發(fā)器，其16位MSP430 CPUXV2核心，最多為32 KB的系統(tǒng)內可編程閃存，多達4個內存KB等多種功能，其中包括12位ADC，6個外部輸入。它工作在相同的四個子頻帶：310，433，868，和915兆赫。

雖然子千兆赫的解決方案可能是最適合于物聯(lián)網應用，藍牙和其他基于標準的選項。大多數(shù)公司還提供在品牌名稱獨有的集成解決方案，如的MiWi(微芯)，SimpleLink(德州儀器)，和EZRadio(Silicon Labs公司)。

儲能

能量采集應用程序可以使用固態(tài)電池作為能源的備份源時從收割機中可用的能量不符合系統(tǒng)的其余部分的直接功率要求。

Cymbet的是公司提供這些解決方案之一。它的EnerChip可充電固態(tài)智能電池(辦學團體)可以從大多數(shù)類型的收割機的存儲能量。采用表面貼裝技術(SMT)封裝，該器件可提供備用電源，從幾個小時到依靠備用系統(tǒng)的電流要求幾個星期。

熟悉的設計師，其充電固態(tài)電池(該產品采用電源失效檢測和自動切換)公司擁有的EnerChip RTC評估套件結合了CBC34123的EnerChip RTC，恩智浦PCF2123實時時鐘(RTC)，一加電管理電路和固態(tài)可充電的EnerChip可以提供長達30小時的備用電源，RTC的。只有電路板空間0.25平方厘米組合解決方案占據(jù)。

該套件基于PC的軟件應用程序通過U盤進行通信。用戶可以設置時間，日期，和倒數(shù)計時器值的時間來試驗RTC備用電源。該應用程序還允許到RTC的用戶訪問登記用于查看和修改。

該公司已與一些MCU供應商，包括瑞薩，德州儀器，以及微芯科技創(chuàng)造完整的能量采集解決方案。

Microchip的XLP 16位能量收集開發(fā)工具包，例如，是實現(xiàn)能量收集應用提供一個代表性的開發(fā)平臺。它是基于Microchip的PIC單片機采用nanoWatt XLP技術。電源由Cymbet的太陽能收集器，其中包括適用于室內或室外光使用高效率的太陽能電池板提供。收割機捕獲，管理，并在兩個EnerChips，這反過來又供應能量給XLP開發(fā)板當光不提供儲存能量。

結論

超低功耗芯片，可行的能源采集解決方案，高密度儲能技術和無線傳感器節(jié)點的嚴格的功耗要求的融合創(chuàng)造了一個很大的設計空間依賴于所采集的能量來運行的系統(tǒng)。從MCU的角度來看，解決方案是可能的32位基于ARM的芯片，基于8051 8位的芯片，和16位基于PIC芯片，僅舉3。越來越多的通信方案也可以跨多個頻段和proprietary-和基于標準的解決方案。替代品的數(shù)字意味著設計者必須有一個徹底的了解他們的應用 - 特別是能量需求。