如何低功耗嵌入式系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用隨著各種智能控制系統(tǒng)、智能玩具、工業(yè)控制、掌上設(shè)備（Portable）等的需求而不斷擴(kuò)大和流行。特別是近幾年來，隨著手機(jī)、PDA、MP3等掌上系統(tǒng)的流行，使得系統(tǒng)功耗成為產(chǎn)品的設(shè)計(jì)瓶頸，也成為產(chǎn)品設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一。當(dāng)然，功耗的問題本身是一個(gè)系統(tǒng)的問題，要想有效地降低整體功耗，不但需要在硬件上要充分考慮，而且在軟件的設(shè)計(jì)上更需要認(rèn)真對(duì)待。一個(gè)真正高效的低功耗系統(tǒng)，軟硬件的相互配合和優(yōu)化才是極為關(guān)鍵的。

一般來講，低功耗嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括如下的幾個(gè)關(guān)鍵的步驟：

1. 方案的確定：方案是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，是項(xiàng)目成功的基本條件。方案選擇錯(cuò)了就等于一個(gè)人走錯(cuò)了路，要么達(dá)不到要求，要么事倍功半，有時(shí)雖然滿足了設(shè)計(jì)的要求，但卻在時(shí)間、預(yù)算和成本等方面增加了更多的投入。例如在玩具行業(yè)，一般均選擇4位系列的MCU來進(jìn)行產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，若采用8位甚至16位MCU，則無論是在成本，功耗等方面都將是得不償失的選擇；

2. 器件的選型：不同的芯片，不同的廠家其所提供的產(chǎn)品的特性均存在差異，特別是在功耗方面，有時(shí)差別很大，比如在4位MCU領(lǐng)域，EPSON、OKI等的公司的Microcontroller的功耗就比Samsung以及臺(tái)灣廠家的相同系列MCU要低幾倍甚至是一個(gè)數(shù)量級(jí)。因此確定了方案之后，如何選擇合理的器件和MCU，也是保證產(chǎn)品功耗能夠達(dá)到要求的關(guān)鍵；

3. 硬件設(shè)計(jì)：我們知道外圍電路有時(shí)是整個(gè)系統(tǒng)的功耗“大戶”，比如ADC、背光、蜂鳴器、外部Memory、各種傳感器等。因此如何合理設(shè)計(jì)外圍電路模塊，合理使用和控制相關(guān)的外圍電路模塊將是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。當(dāng)然硬件的設(shè)計(jì)必須與軟件的設(shè)計(jì)相結(jié)合。

4. 軟件的設(shè)計(jì)：軟件的設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重中之重，系統(tǒng)整體功耗的控制、外圍電路模塊的使用、調(diào)度和切換等，均需要通過軟件的編程來實(shí)現(xiàn)。一般來講，低功耗軟件設(shè)計(jì)包括如下的幾個(gè)方面：

a) 初始化：初始化是嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本步驟，也是控制整個(gè)系統(tǒng)功耗的重要的步驟，何以如此呢？我們知道，一般來講在初始化部分，我們需要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行配置，比如IO口的設(shè)置、外圍功能的配置等，而其中最容易被設(shè)計(jì)者所忽略的一步就是對(duì)在項(xiàng)目設(shè)計(jì)中未被使用MCU的功能的配置，有時(shí)正是這些資源的配置不合理，從而導(dǎo)致系統(tǒng)整體功耗出現(xiàn)意想不到的結(jié)果。

b) 系統(tǒng)時(shí)鐘的控制：合理使用系統(tǒng)時(shí)鐘，會(huì)在功耗方面帶來意想不到的效果。我們知道，CPU的系統(tǒng)時(shí)鐘與CPU的功耗成正比，時(shí)鐘越快，其功耗也越大。因此，對(duì)于一些具有多個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘的Microcontroller，軟件的設(shè)計(jì)時(shí)必須根據(jù)系統(tǒng)需求來選擇合理的CPU時(shí)鐘，例如某些帶有外部Memory的運(yùn)動(dòng)手表，在正常的運(yùn)行下可以采用32768Hz作為其CPU時(shí)鐘，以獲得最低的整體功耗；而在訪問外部Memory時(shí)，由于外部Memory的訪問電流在幾個(gè)毫安甚至更高，而長(zhǎng)時(shí)間的訪問勢(shì)必導(dǎo)致功耗的增加，因此為了有效地降低由于Memory訪問而導(dǎo)致的電流的損耗，則可以切換到1Mhz或更高的CPU時(shí)鐘下，以求在最短的時(shí)間里完成對(duì)Memory的訪問。當(dāng)然，在進(jìn)行時(shí)鐘切換的時(shí)候必須進(jìn)行全面的考慮，因?yàn)檫x擇較高的CPU時(shí)鐘，其MCU本身的功耗也會(huì)增加，因此我們必須要在各種因素下找到其平滑點(diǎn)。對(duì)于一個(gè)給定的系統(tǒng)，由于電壓是固定的，而且電池的容量也是固定的（設(shè)位WBatt），因此系統(tǒng)的功耗可以用下式來進(jìn)行表示：

WBatt ＝ ∑Ik*Tk (k = 0......n)

其中，Ik為系統(tǒng)在不同的狀態(tài)或條件下的電流，而Tk則為系統(tǒng)在此狀態(tài)或條件下所維持的時(shí)間。
從上式可以看出，若要獲得最低的功耗，要求Ik*Tk必須最小，對(duì)于一些模式來講，時(shí)間有時(shí)是不可控制的，比如待機(jī)模式，此時(shí)只有更小的電流才能獲得最地的功耗，而反應(yīng)在芯片上就是一款芯片的Power Down Current；相反，對(duì)于電流是固定的情況，則必須讓系統(tǒng)盡可能短地停留在該狀態(tài)下。

c) IO口的控制：IO口的控制主要集中在上拉、下拉電阻的選擇，待機(jī)狀態(tài)下的電平輸入輸出設(shè)置等。對(duì)于IO口的控制，必須記住一個(gè)原則：任何情況下，都必須盡可能保證在IO口上不存在電流的流動(dòng)。電流即意味著能量的損耗，因此在軟件設(shè)計(jì)是必須根據(jù)實(shí)際的情況來合理配置IO口的狀態(tài)和其輸入輸出電平；

d) MCU工作模式的使用：對(duì)于大多數(shù)低功耗MCU，均存在多種工作模式，一般包括如下幾個(gè)運(yùn)行模式：
i. 正常運(yùn)行模式：CPU和Clock均在工作，此時(shí)MCU處于最大功耗狀態(tài)；
ii. 停機(jī)模式:CPU停止工作，但系統(tǒng)時(shí)鐘仍在工作，此時(shí)MCU處于較低的功耗狀態(tài)；
iii. 掉電模式：CPU和系統(tǒng)時(shí)鐘均停止工作，此時(shí)MCU處于最低功耗狀態(tài)；

e) 外圍功能模塊或電路模塊的管理：大多數(shù)系統(tǒng)的外圍功能模塊都是處于一種低頻度使用狀態(tài)，而且有時(shí)其功能的開啟是有條件的，因而合理的使用和調(diào)度外圍模塊也是降低功耗的重要方法。例如在含有傳感器的系統(tǒng)中，可以根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)增量的變化來提高或降低其開啟的頻率，就以環(huán)境溫度的檢測(cè)為例，由于環(huán)境的溫度變化是非常緩慢的一個(gè)過程，應(yīng)此對(duì)其的檢測(cè)可以以一種相對(duì)較長(zhǎng)的時(shí)間間隔來進(jìn)行，入一分鐘或若干分鐘，若在某一次檢測(cè)出現(xiàn)有別于常規(guī)的溫度變化時(shí)，為了保證數(shù)據(jù)的可靠性，則可以在短時(shí)間內(nèi)對(duì)其進(jìn)行若干次的重復(fù)測(cè)量，以確認(rèn)其溫度的變化是否時(shí)正常的還是由于其他的干擾所導(dǎo)致。

總之，低功耗的設(shè)計(jì)并非是一蹴而就的事情，需要綜合考慮各種可能的因素、條件和狀態(tài)，需要對(duì)各種細(xì)節(jié)進(jìn)行認(rèn)真的斟鑿和分析，對(duì)各種可能的方案和方法進(jìn)行計(jì)算和分析，才可能取得較為滿意的效果。