低功耗嵌入式設(shè)計(jì)的提示和技巧

設(shè)計(jì)新的電子設(shè)備通常歸結(jié)為權(quán)衡取舍。成本通常與性能不一致。在成本敏感的市場中，例如面向消費(fèi)者的產(chǎn)品，選擇微控制器或微處理器作為嵌入式系統(tǒng)的核心可能是影響性能的最關(guān)鍵決策。通常存在會影響嵌入式系統(tǒng)整體性能的相互競爭的系統(tǒng)特性。對于這篇文章，讓我們考慮以下幾點(diǎn)：

電池壽命

響應(yīng)能力

熱性能

無線信號范圍和速度

外部外圍組件提供的功能

低功耗設(shè)計(jì)對于電池供電設(shè)備或依賴能量收集技術(shù)的設(shè)備至關(guān)重要。一些初步問題應(yīng)包括：

現(xiàn)場維護(hù)設(shè)備的可訪問性如何？可以更換電池嗎？

工作環(huán)境如何（溫度范圍、濕度范圍、暴露在陽光下、暴露在化學(xué)品中等）？

尺寸和重量限制是多少？

需要什么類型的通信？需要多久發(fā)送一次遙測數(shù)據(jù)？

預(yù)計(jì)有多少外部設(shè)備（傳感器、執(zhí)行器）會與我們的設(shè)備交互？它們的接口是什么？

了解“大局”要求后，就該建立粗略的功率預(yù)算了。首先，我們可以將所有外部設(shè)備的電流消耗相加。然后是時(shí)候查看滿足功能要求的可能的微控制器/微處理器并確定它們的效率了。通常，規(guī)格會詳細(xì)說明以 uA 為單位的效率，單位為 Hz 的時(shí)鐘速度。提前花時(shí)間研究和選擇合適的 MCU/MPU——無論是在功能還是性能方面——將大大有助于滿足設(shè)計(jì)的低功耗要求。一旦我們對預(yù)期的活動(dòng)和空閑功耗有了很好的了解，我們就可以做一些“餐巾紙背面”的數(shù)學(xué)計(jì)算，查看各種電池選項(xiàng)，以估計(jì)電池充電將持續(xù)多長時(shí)間。大學(xué)教師' 不要忘記選擇正確的電池化學(xué)成分對于本次討論至關(guān)重要。例如，鎳鎘 (NiCd) 和鎳金屬 (NiMH) 電池在寒冷氣候下不能很好地保持電量。

解決了總體架構(gòu)級問題后，就該關(guān)注優(yōu)化嵌入式系統(tǒng)功耗的設(shè)計(jì)級考慮因素了。硬件和固件需要考慮的一些設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)法則包括：

選擇盡可能低的工作電壓。在最長的時(shí)間里，5V 是常態(tài)，然后是 3.3V。如今，2.7V 和 1.8V 的核心和內(nèi)存工作電壓并不少見。市場上的一些嵌入式組件低至 0.9V。

在不影響性能的情況下，將核心時(shí)鐘速率降低到可能的最低速度。

除了最小的工作電壓外，盡量選擇具有相同工作電壓的組件，以減少對 DC-DC 轉(zhuǎn)換器和布線多個(gè)電源軌的需求。

當(dāng)心 LED 和液晶顯示器！它們很漂亮并且可以添加功能，但它們可能非常耗電（相對于它們的實(shí)用性）。明智地添加 LED。如果需要 LCD，請讓用戶能夠調(diào)節(jié)亮度。

電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和組件選擇會對您的功率預(yù)算產(chǎn)生重大影響。必要時(shí)，分壓器、上拉電阻器和下拉電阻器可以消耗電流。確保它們是必要的，并確定它們的大小以使其既有效又高效。

不要只是硬連線外圍設(shè)備以使其一直處于啟用狀態(tài)。取而代之的是，投入設(shè)計(jì)時(shí)間并預(yù)算 MCU 的 GPIO 引腳，以允許固件根據(jù)需要打開和關(guān)閉外圍設(shè)備。

避免在代碼中使用延遲或持續(xù)的傳感器輪詢；這會導(dǎo)致無用的時(shí)鐘周期，它們在功能上什么都不做，但仍然消耗能量。相反，使用任務(wù)調(diào)度程序和中斷。

選擇滿足但不超過要覆蓋的距離的通信協(xié)議。例如， Zigbee ?將比BLUETOOTH ?更高效。不需要時(shí)關(guān)閉收音機(jī)。不過請務(wù)必考慮打開收音機(jī)所需的時(shí)間。對于低功耗、低數(shù)據(jù)速率應(yīng)用，這應(yīng)該不是什么大問題。

不要讓 GPIO 引腳懸空。

對于帶有內(nèi)部上拉的 GPIO 引腳，如果不需要，請不要啟用上拉。

降低 I2C 和 SPI 等通信總線的時(shí)鐘速率。

模數(shù)轉(zhuǎn)換中使用的電阻器和電容器會消耗相當(dāng)多的能量。降低 ADC 讀數(shù)的頻率，并在讀數(shù)之間關(guān)閉 RC 網(wǎng)絡(luò)。但一定要給電容器足夠的時(shí)間在讀取數(shù)據(jù)之前重新充電。

優(yōu)化功耗設(shè)計(jì)不僅僅可以延長電池壽命。更低的功率意味著更少的熱量，從而提高可靠性并降低熱引起故障的風(fēng)險(xiǎn)。最后，一定要驗(yàn)證您的設(shè)計(jì)。無論是使用廉價(jià)的 USB 功率計(jì)、萬用表、焦耳示波器還是能量分析儀，花時(shí)間觀察設(shè)備在實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的功耗。為了使這更容易，請務(wù)必在電路板上放置測試點(diǎn)，以便可以測量電流和電壓。

審核編輯黃昊宇