用于嵌入式設(shè)備調(diào)試的 UART：低功耗設(shè)備最佳實(shí)踐

作者： Qoitech

雖然 USB 已經(jīng)成為大多數(shù)外設(shè)的通用接口，但是 UART 仍然在使用，甚至在嵌入式系統(tǒng)中仍起著關(guān)鍵作用——用于從 GPS 模塊到 Raspberry Pi 和 Arduino 等板卡的調(diào)試。

但是當(dāng)我們推進(jìn)到超低功耗設(shè)計(jì)的極限時(shí)，開(kāi)發(fā)人員經(jīng)常會(huì)有疑問(wèn)：UART 會(huì)是無(wú)聲的電池殺手嗎？簡(jiǎn)而答之：否也，不必如此。像所有好的工具一樣，關(guān)鍵在于如何實(shí)現(xiàn)。期間緣由讓我們細(xì)細(xì)道來(lái)。

盯緊 TX/RX 漏電電流

防止非必要漏電的簡(jiǎn)單之法就是[從 TX 和 RX 信道解決任何漏電問(wèn)題]。盡管高泄漏并不很常見(jiàn)，但通常最好提前檢查并解決潛在問(wèn)題，以免后面出現(xiàn)意外漏電。

以低功耗思維編寫(xiě)并運(yùn)行代碼

將 UART 看一把鋒利的瑞士軍刀，開(kāi)發(fā)時(shí)用起來(lái)很就手，但攜帶時(shí)并不需要所有時(shí)間都將其打開(kāi)。在代碼中使用 #define，調(diào)試時(shí)將 UART 打開(kāi)，設(shè)備生產(chǎn)操作時(shí)將其關(guān)閉，才是明智之舉。這是一個(gè)小訣竅，但能讓你在實(shí)際工作中免于噩夢(mèng)纏身。

試想一下：你和你的團(tuán)隊(duì)精力都放在最大限度降低功耗上，正在運(yùn)行連續(xù)的電流檢測(cè)，看看有沒(méi)有取得進(jìn)展。開(kāi)發(fā)時(shí)，你將 [UART 設(shè)置成調(diào)試時(shí)才打開(kāi)]，接受臨時(shí)電源中斷。但是隨后突然有人將該代碼合并到主分支中，此時(shí)因?yàn)?UART 仍在啟用中，就會(huì)將該設(shè)置通過(guò)空中下載更新到成千上萬(wàn)的設(shè)備中。你曾經(jīng)高效的設(shè)計(jì)（如街機(jī)）突然之間耗盡電池，此時(shí)你就要面對(duì)成千上萬(wàn)怒氣沖沖的客戶了。

怎么辦？給[連續(xù)集成系統(tǒng)]設(shè)置電流消耗基準(zhǔn)。通過(guò)這個(gè)方式，你可以在發(fā)生災(zāi)難性錯(cuò)誤前發(fā)現(xiàn)這樣的問(wèn)題?？梢詫⑵淇闯梢粋€(gè)自動(dòng)化的安全網(wǎng)，在代碼到達(dá)生產(chǎn)端前時(shí)刻檢查有無(wú)過(guò)大電流。

確保關(guān)閉一切

啟用 UART 會(huì)激活軟件多個(gè)部分，包括各種 MCU 阻斷和時(shí)鐘。MCU 通常設(shè)計(jì)成默認(rèn)所有功能都是打開(kāi)的以方便進(jìn)行開(kāi)發(fā)。但在 MCU 進(jìn)入休眠模式前禁用非必要組件很重要。如果 UART 時(shí)鐘仍被啟用，則可能會(huì)阻止 MCU 進(jìn)入其最深的休眠狀態(tài)，造成功耗過(guò)高。檢查你的時(shí)鐘樹(shù)并確保所有鏈接到 UART 的組件均在不需要時(shí)被恰當(dāng)?shù)仃P(guān)閉。

Otii 實(shí)驗(yàn)操作

讓我們比較一下在來(lái)自 [Seeed Technology]的 [Seeed Studio XIAO nRF52840] 上運(yùn)行兩個(gè)固件版本。我們準(zhǔn)備了一個(gè)示例腳本，用于初始化模塊、設(shè)置閃存、運(yùn)行一個(gè)簡(jiǎn)短的 LED 閃爍序列，然后將該模塊置于最低功率模式。一個(gè)版本在運(yùn)行時(shí)啟用 UART，另一個(gè)在運(yùn)行時(shí)不啟用 UART。用 [Qoitech]的 [Otii Ace Pro]，我們測(cè)量了電流消耗以對(duì)兩個(gè)版本在不同電壓水平下的功耗進(jìn)行分析和比較。

在圖 1 中，我們看到設(shè)備主動(dòng)發(fā)送 UART 消息，而圖 2 則顯示 MCU 處于休眠模式。藍(lán)線表示 UART 啟用，而黃線表示禁用。差異顯示了 UART 對(duì)功耗的影響。

圖 1：活動(dòng)模式 SeeedStudio XIAO nRF52840 設(shè)備的 UART 通信 | 啟用（藍(lán)色圖） | 禁用（橙色圖）。（圖片來(lái)源：Qoitech）

圖 2：低功耗模式 XIAO nRF52840 設(shè)備（圖中選定部分）的UART 通信 | 啟用（藍(lán)色圖） | 禁用（橙色圖）。（圖片來(lái)源：Qoitech）

在活動(dòng)模式時(shí)，平均電流消耗從 460 μA 增加到 1.34 mA（如圖 1 所示）。在休眠模式時(shí)，電流消耗從 2.27 μA 變到 2.19 μA（圖 2）。盡管這看起來(lái)差異不大，但物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備典型都是長(zhǎng)休眠期，會(huì)對(duì)電池壽命造成明顯差異。很明顯，此固件針對(duì) UART 禁用進(jìn)行了優(yōu)化。

使用 Otii 估算電池壽命

為展示對(duì)電池壽命的影響，我們使用了 [Otii Desktop App] 的 [Battery Life Estimator]（電池壽命估算器）。我們假定每個(gè)小時(shí)有一個(gè)活動(dòng)期間，當(dāng)設(shè)備喚醒時(shí)，運(yùn)行閃爍序列，然后休眠近 3600 秒。

在圖 3 中，UART 處于禁用狀態(tài)，而在圖 4 中，UART 處于啟用狀態(tài)。從中我們看出是否使用 UART 對(duì)電池壽命有著明顯影響。

圖 3：禁用 UART 通信時(shí)的電池壽命估算。（圖片來(lái)源：Qoitech）

圖 4：?jiǎn)⒂?UART 通信時(shí)的電池壽命估算。（圖片來(lái)源：Qoitech）

差距相當(dāng)大！當(dāng)啟用 UART 時(shí)，預(yù)計(jì)電池壽命將從 5.9 年縮短至 11.6 天。

關(guān)鍵之處是確保在 MCU 進(jìn)入休眠模式之前關(guān)閉與 UART 相關(guān)的所有功能。使用 [Otii 產(chǎn)品套件] 將這一設(shè)置集成到持續(xù)集成流程中，將有助于防止啟用 UART 后的意外發(fā)布，因?yàn)檫@可能會(huì)大大縮短設(shè)備的電池壽命。

審核編輯 黃宇