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在前面一篇文章中，筆者主要介紹了自己的一些工作經(jīng)歷，跟真正的低功耗設(shè)計似乎扯不上半毛錢的關(guān)系。隨著電子產(chǎn)品的越來越普及，尤其是很多電子產(chǎn)品都用上了電池供電，既然用電池供電，那么似乎我們就不得不考慮電池的續(xù)航能力的問題，進而，迫使我們不得不考慮電子產(chǎn)品功耗的問題。那么究竟怎樣才算低功耗呢？小于100mA?小于1mA?小于10uA?似乎應(yīng)該加上應(yīng)用場合，這種數(shù)值才有意義。不管怎樣，低功耗的意思可以概括為越小越??！
在做這個溫度記錄儀之前，筆者壓根不怎么需要考慮功耗的問題，畢竟在一個大設(shè)備里，開關(guān)電源直接供電，控制板那100毫安以內(nèi)的電流，幾乎可以忽略不計了。然而，在做這個溫度記錄儀的時候，才發(fā)現(xiàn)，100mA的電流經(jīng)得起多久的折騰？一塊500mAh的鋰電池，幾個小時就沒電了，更別說要用幾十天甚至半年到一年的時間了。
當然，降低功耗并不是純硬件或軟件就能實現(xiàn)的，很多時候，都是需要軟件和硬件的協(xié)同工作才能解決問題。比如，我們在做NTC測溫電路的時候，如果直接如下圖所示連接，那么實際上，計時在未進行AD采集的時候，改電路也一直在消耗電流，按照常溫狀態(tài)下來算，NTC的阻值為10K，那么這部分的電流消耗為：I=3.3V/(10K+10K)= 165uA。似乎看起來很小，但是，這只是電路中一部分的消耗，還有其他很多部分都有電流消耗，累加起來之后，就比這165uA大的多了。那么有沒有辦法讓這一部分電路的功耗降低呢？答案肯定是有的。
比如，我們可以在3.3V電源部分或者GND部分加一個開關(guān)，并且通過一個IO口來直接控制這個開關(guān)，在需要進行AD采樣的時候，把這個開關(guān)打開，采樣完成后，再把這個開關(guān)關(guān)閉，這樣一來，似乎就可以盡可能的減小這部分的開銷了。那么以在GND端加一個MOS管為例，如下圖所示：
這樣一來，我們就可以達到之前預(yù)期的目的了。當然，如果真如上這樣設(shè)計電路的話，無形中似乎也增加了成本，一個SI2302也需要一兩毛錢，一個電阻也是幾分錢，如果是幾K甚至幾十K的量的話，那么成本就不是一點點了。那么上述電路是不是還可以簡化一下呢？那是必須滴！實際上我們可以直接通過一個IO口來接到NTC的一端，畢竟按照之前計算的電流，也才微安級別的，就算忽略掉NTC的阻值，也有R1起到限流的作用，不用擔心燒壞IO口。那么，當需要采集AD的時候，直接將IO口拉低，就能實現(xiàn)電阻分壓了。
由此可見，降低功耗從硬件角度來說，就是需要找到所有可能的消耗電路的回路，一一確定哪些是可以通過軟件控制的方式來優(yōu)化功耗的，哪些是避免不了的，并給編程人員提供一個所有IO口狀態(tài)對功耗影響的關(guān)系，通常用簡單的表格說明一下高電平會怎樣，低電平會怎樣，懸浮會怎樣。做到這一點，基本上硬件的工作就告完成，剩下的就是軟件開發(fā)人員的發(fā)揮空間了。
說到軟件功耗優(yōu)化，簡單來說就是：能少工作的就少工作，能休眠的就休眠！以筆者做的這個溫度記錄儀為例，單片機型號選擇的是STC的STC8A8K64S4A12單片機，別問我為什么選擇這款單片機，因為筆者別的單片機不怎么會用，而且打樣時間又比較急，所以只能在自己熟悉的單片機中，選擇滿足要求的，價格又比較低的，功耗又是最低的來做了。整個項目中，主要就是RTC時鐘模塊、NTC測溫模塊、按鍵操作模塊、串口通信模塊、2.4G無線模塊、OLED顯示模塊、無線充電模塊等幾個部分。硬件部分，已經(jīng)盡可能的將功耗降到最低了，但是發(fā)現(xiàn)，不管怎么操作，STC單片機正常工作的時候，電流還是有4-5mA，加上OLED顯示的話，也有2-3mA，2.4G模塊工作的時候電流更大，有30-40mA，這樣可真算不上低功耗啊，只能從軟件上來想辦法了！
首先，當然要將這個最大功耗的2.4G無線模塊的功耗解決。無他，最省事的讓他不工作的時候去睡覺了。根據(jù)這個模塊的使用手冊，只需將模塊的CS引腳拉高，該模塊就可以去睡大覺了。果然，這個無線模塊睡覺之后，整個板子的工作電流瞬間降到了10mA以內(nèi)了！
接下來，就要考慮OLED的問題了，雖然說，2-3mA的電流也不算很高，但是，那也是功耗啊，幾天下來也必將是一筆不小的開銷。當然，當時選擇OLED而并非筆段式LCD的原因也很簡單，OLED的界面可以隨意做呀，而且也比較好看，而筆段式LCD界面就只能固定死了，后面要修改的也比較麻煩。好吧，既然選擇了，也就不說那么多理由了，只能想辦法降功耗了。也沒有特別好的辦法，OLED的功耗也只能讓他不需要顯示的時候去睡覺來解決了。通過軟件設(shè)置一個休眠時間，然后在休眠時間到了后，然OLED乖乖去睡覺了，需要顯示的時候，再按一下按鍵來喚醒OLED。這樣，算是勉強解決了OLED功耗的問題了吧。
接下來，整個板子的功耗也就差不多在5mA左右了，再加上前面所說的AD采樣電路部分降低了一些功耗，剩下的主要就是MCU的功耗了。仔細翻閱了一下STC的手冊，得到了以下信息：
由此可見，MCU的功耗最低可以降到0.1uA以下！這樣的話，整個電路的功耗，基本可以做到1mA以下基本沒什么問題了。但是問題來了：在STOP模式下，此時的CPU和全部的外設(shè)都是停止工作的，這豈不是扯蛋么？全部停止工作了，OLED顯示怎么刷新？NTC溫度怎么獲??？RTC時鐘怎么讀取？……一系列的問題來了！可能還是經(jīng)驗少，想破腦袋也沒想到好的辦法，無奈之下，只能求助了，慶幸的是，沒過多久，得到了一名網(wǎng)友的幫助，給我指點了一個比較好的思路：即，通過工作和休眠的時間比，來控制功耗。簡單來說就是，比如，設(shè)定1秒時間為參照，比如MCU完成一次一系列操作需要100ms，那么，就讓MCU工作完后，在剩下的900ms里去睡大覺，然后1秒時間到了，又把它喊起來繼續(xù)工作……如此循環(huán)。這樣一來，MCU的功耗便大大降低了！
在實現(xiàn)上述功能中，用到了STC單片機的掉電喚醒定時器。關(guān)于這個定時器的使用其實也很簡單，介紹什么的就不多說了，手冊上寫的很清楚，筆者就簡單介紹一下如何使用這個定時器。根據(jù)手冊，掉電喚醒定時器的定時時間如下計算：
那么，我們需要定時1秒左右的話，只需要將該定時器的計數(shù)次數(shù)設(shè)置在1999左右即可。于是，便有了下面的操作：
就這樣幾句代碼，MCU便可正常進入STOP模式，然后待掉電喚醒時間到，便又回到了正常工作模式。然后，我們只需要在while循環(huán)中，修改一下代碼，便可實現(xiàn)我們前面提到的功能。由于筆者項目中的功能比較復(fù)雜，下面就以一個簡單的例子來介紹一下吧。相信學單片機的小伙伴們對電燈程序再熟悉不過了吧，那么筆者就以最簡單的點燈程序為例吧：
很顯然，大家看慣了各種延時點燈程序，似乎很少看到這樣的一種點燈程序了吧？會不會有一種一臉懵逼的感覺？當時，毫無疑問，這確實也是一種點燈的手段。程序中，P30是用來控制LED的亮與滅，硬件電路就不用說了，相信大家猜都猜到了。上述代碼實現(xiàn)的功能就是，讓LED亮1秒鐘，然后再滅一秒，以此循環(huán)。實際上，MCU工作時只分別執(zhí)行了一條語句，即：P30 = 1;和P30 = 0;然后就進入了STOP模式，假設(shè)執(zhí)行語句的時間是1us，掉電喚醒定時器的時間是1秒，由此可見，MCU幾乎99.9%的時間都在睡大覺，自然功耗就大大降低了（此處忽略LED的功耗，只針對MCU功耗而言）。
好了，關(guān)于低功耗設(shè)計的思路就簡單介紹到這了，由于筆者能力有限，暫時未想到更好的辦法來降低功耗，更多的發(fā)揮空間就留個讀者了。如果你覺得這篇文章對你有幫助，別忘了點贊+打賞喲……
工商網(wǎng)監(jiān)
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