微控制器以越來越低的功耗運行，從而開辟了智能照明和無線計量等新應(yīng)用。新設(shè)備正在降低功耗，并為工程師的設(shè)計提供更多選擇，從高級語言開發(fā)工具到各種外圍設(shè)備。

　　智能電力的驅(qū)動力來自多個方向。能夠監(jiān)測和控制接近負(fù)載點的功耗可以讓電力更均勻地分布在整個電網(wǎng)中，并減少運營商的電力浪費。對于用戶來說，它可以提供更靈活的資費，降低用電成本，并有助于降低整體用電量，進一步降低成本。然而，設(shè)備必須具有成本效益，無論是在資本成本還是在維護方面。更換數(shù)百萬智能電表中的電池是電網(wǎng)運營商的主要運營成本，也是實施的潛在缺陷。降低智能設(shè)備的功耗，不僅如其所說的降低功耗，還可以讓電池運行多年。

　　通過有效的設(shè)備管理、新的低功耗設(shè)計架構(gòu)和對功耗敏感的制造工藝進一步降低功耗，還可以將總功耗預(yù)算降低到不需要電池的程度。此時，可以從環(huán)境中獲取能量——通常來自工業(yè)環(huán)境中的振動或熱能——并存儲在本地電池中。這為微控制器以及傳感器和用于監(jiān)控的網(wǎng)絡(luò)鏈路提供電源。節(jié)點和微控制器的架構(gòu)選擇對于性能和電池壽命至關(guān)重要，并且有幾種不同的選擇。

　　設(shè)計權(quán)衡

　　集成和性能都與智能電源應(yīng)用中使用的微控制器的電源考慮因素有關(guān)。有多種外設(shè)可供選擇，可添加到控制器內(nèi)核中，以減少片外需要，從而降低功耗。然而，有時，在無線鏈路旁邊使用小型 8 位控制器可能比嘗試將應(yīng)用處理器與 RF 結(jié)合的完全集成系統(tǒng)更有效。而一些控制器，如Energy Micro開發(fā)的EFM32（如下），具有復(fù)雜的電源管理，可以關(guān)閉各個外圍模塊以將功耗保持在最低水平，擁有單獨的控制器可以提供一種隔離節(jié)點不同部分的方法，以便僅在絕對必要時使用電源。

　　圖 1：Energy Micro 的 EFM32“Gecko”低功耗內(nèi)核。

　　在性能和功率之間還有另一個權(quán)衡。與使用速度較慢、標(biāo)稱功耗較低的設(shè)備相比，能夠快速使用節(jié)能架構(gòu)然后關(guān)閉設(shè)備可以使用更少的能源。但是，這取決于啟動和關(guān)閉時間，但更多設(shè)備正在包括這種快速響應(yīng)以降低功耗。但有時，電源管理的復(fù)雜性影響不大，而代碼大小的影響更大。存儲 16 位甚至 8 位代碼可以降低內(nèi)存需求并提供更快的訪問速度，從而降低成本和功耗。但是，32 位系統(tǒng)也能夠利用較小的字長和減少的指令集，例如 ARM 的 16 位 Thumb 2。

　　在智能電力中，軟件并不是特別復(fù)雜，但它必須非?？煽俊仨毟鼡Q或更新有問題的節(jié)點可能會非常昂貴。這意味著現(xiàn)有的遺留代碼是一種寶貴的資源，代碼重用是設(shè)計要求的重要組成部分。同時，針對 ARM MIPS 和其他 32 位架構(gòu)的新一代設(shè)計工具和集成開發(fā)環(huán)境 （IDE） 可實現(xiàn)更快的開發(fā)、更高質(zhì)量的代碼和更高效的調(diào)試，從而更快、更可靠地將項目推向市場。這會影響微控制器架構(gòu)的選擇。

　　所有這些都是設(shè)計人員在開發(fā)智能電源系統(tǒng)時所面臨的平衡，實現(xiàn)智能電源的方法有多種，反映了電源和成本的嚴(yán)格設(shè)計約束。使用 32 位控制器（通常圍繞 ARM 的功率優(yōu)化 Cortex-M3 內(nèi)核）的系統(tǒng)越來越普遍。

　　挪威初創(chuàng)公司 Energy Micro 使用 ARM Cortex M3 內(nèi)核開發(fā)了市場上能耗最低的微控制器，允許長期使用電池，甚至可以從能量收集中獲取電力。

　　EFM32G210F128 ‘壁虎’采用低能耗設(shè)計，從節(jié)能模式喚醒時間短，并提供多種外圍設(shè)備來控制智能電源設(shè)備。該控制器系列針對用于管理智能電力網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的電池供電應(yīng)用。

　　芯片的核心是能量管理單元 （EMU），它處理所有低能量模式、打開和關(guān)閉外設(shè)，以及關(guān)閉未使用的 SRAM 塊的電源，從而將功耗降低到僅 20 nA 的水平。 3 V 關(guān)斷模式。有一個 0.9 μA 深度睡眠模式，它支持具有 32.768 kHz 振蕩器的實時時鐘、上電復(fù)位、欠壓檢測器、RAM 和 CPU 保持在 3 V 運行模式下上升到 180 μA/MHz，代碼從閃存執(zhí)行。

　　EMU 使用專門開發(fā)的時鐘管理單元 （CMU），它允許軟件管理外圍模塊上的各個時鐘，即使在不使用時也會消耗大量功率。

　　Energy Micro 還開發(fā)了一種外圍反射系統(tǒng) （PRS），它可以讓不同的外圍模塊直接通信，而不涉及 CPU。發(fā)出反射信號的外圍模塊稱為生產(chǎn)者，PRS 將這些反射信號路由到消費者外圍設(shè)備，這些外圍設(shè)備根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)應(yīng)用操作。

　　它還通過低功耗 UART 使其 Gecko 微控制器與眾不同，該 UART 允許在嚴(yán)格的功率預(yù)算下以 9600 位/秒的速度從單個 32.768 kHz 時鐘進行雙向 UART 通信。類似地，當(dāng)大部分器件斷電時，可以使用低功耗 16 位定時器 （LETIMER），允許執(zhí)行簡單的任務(wù)，同時將系統(tǒng)的功耗保持在絕對最小值。LETIMER 可用于以最少的軟件干預(yù)輸出各種波形。它還連接到實時計數(shù)器 （RTC），并且可以配置為開始計數(shù)來自 RTC 的比較匹配。

　　德州儀器還在其Stellaris 1000中使用了 ARM Cortex M3 內(nèi)核微控制器系列，針對同樣的電池供電、注重成本的嵌入式智能電源應(yīng)用。LM3S1000 系列通過更大的片上存儲器、更好的電源管理以及更多的 I/O 和控制功能擴展了該系列。

　　圖 2：TI 的智能電源實施。

　　LM3S1911微控制器面向工業(yè)應(yīng)用，包括遠程監(jiān)控、電子銷售點機器、測試和測量設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和開關(guān)、工廠自動化、HVAC 和樓宇控制、游戲設(shè)備、運動控制、醫(yī)療儀器和消防和安全。

　　它有一個電池支持的休眠模塊，可在長時間不活動期間有效地將設(shè)備斷電至低功耗狀態(tài)。功能還包括上電/斷電序列器、連續(xù)時間計數(shù)器 （RTC）、一對匹配寄存器、系統(tǒng)總線的 APB 接口和專用非易失性存儲器。

　　圖 3：TI 的 Stellaris 1000 框圖。

　　它使用 ARM 16 位 Thumb-2 指令集將內(nèi)存需求減少到幾千字節(jié)，并使用 50 MHz 內(nèi)核和集成嵌套向量中斷控制器 （NVIC） 來提供確定性中斷處理。除了具有 8 個優(yōu)先級的 29 個中斷外，它還支持監(jiān)視應(yīng)用程序，而內(nèi)存保護單元 （MPU） 為受保護的操作系統(tǒng)功能和原子位操作或位帶提供特權(quán)模式，提供最大的內(nèi)存利用率和簡化的外圍設(shè)備控制，再次降低功率和成本。

　　為了鏈接到系統(tǒng)的其他部分，LM3S100 提供了三個完全可編程的 16C550 型 UART，支持 IrDA。它們具有單獨的 16 x 8 發(fā)送 （TX） 和接收 （RX） FIFO，以減少 CPU 中斷服務(wù)負(fù)載和可編程波特率發(fā)生器，允許速度高達 3.125 Mbit/s?？删幊?FIFO 包括 1 字節(jié)深度操作以實現(xiàn)傳統(tǒng)的雙緩沖接口。

　　16 位未死

　　正如 ARM 的 Thumb-2 16 位指令集所示，緊湊代碼有優(yōu)勢，一些不同的架構(gòu)方法可以為智能電源設(shè)計帶來好處。Microchip 的16 位DSPIC33EP256MU80微控制器在 16 位內(nèi)核中添加了一個專用的 DSP 模塊，以 60 MIPS 的性能獲得類似的效果。

　　圖 4：Microchip 帶有 DSP 加速器的 16 位內(nèi)核。

　　它具有修改后的哈佛架構(gòu)，并且與 32 位和 Thumb-2 代碼一樣，在其 16 位寬的數(shù)據(jù)路徑和 24 位寬的執(zhí)行管道上使用具有優(yōu)化指令集的 C 編譯器。有 73 條基本指令，大多數(shù)指令的有效執(zhí)行吞吐量為每周期一條指令，以提供額外的性能。單周期 DSP MAC 模塊支持 11 條附加指令，帶有兩個 40 位累加器，具有舍入和飽和選項以及附加模塊和位反轉(zhuǎn)尋址模式。

　　一個 15 通道直接存儲器訪問 （DMA） 引擎提供與任何數(shù)據(jù)存儲器位置之間的數(shù)據(jù)傳輸，具有高達 4 KB 的雙端口 DMA 緩沖區(qū)來存儲通過 DMA 傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。這在 CPU 執(zhí)行代碼時提供了 RAM 和外設(shè)之間的快速數(shù)據(jù)傳輸，而無需使用執(zhí)行內(nèi)核的周期，從而提高了性能并降低了功耗。

　　通信模塊包括一個雙重角色 USB v2.0 On-The-Go （OTG） 模塊，在低速 （1.5 Mbps） 和全速 （12 Mbps） 模式下是主機或外設(shè)。用于 USB 的高精度 PLL 支持多達 32 個端點（16 個雙向），USB 模塊可以使用設(shè)備上的任何 RAM 位置作為片上 USB 收發(fā)器的 USB 端點緩沖區(qū)或作為片外接口收發(fā)器。

　　8 位的生命也是

　　如此 即使 8 位內(nèi)核仍在有效使用。Silicon Labs 的 C8051F981-GM是一個 8 位流水線 8051 內(nèi)核，已針對極低功耗進行了優(yōu)化，在 25 MHz 和 25 MIPS 時具有 1.8–3.6 V 的 150 μA/MHz 有效電流。憑借 2 μs 從睡眠喚醒和 1.5 μs 模擬建立時間，該設(shè)備可以快速準(zhǔn)備好進行測量或連接到無線網(wǎng)絡(luò)。

　　圖 5：Silicon Labs 的 C8051 8 位流水線內(nèi)核。

　　該 ADC 在 12 位分辨率下提供 75 Ksamples/s 或在 10 個通道上提供 8 位分辨率下 330 Ksamples/s。該設(shè)備還包括一個內(nèi)置溫度傳感器。

　　彌合差距

　　飛思卡爾希望通過一系列具有通用外設(shè)和開發(fā)工具集的Flexis 器件來彌合 8 位和 32 位功能之間的差距，以提供遷移靈活性。QE 系列由引腳兼容的 8 位 SO8 和 32 位 ColdFire V1 器件二重奏組成，是 Flexis 系列中的第一個系列，包括其最低功耗的 MCU。這也是其他衍生低壓、低功耗 （LVLP） 器件的基礎(chǔ)。該系列特別針對需要較長電池壽命的消費和工業(yè)應(yīng)用。

　　這MCF51QE128LH是一款基于 V1 ColdFire 指令集的 32 位控制器，它擴展了 ColdFire 嵌入式控制器系列的低端，具有高達 128 KB 的閃存和一個 12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC），最多支持 24 個渠道。MCF51QE128 包括高達 3.6 V 的電源電壓、一個 50 MHz CPU 內(nèi)核和三個定時器，用于改進工業(yè)設(shè)備的電機控制，包括智能電源、聯(lián)網(wǎng)煙霧探測器和安全攝像頭。

　　32 位 MCF51QE128 與 8 位S08QE128的引腳、外設(shè)和工具兼容設(shè)備，在整個性能范圍內(nèi)提供設(shè)計自由度。ColdFire 指令集修訂版 C （ISA_C） 提供附加指令以輕松處理 8 位和 16 位數(shù)據(jù)，并支持多達 256 個中斷/復(fù)位源，以實現(xiàn)軟件靈活性和實時應(yīng)用程序的優(yōu)化。

　　圖 6：飛思卡爾半導(dǎo)體的 MC51QE128 32 位控制器與 8 位版本兼容。

　　有兩種超低功耗 （ULP） 停止模式，一種允許有限使用外設(shè)，同時仍可在降低功耗的狀態(tài)下對應(yīng)用進行采樣，從而延長電池壽命。還有一個新的 ULP 電源等待模式，其典型喚醒時間為 6 μs，以及一個超低功耗 OSC，可在低功耗模式下實現(xiàn)準(zhǔn)確的時基。

　　有兩個模擬比較器可以選擇與內(nèi)部參考進行比較。這意味著可以將輸出路由到定時器/脈沖寬度調(diào)制器 （PWM） 模塊作為輸入捕捉觸發(fā)器，只需要一個引腳用于輸入信號，并騰出更多引腳用于其他用途。模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 提供多達 24 個通道，具有 12 位分辨率和 2.5 μs 轉(zhuǎn)換時間，以及一個 1.7 mV/°C 的靈敏溫度傳感器。

　　這些能力來自使用晶體管的低功耗工藝，該工藝具有增加的溝道長度，從而減少了漏電流，從而降低了靜態(tài)功耗。用于構(gòu)建控制器的標(biāo)準(zhǔn)單元庫包括一個功耗僅為 500 nA 的超低功耗 （VLP） 振蕩器、一個支持低功耗運行的低壓差待機穩(wěn)壓器以及一個僅需 6 μs 的喚醒模式，從之前的 110 μs 下降。這一切都意味著應(yīng)用程序可以喚醒、執(zhí)行任務(wù)并快速回到睡眠狀態(tài)以節(jié)省額外的電量。

　　用戶可選擇的外設(shè)時鐘門控可實現(xiàn)時鐘樹的節(jié)能優(yōu)化，可消耗不同模塊使用的高達 40% 的功率，而自超時模塊 （SATO） 允許閃存長時間通電足以執(zhí)行讀取，結(jié)果被鎖存，然后自動斷電。此過程會以非常低的 CPU 速率自動啟動，并在低頻下為閃存操作提供更好的電流。

　　結(jié)論

　　可用于智能電源等應(yīng)用的各種微控制器似乎令人眼花繚亂。但是，通過在功率預(yù)算內(nèi)選擇正確的外設(shè)和功能組合，有很多機會可以優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計以實現(xiàn)低功耗。工藝技術(shù)和超低功耗電路設(shè)計的發(fā)展意味著許多設(shè)備現(xiàn)在可用于旨在擁有十年電池壽命甚至使用能量收集來消除維護成本的設(shè)計。隨著集成度的提高以降低物料清單的總體成本，智能電力系統(tǒng)的實施在幫助降低從工廠車間到企業(yè)的整個過程中變得可行。