設(shè)

計(jì)

思

路

設(shè)計(jì)新的電子設(shè)備常常需要進(jìn)行多項(xiàng)權(quán)衡取舍。成本通常與性能并不一致。對(duì)于成本敏感型市場(chǎng)，例如面向消費(fèi)者的產(chǎn)品，選擇作為嵌入式系統(tǒng)核心的微控制器或微處理器，可能是最為影響性能的關(guān)鍵決策。影響嵌入式系統(tǒng)整體性能的系統(tǒng)特性中，經(jīng)常有相互競(jìng)爭(zhēng)的特性。在這篇博文中，我們將考慮以下幾點(diǎn)：

• 電池續(xù)航能力

• 響應(yīng)能力

• 熱性能

• 無(wú)線信號(hào)范圍和速度

• 外部外圍組件提供的功能

需求分析

低功耗設(shè)計(jì)對(duì)于電池供電設(shè)備或依賴(lài)能量采集技術(shù)的設(shè)備至關(guān)重要。一些初步問(wèn)題應(yīng)包括：

現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)設(shè)備的可維護(hù)性如何？是否可以更換電池？

工作環(huán)境如何（溫度范圍、濕度范圍、暴露在陽(yáng)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(lèi)型的通信？需要多久發(fā)送一次遙測(cè)數(shù)據(jù)？

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

功率預(yù)算

在了解了大致的要求之后，就要進(jìn)行粗略的功率預(yù)算了。

首先，我們可以將外部設(shè)備的所有電流消耗相加。然后查看可能滿(mǎn)足功能要求的微控制器/微處理器，并確定它們的效率。通常情況下，規(guī)格書(shū)會(huì)詳細(xì)列出以u(píng)A為單位的效率，以Hz為單位的時(shí)鐘速度。提前花時(shí)間研究和選擇合適的MCU/MPU - 無(wú)論是在功能還是性能方面 - 將大大有助于滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的低功耗要求。一旦我們對(duì)預(yù)期的活動(dòng)和空閑功耗有了很好的了解，就可以做一些粗略的計(jì)算，查看各種電池選項(xiàng)，以估計(jì)電池的續(xù)航時(shí)間。別忘了，選擇正確的電池化學(xué)成分對(duì)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。

設(shè)計(jì)級(jí)因素

解決了架構(gòu)級(jí)別的全局問(wèn)題后，就該關(guān)注優(yōu)化嵌入式系統(tǒng)功耗的設(shè)計(jì)級(jí)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(zhǎng)的時(shí)間里，5V是常態(tài)，然后是3.3V。如今，2.7V和1.8V的內(nèi)核和內(nèi)存工作電壓也已經(jīng)不罕見(jiàn)。市場(chǎng)上一些嵌入式組件的電壓甚至可以低至0.9V。

在不影響性能的前提下，將核心時(shí)鐘速率盡可能降低。

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

當(dāng)心LED和液晶顯示屏！它們很漂亮并且可以增加功能，但可能會(huì)非常耗電（相對(duì)于它們的實(shí)用性）。明智地添加LED。如果需要液晶顯示屏，請(qǐng)讓用戶(hù)能夠調(diào)節(jié)亮度。

電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和元器件選擇會(huì)對(duì)您的功率預(yù)算產(chǎn)生重大影響。必要時(shí)，分壓器、上拉電阻和下拉電阻可以消耗電流。確保它們是必要的，并確定它們的大小以使其兼顧效率和有效性。

不要簡(jiǎn)單地硬連線外圍設(shè)備讓其一直處于啟用狀態(tài)。而是應(yīng)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(kāi)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(xún)；這會(huì)導(dǎo)致無(wú)用的時(shí)鐘周期，它們不執(zhí)行任何功能，但仍然消耗能量。建議使用任務(wù)調(diào)度程序和中斷代替。

選擇符合要求，但不超過(guò)要覆蓋的距離的通信協(xié)議。例如，Zigbee要比藍(lán)牙效率更高。不需要時(shí)關(guān)閉無(wú)線電。不過(guò)請(qǐng)務(wù)必考慮打開(kāi)無(wú)線電所需的時(shí)間。對(duì)于低功耗、低數(shù)據(jù)速率的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，這應(yīng)該不是什么大問(wèn)題。

不要讓GPIO引腳懸空。

對(duì)于具有內(nèi)部上拉的GPIO引腳，非必要時(shí)請(qǐng)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(huì)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R-C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。

結(jié)語(yǔ)

優(yōu)化功耗設(shè)計(jì)不僅僅可以延長(zhǎng)電池續(xù)航能力。更低的功率意味著更少的熱量，從而可以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(wú)論是使用廉價(jià)的USB功率計(jì)、萬(wàn)用表、焦耳示波器還是能量分析儀，請(qǐng)花點(diǎn)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。為方便操作，請(qǐng)務(wù)必在電路板上放置測(cè)試點(diǎn)，以便可以測(cè)量電流和電壓。

作者簡(jiǎn)介

專(zhuān)業(yè)工程師Michael Parks是Green Shoe Garage的所有者。Green Shoe Garage是一家提供定制電子設(shè)計(jì)的工作室和技術(shù)咨詢(xún)機(jī)構(gòu)，位于馬里蘭州南部。Michael Parks創(chuàng)辦了《S.T.E.A.M. Power Podcast》播客來(lái)提升公眾對(duì)科技的認(rèn)知。他擁有馬里蘭州專(zhuān)業(yè)工程師資質(zhì)，并擁有約翰·霍普金斯大學(xué)的系統(tǒng)工程碩士學(xué)位。