低功耗解决方案

低功耗解决方案篇一：低功耗高能效的电源 MCU 方案低功耗高能效的电源 MCU 方案 当电池需要在几年甚至几十年中为某个产品供电时，不断改进 MCU 集成产品和轻微修改基本处理器结构都不能满足人们急剧增加的节能需要。针对很多能源敏感产品，如：计量器、楼宇自动化产品、安全产品和便携式医疗设备，如果节能需求和处理功率之间发生了冲突，就必须要大规模发展 MCU 设计。 EnergyMicro 采用了一种bluesky的方法来设计它的低功率 EFM32Gecko 微处理器，也开发了支持这个产品的软件和硬件工具（图 1） 。EnergyMicro 现已生产了一种装置，仅够消耗现有 8 位、16 位和 32 位 MCU 所耗能量的四分之一，使现有电池的寿命大大延长了。换句话说，有了这样的节能 MCU,产品设计人员能够大大削减电池的成本、缩小它的尺寸了。而对某些产品，如能源计量器和安全设备，有了频率、成本和碳足迹的维护标注，电池的更换次数就更少了。 要在 MCU 上获得如此低功率的资格不是件容易的事，需要进行多年的开发，实现真正的创新。到 EnergyMicro的网站上去查一查最高峰值，您就会发现有关技术的描述都取了很大的标题，让 32 位 EFM32 成为世界上最节能的微控制器的 10 大原因，实际上肯定还有更多的原因。 我们先把“超低能量”的 specmanship（技术指标差距）放在一边吧。当电池充电量有限时，MCU 如何能超时使用能源就变得很重要。在产品的休眠期内减少其能耗和时间与在活跃期时要做的工作一样重要。EFM32MCU 以ARMCortex-M3 处理核为基础，在设计上大大减少了活跃模式的电源消耗。在基准测试中，32MHz 的 EFM32 实际需要3V 的供电，以 180A/MHz 的能量运行正确的 Flash 代码。 这很好，但 MCU 需要多长时间来处理任务也会对节能产生重要影响。因此，使用 32 位 Cortex-M3 比 8 位和 16位器件的处理效率高，执行任务的时钟周期也短得多，这样就会大大缩短产品活跃期。通过保持尽可能短的活跃周期，32 位 MCU 更多的时候都处于深度睡眠模式。人们都忘记了过去 32 位处理器是不能传送 sub-?A 待机模式的，采用了正确的低功耗设计技术，现在可以做到这点了。EFM32可以提供所有基线功能，如：实时计数器、RAM 和 CPU 保持、掉电检测和深度睡眠模式中的开机重设，全部只使用 A的能量。 通常，在我们提到的目标应用中，MCU 的工作周期可以非常短，MCU 在深睡眠状态可停留高达 99%的时间。因此，这里的消耗对整体节能真的很重要。 如果 MCU 从深度睡眠中唤醒产品并重新进入活跃模式所花的时间很长，其优势就会丧失。为什么呢？因为当 MCU从深度睡眠状态进入活跃状态，总会有一个唤醒周期，在次期间处理器必须等待振荡器和电源系统稳定下来才能开始执行代码。由于在此期间无法进行任何处理，唤醒所耗费的能量就被浪费了，因此缩短唤醒时间对降低整体能耗很重要。 不止这些，MCU 应用还会影响实时要求，这通常指的是唤醒时间必须保持最短才能使 MCU 能够在一段时间内回应一个事件。由于许多应用要求的延迟比许多现有 MCU 的唤醒时间还长，设备通常不能完全进入深度睡眠这对节能应用来说不是很好的解决方案。为了解决这个问题，EFM32 采用了各种设计技术将深度睡眠的唤醒时间减少到了仅需 2s，确保 CPU 开始处理任务时所用的能量最少。 如果要完全控制和真正优化节能，系统设计人员需要灵活选择一些结构良好的能源模式。如表 1 所示，EFM32 提供了几个模式，可让设计人员及时在任何地点使用资源，最大限度地提高能源效率。 即使在一些观察家看来这些能源模式可能有点粗糙，但启用或禁用不同外围设备可更精 细地调整每个模式下的资源。无论采用哪种方式，EFM32 的能源模式都有助于杜绝任何能源的浪费。当然，低功耗 MCU 提供的外围设备功能块需要被刻意设计来用于低功耗操作，而 EFM32 也不例外。例如MCUsport 的 8 通道 12 位 ADC 在全分辨率时使用 350?A 和1Msamples/1 秒的转换率；一个 44 节的 LCD 控制器只用550nA 的 sporting 集成电压增强、对比度、动画和闪烁功能；而特殊的低能量 UART 和有 32kHz 时钟的完整 UART，数据传输速度达 9600 波特时仅消耗 150nA。 要实现更好的节能效果，创建一个 MCU 架构是个重要的创新，它使 CPU 可以自动保留外围设备功能。因此，EFM32 的外围设备在设计上要能顾及自己，要么让 CPU 处理其它高水平任务，要么干脆入睡，这两种方式都可以节能。要更进一步实现自动化，就要将 EFM32 引入另外一个可编程互连结构，称为外围反射系统到一个 MCU 架构（图2）中，使外围设备之间的交流不会受到 CPU 的干预，从而更多地减少能量消耗。 拥有超节能的 MCU 本身并不能保证用户有最低的能耗。如果在产品进行原型开发的早期就配备能识别并防止能耗的合适工具，就可以大大减少最终产品的整体能耗。 在 ElectronicaXX 展上，EnergyMicro 宣布即将开发SimplicityStudio，这是用于 EFM32 微控制器的完整的图形用户界面开发套件。它会更快接入硬件、固件和软件工程师们所需要的所有信息、文件和工具，并有效地开发嵌入式系统。这些工具大部分都有现货。EFM32 的开发工具包有一个 AdvancedEnergyMonitoring（AEM）系统，可持续测量消耗的电流。这种测量方法是完整的，可准确描绘超时使用的电源，把实际中应用优化为低功率运行（图 3） 。 在使用 energyAwareProfiler“能量调试”软件工具时，AEM 可使用户及时确定能源图上显示的在给定时间内执行的实际源代码。这些代码会立刻向工程师们指出产生高能耗的程序部分，使代码被优化，更密切地管理好节能。 篇二：低功耗技术简介1.功耗 本节中介绍功耗如何产生以及与系统功耗相关的一些因素。 2.功耗的由来 半导体制造工艺有两种：CMOS 和 TTL。当前大部分嵌入式处理器都是使用 CMOS 工艺制成的。而我们知道任何复杂的电子系统都是以简单门电路为基础组成的。CMOS 设备中就是通过两个 MOS 晶体管的电路切换来表示 0 和 1 的。 当 CMOS 中的门电路切换逻辑电平，N 型和 P 型晶体管会同时打开一段时间，此时电流会通过这两个晶体管从电源线流到地线。由公式： 2 P=IR 其中，P 为功率：I 为当前电流；R 为电阻大小。可知当有电流流过的时候，就意味着电能的消耗，同时还有发热。当嵌入式处理器运行速度越快，门电路切换就越频繁，功耗就越大。 2 影响系统功耗的因素 影响系统功耗的因素有很多，在大部分电子系统中，产生功耗的主要部件是集成电路，其功耗取决于电路的基底技术，封装密度，供电电压，工作频率，外部环境，电路性能指标，接口技术等。 （1） 开关功耗是对电路中的电容充放电造成的。 （2） 短路功耗是开关时由电源到地造成的。 （3） 静态功耗是指在电路稳定时有点源到地的电流所形成的功耗。 （4） 漏电流功耗是由压阀值电流和反向偏压电流造成的。 目前集成电路以静态 CMOS 为主，在这类电路中开关功耗是电路功耗的主要组成部分。其次是短路功耗，另外两种：静态功耗和漏电流功耗在大多数情况下可以忽略。 3 低功耗技术简介 为满足降低功耗这一特性，必须在设计的每一个阶段都将降低功耗考虑在内。 我们可以使用以下四种功耗优化技术来降低系统功耗。这四种优化技术分别为：动态电源管理，动态电压缩放，低功耗硬件设计，低功耗软件设计。 （1 动态电源管理（Dynamic Power Management，DPM）是指有选择的把闲置的系统部分置于低功耗状态，从而有效利用电能。简单的说，动态电源管理是指系统在需要的时候才产生功耗。但不等同于不工作时断电，而是指在需要的时候能快速的从低功耗状态恢复到正常的工作状态。目前大部分芯片都设计有低功耗模式供设计者选择，另外更有一些专门以低功耗为应用目标的超级低功耗芯片。以低功耗模式为基础，动态电源自主判断系统当前运行状态，当处于空闲时，进入某个合适的低功耗模式，需要运行时从低功耗模式退出，恢复到正常运行状态。仅从运行状态来讲，动态电源管理没有降低这个过程的电源消耗，但从整个过程来看，平均功耗得到了明显改善。 综上所述，一个动态电源管理系统是一个软件架构级的设计和优化工程产物，将系统结构划分为紧凑的模块，尽可能缩短运行时间，延长休眠时间，从而降低平均功耗。动态电源管理基于以下假设： （1 系统各个部分工作负载不同。 （2 系统各个时刻工作负载不同。 （3 系统负载可预测。 一个电源管理系统的核心是电源管理器，它能够基于对工作负载的观察来完成控制策略。 4 动态电压缩放动态电压缩放是基于器件工作电压越高，功耗越高的原理。因此动态电压缩放就是电压调节器在运行时改变 CPU的工作电压。电压调节器首先分析系统状态，然后决定工作电压。 5 低功耗硬件设计 低功耗硬件设计是基于低功耗硬件选择的设计，有以下两种选择来实现低功耗硬件设计： （1 低功耗硬件选择 目前大部分嵌入式处理器都针对功耗进行了优化并提出了各种低功耗解决方案，因此在低功耗处理器上我们有大量的选择。 （2 低功耗外部器件选择 嵌入式系统出了处理器以外，还包括一些数字逻辑器件来讲处理器和其他系统组合在一起。选择合适的低功耗器件，可以应对一般处理器应用。 6 低功耗软件设计 嵌入式系用的功耗与硬件有关，但同时也有软件的因素，就像汽车的耗油量基于汽车的设计有关，由于驾驶者的技术有关。 引起 CPU 消耗的众多因素中，存储系统的设计对降低功耗有很大影响。通常存储器运行有两种状态，读写状态和待机状态，其中待机状态功耗很小，读写状态功率较大。基于这一点，要降低系统的功耗可以考虑如下方面： (1 程序存取模式。程序存取模式对系统缓存性能有很大影响，不合理的存取导致大量缓存未命名的情况，对存储器的访问会相应增加。 （2 并行存储。将数据并行存储到多个独立内存上，可以提高系统性能，同时可以降低系统功耗，比如 PC 上使用的内存双通道技术。 （3 代码压缩技术。代码压缩可以减少存取的指令数，降低缓存为命中的可能性，就减少了存储器的存取操作。 （4 源码级功耗优化。源码级功耗优化是指通过选择实现统一功能的不同语句，来达到功能优化。通过选择功耗较低语句来实现同一功能，可以节省一定功耗。因此针对某一平台测试各种语句的功耗，可以为软件设计提供有效的设计依据。 三硬件平台简介 本章介绍进行低功耗技术研究和实现实验平台及进行测试的测试平台。 我们将要研究和实现的低功耗技术将建立在实验平台上，该实验平台唯一嵌入式 Wi-Fi 平台，其 MCU 为STM32F103，之所以选择这个平台，除了看重其低功耗方面的优良设计，另外其应用的广泛性也是选择它的重要原因。测试平台作为实验平台的载体，可以控制实验平台的供电，测试其功耗及功能完整性等。 四 STM32 低功耗模式 STM32 在拥有强劲性能的同时，根据实际运用中各种不同的功耗需求，提供了三种低功耗模式-休眠模式，停机模式和待机模式，设计者可以根据应用需求进行合理优化。 六总结与展望 本文首先介绍了系统功耗概念及影响喜用功耗的各种因素，在此基础上进一步阐述了 STM32 低功耗技术。 （1 全面研究了 STM32 低功耗技术的原理，论证了它们对功耗优化的结果以及对系统的影响。 （2 在实验平台上，实现了多种低功耗技术，针对动态电源管理技术，设计了预测性管理办法。对各种低功耗技术的能耗降低效果进行了测试。（3 针对目标应用的需求，设计了多种应用模式，定义了这些应用模式的应用场合和功效优化效果。 （4 完成了用于控制系统功能的实验平台配置工作，用于测试系统功能和功耗的测试工具。 致谢 时间过得很快，转眼就要毕业了，回首这段美好时光，感慨万千，连篇累牍的文字不能表达我的心情，这里我只想向在求学生涯中给予我帮助的同学和老师献上最真挚的感谢。 感谢姚老师，这篇文章是在姚老师的指导下完成的，从选题，可行性问题，低功耗技术分析到论文编撰都给予了我大量建议和帮助，再次向您表示衷心的感谢！ 感谢我的父母和朋友，感谢你们的关怀和鼓励，你们将激励我永远拼搏向前。 篇三：低功耗系列产品介绍低功耗门禁产品解决方案系列简介： 迈斯低功耗系列门禁产品主要针对流动人口门禁项目，控制器支持无线传输方式实现快速组网，同时优化产品设计，最大限度降低产品功耗，实现超长待机工作，从而有效解决了传统流动人口门禁项目存在的布线组网工作量大、造价过高的问题。 系统功能： 系统综合管理功能。人员信息采集模板定制。设备管理。 灵活示警方式。 电子地图管理功能。 异常事件报警功能。数据上报功能。 移动终端功能。 派出所工作站功能。 流管办工作站功能。 产品特点： 迈斯低功耗系列产品包含低功耗门禁控制器、低功耗读卡器、低功耗灵性锁三类产品，全系列产品均采用 DC5V直流供电，支持智能休眠待机功能。 低功耗控制器： ? 支持中国移动/联通 GPRS 或中国电信 CDMA 无线通信，无需网络布线； ? 无读卡时自动进入休眠模式； ? 正常工作电流40mA，开锁电流300mA； ? 内置锂电，可待机 66 小时或开关