选择并应用适用于物联网的低功耗微控制器

对于电池供电的连接设备来说,能量消耗是至关重要的,以最大限度地延长电池更换之间的时间,甚至允许设备运行在环境能源之外。尽管许多嵌入式系统开发人员精通代码优化,但为物联网(IoT)设备节约能源需要更全面的方法。
这种方法不仅要考虑内存大小,MCU性能和功耗,它还必须考虑无线电,模拟电路,电源转换器和传感器。虽然所有这一切都有助于整个系统的能源状况,但是开发人员最大的控制力也是微控制器。
本文将介绍如何为物联网选择低功耗微控制器,以及寻找与板上外设有关的内容。它还将展示如何使用电源监控工具,并提供最佳功耗和性能的提示和技巧。

选择低功耗微控制器架构

选择低功耗微控制器首先要确定微处理器应该使用的正确的处理器核心。有当今业内可用的许多专有微控制器内核,而是一个良好的开端是与ARM ®的Cortex ® -M微控制器。这些微控制器核心在多个供应商的整个行业中得到了支持,为支持和资源提供了强大的生态系统。
为了尽量减少能源消耗,有两个因素需要考虑:性能和能源效率。对于微控制器来说,这很难量化,但开发人员可以使用两种基准测试标准:EEMBC的CoreMark和ULPmark。
CoreMark测量微控制器上可用的处理能力,值越高,处理能力越强。例如,可以在STM32L053核板上测试的STMicroelectronics STM32L053处理器的CoreMark值为75.18。STMicroelectronics的另一部分STM32F417的CoreMark值为501.85。乍一看,开发人员可能会认为使用STM32F417是一个好主意,因为它看起来具有非常优越的性能。但是,在作出决定之前还有很多事情需要考虑。
STMicroelectronics STM32L053 Nucleo Board的图片
图1:意法半导体STM32L053核蛋白局基于ARM ®皮质® -M0 +核心设计用于低功率,资源受限的应用。(图片来源:意法半导体)
首先,CoreMark只是告诉开发人员一秒钟就能完成多少次基准测试。以不同时钟频率运行的处理器会产生完全不同的值。处理能力的更好的比较是比较CoreMark / MHz。在这种情况下,STM32L053处理器的结果是2.35,而STM32F417的结果是2.98(来源:EEMBC)。两个处理器效率非常接近。
其次,开发人员需要关注核心架构。STM32L053基于ARM Cortex-M0 +,它针对低功耗进行了优化,并具有最少数量的调试模块。此外,所有在高性能处理器上发现的功耗最高的处理器也都被删除了。
另一方面,STM32F417基于ARM Cortex-M4,它被设计成高性能处理器,运行速度为168 MHz,而32 MHz。这几乎是时钟速度的五倍,CoreMark / MHz只增加了26%。
ULPmark测量微控制器如何有效地执行诸如计算和存储器操作之类的操作。最新的版本甚至包括外设效率,从开发者的能源使用角度来看,这个开发者能够很好地概述处理器的整体效率。

找到正确的周边组合

微控制器内核只是开发人员在选择低功耗微控制器时应考虑的首要考虑因素。另一个考虑因素应该是板载外围设备。外围设备在CPU占用的能量上有很大的不同。开发人员希望确保他们选择具有尽可能自动化的低能耗外围设备的部件。
首先,开发人员应该寻找不仅仅是一个单一的直接存储器访问(DMA)通道的设备。DMA允许开发人员在没有CPU的情况下在微控制器内部移动信息。这意味着CPU可以执行一些其他操作,比如运行应用程序代码,或者可以关闭并且以深度睡眠模式来节能。同时,DMA通道正被用于将数据从外设移动到内存,内存到外设,甚至在内存中的不同区域之间移动。
德州仪器TI)的 MSP430FR5994是MSP430FR5994 Launchpad开发套件中可以找到的低功耗器件的一个很好的例子。MSP430FR5994有一个内置的DMA控制器,它有六个单独的通道,可以同时在幕后工作。
德州仪器(TI)MSP430FR5994 Launchpad开发套件的图片
图2:德州仪器MSP430FR5994 Launchpad开发套件包含多个低功耗外设,如六通道DMA控制器,用于信号处理的低能量加速器以及多种低功耗模式。(图片来源:德州仪器)
另一个例子是寻找大量的低功耗模式。现代微控制器将具有各种功耗模式,将CPU和外设置于不同的状态,从简单的睡眠状态一直到微控制器几乎关机的深度睡眠。在这些深度睡眠模式下,整个微控制器可以绘制几十纳安。
在检查微控制器的低功耗状态时,还要检查工具链和生态系统功能。设置和配置低功耗模式以及将其唤醒的事件可能会非常具有挑战性和耗时。新型微控制器(如瑞萨的Synergy微控制器)在其开发环境中包含配置软件,开发人员只需点击几下鼠标即可配置这些模式。对于一个低功耗的应用,开发人员会有兴趣检查带有64或128 K字节闪存的S124,32位MCU。为了使这些设备开始发展,可以使用Synergy DK-124开发板。
瑞萨Synergy DK-124开发板的图片
图3:瑞萨协同DK-124开发板具有低功耗模拟比较器,多种睡眠模式和低功耗操作。(图片来源:瑞萨)

测量和验证微控制器能耗

选择低功耗微控制器只是确保系统能够达到其最低能量潜力的第一步。为了真正使用最低能耗,开发人员需要在整个软件开发过程中仔细监控微控制器的能耗。开发人员可以使用几种不同的方法来监控微控制器的能耗,包括电流探头和能量感知调试器。
电流探头无非是测量分流电阻两端的电压,然后根据分流电压和电阻计算电流。如果你想测量整个系统的电流消耗,这个解决方案的效果很好,但是如果你真的想把微控制器的功耗和能耗关联起来,那么一个能量感知的调试器是一个很好的选择。这允许开发人员确定哪些代码区域可能需要进一步的优化或返工。
市场上有几种与ARM Cortex-M™微控制器配合使用的能量感知调试器,例如用于I-Jet调试探头的IAR系统 I-Scope功率探头(图4)。
用于I-Jet调试探头的IAR Systems I-Scope功率探头的图像
图4:连接到IAR I-Jet时,I-Scope可用于测量系统电压,电流和微控制器电流,然后将其全部关联到程序计数器(PC),以确定哪些代码区正在绘制最能量。(图片来源:IAR Systems软件)
I-Scope工具具有基于差分放大器的内部电压监测器。它测量与微控制器电源导轨串联的分流电阻上的电压降。这允许I-Jet调试探头测量电压,同时对单片机CPU内核的程序计数器(PC)进行采样(图5)。
IAR I-Scope的图像(用黄色突出显示)
图5:I-Scope(用黄色突出显示)与I-Jet调试探头一起使用,将分流电阻上的电流与任何给定时刻执行的代码关联起来。(图片来源:IAR Systems软件)
程序计数器确切地告诉探测器应用程序在执行过程中的位置。将PC计数器信息和当前测量结果关联起来,就可以生成一个应用程序能量配置文件,供开发人员用来优化和验证其代码。

设计低功耗设备的技巧和窍门

寻找合适的微控制器和监控硬件可以让开发人员到目前为止设计一个低功耗设备。这个技巧就是知道如何从微控制器中获得最大的能量消耗。为了做到这一点,有几个开发人员可以遵循的一般技巧。这些包括:
  • 预先创建一个电池预算,具有最低,最高和平均功耗估算值。
  • 使用低功耗定时器来驱动调度程序或RTOS的任何内部系统节拍。
  • 尽可能使CPU进入睡眠模式(不要忘记考虑实时应用的唤醒和关机时间)。
  • 使系统事件驱动。中断可以用来唤醒系统,执行其功能,然后立即回到睡眠状态。
  • 将DMA控制器和任何自动外设集成到软件架构中,以实现“并行”处理。
  • 根据需要管理单片机的时钟频率,以获得额外的节能。
  • 监控软件能耗,不要害怕尝试不同的体系结构和配置。赔率是,第一次尝试将不会是最低的可能的配置。
  • 如果可用的话,使用中断的睡眠时退出功能,这将在处理器处于中断结束时休眠,并在每个事件中保存几十个时钟周期。

结论

为物联网设备选择低功耗微控制器可能会非常棘手。正如我们所看到的,从微控制器架构到板上外设功能,都需要考虑多个因素。
一旦选择了低功耗微控制器,就不能保证开发人员能达到最低能耗。下一个阶段是仔细的软件架构设计和在整个开发生命周期中对软件性能的监控。只有这样,开发人员才能充分利用所选微控制器的低功耗特性。

用户喜欢...

德州仪器的AWR1642和IWR1642是集成DSP和MCU的单芯片76 GHz至81 GHz FMCW雷达传感器

AWR1642和IWR1642器件是独立的FMCW雷达传感器单芯片解决方案,可简化汽车雷达(AWR1642)和毫米波传感器在76 GHz至81 GHz频段的实施。它们采用德州仪器的低功耗45纳米RFCMOS工艺制造,该工艺能够单片...


华虹半导体推出12位SAR ADC IP助力超低功耗MCU平台

华虹半导体有限公司 今日宣布,基于其0.11微米超低漏电 (Ultra-Low-Leakage,ULL) 嵌入式闪存 (eFlash) 工艺平台,推出自主设计的超低功耗12位逐次逼近 (SAR)型模数转换器 (ADC) (12-Bit SAR ADC) IP,达到...


德州仪器宣布其SimpleLink™ MCU平台集成全新的Amazon FreeRTOS,实现快速云连接

德州仪器和亚马逊AWS为物联网设备实现端到端云连接提供持续支持 德州仪器(TI)近日宣布,SimpleLink™微控制器(MCU)平台集成全新的亚马逊FreeRTOS,帮助开发商快速而安全地将物联网(Io...


[原创] Microchip PIC18(L)F25xx83系列MCU CAN应用方案

Microchip公司的PIC18(L)F25xx83系列是具有CAN技术的低功耗高性能微控制器(MCU),系列产品中具有多种通信外设如CAN,SPI,两个...


[原创] On Semi RSL10多协议无线系统级芯片(SoC)开发方案

On Semi公司的RSL10是超低功耗的多协议无线系统级芯片(SoC),采用ARMR CortexRM3处理器(48MHz)和LPDSP32 DSP核(音频CODEC),支持蓝牙...


锐成芯微:助力中国MCU企业开发低功耗物联网市场

物联网的宗旨是万物皆可联网,借以构成庞大的应用系统,并打造智慧的生活环境。因此,物联网设备势必需要具备联网能力,与此同时还要兼顾成本和功耗。微控制器( MCU )作为物联网的核...


MCU延续性创新可以走多远?

对于MCU而言,一直持续在延续性创新的路上进发,硬件层面不断提高集成度,软件层面不断提升灵活性,再通过工艺的优化不断降低成本,因而,也在不断蚕食单一功能专用芯片的“地盘”。...


HOLTEK新推出HT45F0060 RGB三色LED调光控制MCU

Holtek新推出小封装的RGB三色LED调光控制MCU - HT45F0060,内建RGB三色LED驱动电路与单线串接接口,可实现单颗主控并驱动RGB三色LED或多颗串接控制达到各种连续性变化的动态灯光效果。适合应用于...


采用新型TI SimpleLink™以太网MCU将传感器连接到云端, 融合有线和无线连接

使用具有集成物理层的新型以太网MCU简化工业网关设计,在SimpleLink MCU平台上实现100%的代码兼容性 德州仪器(TI)近日在SimpleLink™微控制器(MCU)平台上引入了以太网连接,这是一个用于有...


通俗讲解单片机、ARM、MCU、DSP、FPGA、嵌入式错综复杂的关系!

首先,“嵌入式”这是个概念,准确的定义没有,各个书上都有各自的定义。但是主要思想是一样的,就是相比较PC机这种通用系统来说,嵌入式系统是个专用系统,结构精简,在硬件和软件...


[原创] NXP LPCXpresso54628低功耗ARM MCU开发方案

NXP公司的LPCXpresso54628是基于ARM Cortex-M4核的低功耗MCU,具有丰富外设,非常低功耗和增强的调试特性.ARM Cortex-M4 CPU采用3级...


[原创] TI TIDEP-0087电动汽车(EV)充电桩人机接口(HMI)参考设计

TI公司的TIDEP-0087是采用AM335x系列微处理器的电动汽车( EV)充电基础设施人机接口(HMI)参考设计,采用软件加速图像和Qt电...


MCU(单片机)工程师的十个不要,三个必须要

十个不要: 1、不要第一句话就说:给个代码吧!你应该想想为什么。当你自己想出来再参考别人的提示,你就知道自己和别人思路的差异。 2、初学者请不要看太多的书,那会误人子弟的。...


三种破解MCU 技术,就是这么简单!

MCU的安全等级正在逐步提升,一些公司甚至推出了安全主控,这是很好的现象,说明大家越来越重视嵌入式领域的信息安全和程序安全了。但对于很多特殊行业,比如消费类电子产品,低成本...


无线 MCU 选型,你必须知道的六个套路

物联网市场的高速发展,无疑也在搅动半导体行业原有的格局,为了在物联网时代不掉队,各个芯片厂商都在努力发展适应市场需求的新产品品类。因为联网是物联网终端设备的基本需求,所...


MCU供应商的功能安全系统发展的角度来看

功能安全这个术语已经成为人们关注的话题。功能安全通常意味着必须避免导致任何类型的威胁甚至事故的操作系统或应用程序的故障。当然,这基本上包含了人类的健康和环境,而且材料的完...