低功耗MCU为能量搜集使用

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低功耗MCU为能量搜集运用

搜集的能量作为动力源现已讲了，乃至施行小规模多年。仅仅最近有一些要害电子部件 – 微控制器和射频收发器，特别是 – 抵达开展的阶段中，所耗费的功率适当于限电从搜集技能。

长途传感器节点是物联网(IOT)网络中不可或缺的元素 – 寻求干流动力搜集解决计划也得到了一个“杀手级运用”的到来加快。尽管这些节点可所以杂乱的规划，它们都具有四个组件中一起 – 一个MCU，一个传感器，收割机，和RF收发器。传感器节点需求的能量源，但它往往是不切实践的它们连接到电力网。类似地，定时改动规范的碱性电池被以为是令人望而生畏的劳作本钱，由于节点一般广泛散布。

能量贮存是一般在大多数情况下，少数的能量收成有必要存储并在需求时所运用的体系，以及由于一部分。这增加了可再充电电池体系。其它公共组件包含一个电源办理芯片，和信号调理电路，在最起码处理模仿 – 数字(ADC)的数据转化。一个典型的传感器体系搭载收成能量如图1所示。

Silicon Labs的能量搜集传感器节点的图画

图1：动力搜集传感器节点。 (Silicon Labs公司供给)

之前考虑的几个这些体系的更重要的规划方面，值得以具有经过各种形式的收成能够多少能量供给一些主意。

考生能够分为四大类：轰动，温差，光照和RF。如图2，环境室外光(太阳能)和振荡工业机器供给的超越其它来历大约三个数量级的一个长处 – 但不是一切的运用程序要求多的能量。

图2：能量搜集源。 (德州仪器供给)

尽管存在不合，光伏，运动和热收成有几个一起点：他们发生不安稳的电压，而不是安稳的3.3 V或1.8 V规划工程师有时会觉得天经地义;和他们供给间歇功率(有时没有供电)，这是关于包含可再充电电池的原因。

规划注意事项

没有少于五芯片企业与MCU产品线发明了能量搜集解决计划。它们包含：德州仪器，意法半导体，Silicon Labs公司，恩智浦半导体和Microchip的技能。一般情况下，他们供给自己的微控制器，传感器，收发器和模仿芯片的一些组合，但与第三方公司以科技为能量搜集器的合作伙伴。

从规划的视点来看，榜首个过程是挑选的组件，这将满意运用的功率方针。要害要素包含：一个十分低待机电流;十分低有源功耗;并能够作业和待机形式之间极端快速切换。

是能够作业和待机形式之间快速切换的值不是马到成功，但它能够对动力耗费发生深远的影响，由于能量基本上是糟蹋，而该设备的过渡，从待机到活动形式。

能量数据搜集过程中耗费的是在传感器体系的一个重要的考虑要素。假如运用程序需求明显的处理才能 – 一个健康监测设备，例如 – 微控制器根据ARM之一的Cortex-M内核是一个清楚明了的挑选。这些32位MCU，其实是能够很省电，由于内核具有的功用和指令集的功用，工程师们能够比较轻松地运用。关于超低功耗运用中，Cortex-M节能形式2(EM2)，并等候换事情(WFE)指令特别有用。

WFE几乎是不言自明的。替代接连轮询时，CPU等候到发生特定事情。包含ARM在Cortex-M的指令集WFE指令。

该EM2深度睡觉形式使MCU供给自主运转的高度，一起坚持动力耗费低。中心的高频振荡器被关断，但低能量外设能够持续拜访一个32千赫振荡器和实时时钟。在这些条件下，在CPU不运转 – 因而MCU实践履行在睡觉形式中高级操作。功率耗费在EM2为0.9微安。

让我们来看看的Cortex-M为根底的计划进行数据搜集。

ARM Cortex-M的特色

惯例的办法进行数据搜集是触发ADC捕获与一个计时器和过DMA总线传输数据。运用Silicon Labs的奇特壁虎EFM32WG230F256-QFN64作为示例，能够预期的电流耗费为165微安以1 K个采样/ s的搜集速率和350微安为32千样本/秒。尽管这种技能充分运用周边的互动，它不运用任何特别的MCU或指令集功用。成果由红线在图3所示图形的规模内搜集速率的。

第二个选项(标识为图3中的绿线)经过运用EM2坚持MCU待机直到中止唤醒它下降了能耗。中止能够由任何数量的事情，包含一个特别的定时器，运营而中心处于EM2形式被触发。该功用使MCU能够回到全速作业，在短短2微秒。该MCU招引0.9μA在EM2形式下的待机电流。这优化了超低功耗形式所花费的时刻和下降电流的要求，在1 K个样本/秒搜集到60μA – 一个明显改善的选项之一。该技能是适合于中止驱动的运用程序，但根据具体情况也有更多的时机，以削减动力耗费。

EM2选用的依然是第三个选项(蓝线图3) – 但不是等候中止，它选用了Cortex-M指令集的等候事情(WFE)指令。 WFE使MCU能够向外部或内部事情做出呼应例如由中止发生。替代使从主回路的过渡到一个中止的，可是，在MCU从EM2唤醒并简略地履行下一条指令，这消除了中止推迟。这种办法是不适合于一切运用。但是，当它能够用于功率耗费降到小于20微安，完成了1 K个采样/ s的数据搜集速率。

Silicon Labs的电流耗费与采样频率的图画

图3：耗费电流采样频率。 (Silicon Labs公司供给)

当三个选项被以为过采样率的规模，如图3中，一个风趣的成果是调查。有些情况下，传统的榜首挑选实践上发生比两个节能选项更好的作用穿插点。在中止办法的情况下(挑选2)穿插发生在4 kHz的采样率。在WFE办法的情况下，穿插是在20千赫抽样率。还应当指出的是，大多数的运用程序都与能量搜集可行，数据搜集速率是适当低的。

混合信号微控制器

微控制器根据32位ARM Cortex-M内核，当然，不是为能量搜集运用程序的仅有挑选。许多可与8位和16位MCU，往往更了解嵌入式规划工程师以及作为较廉价的顺畅施行。

Silicon Labs的8位的C8051F9xx超低功耗8位微控制器系列和Microchip的超低功耗(XLP)系列16位微控制器都调整为超低功耗功用。这是很难进行直接的功用比较，由于企业一般运用不同的办法和假定，以在功用指标抵达。不过，这两家公司供给零件的休眠电流下降到低至约10μA，令人形象深入的有功功率的功用和功用，如从睡觉状况的快速转化到活动状况。

当涉及到取舍功耗可从搜集解决计划的动力，交通是相同的MCU相同重要。一些MCU厂商都在片上集成射频功用。 Microchip供给了一系列的MCU与以未经授权的ISM频段310930 MHz的集成解决计划。最通用的是PIC12LF1840T39A，它在四个子带：310，433，868，和915兆赫。

Silicon Labs的Si10xx无线MCU系列产品还结合了超低功耗MCU用的sub-GHz RF收发器。家庭地址的低功率需求比如传感器节点的RF双向通讯链路的嵌入式体系的具体要求。既高功用功率放大器和低噪声放大器被集成在芯片上。链路预算为146分贝。

德州仪器还派出无线微控制器进行通讯在子千兆赫的ISM频段。该CC430F513x系列为例，结合了TI的CC1101低于1 GHz的射频收发器，其16位MSP430 CPUXV2中心，最多为32 KB的体系内可编程闪存，多达4个内存KB等多种功用，其间包含12位ADC，6个外部输入。它作业在相同的四个子频带：310，433，868，和915兆赫。

尽管子千兆赫的解决计划或许是最适合于物联网运用，蓝牙和其他根据规范的选项。大多数公司还供给在品牌称号独有的集成解决计划，如的MiWi(微芯)，SimpleLink(德州仪器)，和EZRadio(Silicon Labs公司)。

储能

能量搜集运用程序能够运用固态电池作为动力的备份源时从收割机中可用的能量不符合体系的其余部分的直接功率要求。

Cymbet的是公司供给这些解决计划之一。它的EnerChip可充电固态智能电池(办学集体)能够从大多数类型的收割机的存储能量。选用外表贴装技能(SMT)封装，该器材可供给备用电源，从几个小时到依托备用体系的电流要求几个星期。

了解的规划师，其充电固态电池(该产品选用电源失效检测和主动切换)公司具有的EnerChip RTC评价套件结合了CBC34123的EnerChip RTC，恩智浦PCF2123实时时钟(RTC)，一加电办理电路和固态可充电的EnerChip能够供给长达30小时的备用电源，RTC的。只要电路板空间0.25平方厘米组合解决计划占有。

该套件根据PC的软件运用程序经过U盘进行通讯。用户能够设置时刻，日期，和倒数计时器值的时刻来实验RTC备用电源。该运用程序还答应到RTC的用户拜访挂号用于检查和修正。

该公司已与一些MCU供货商，包含瑞萨，德州仪器，以及微芯科技发明完好的能量搜集解决计划。

Microchip的XLP 16位能量搜集开发工具包，例如，是完成能量搜集运用供给一个代表性的开发渠道。它是根据Microchip的PIC单片机选用nanoWatt XLP技能。电源由Cymbet的太阳能搜集器，其间包含适用于室内或室外光运用高效率的太阳能电池板供给。收割机捕获，办理，并在两个EnerChips，这反过来又供给能量给XLP开发板当光不供给贮存能量。

定论

超低功耗芯片，可行的动力搜集解决计划，高密度储能技能和无线传感器节点的严厉的功耗要求的交融发明了一个很大的规划空间依赖于所搜集的能量来运转的体系。从MCU的视点来看，解决计划是或许的32位根据ARM的芯片，根据8051 8位的芯片，和16位根据PIC芯片，仅举3。越来越多的通讯计划也能够跨多个频段和proprietary-和根据规范的解决计划。替代品的数字意味着规划者有必要有一个完全的了解他们的运用 – 特别是能量需求。