MCU低功耗规划（三）产品

导言：

能耗对电池供电的产品来说是一个重大问题，一旦电能耗尽设备将“停工”。在《MCU低功耗规划（一）理论》中，咱们介绍了节能的原理；在《MCU低功耗规划（二）实践》中，实测了STM8L151C8的低功耗值。

本文介绍无线通讯产品的低功耗规划，首要实测MCU与射频芯片I/O设置的功耗，然后测验射频芯片不同形式下功耗，其次运用Contiki体系的energest模块实时盯梢能耗值，最终总结低功耗规划和展望无线组网中低功耗特征。Let’sgo!

一、 无线通讯产品简介

iWL881A无线通讯模块是“长沙市锐米通讯科技有限公司(www.rimelink.com)”的LoRa长间隔低功耗产品（如下图），它内嵌高效强壮的物联网操作体系Contiki，支撑星型/树型/MESH网络，与公司的集中器和云服务器组成“端管云”体系。典型运用场景为：居民抄表（水/电/气）、路灯操控、工厂收集、安全报警等。

该款微功耗无线通讯产品运用场景根本由电池供电，因而低功耗规划成了首个“主战场”。MCU选用了ST公司超低功耗处理器STM8L151C8，射频芯片（RF）运用Semtech公司SX1278，该芯片依据LoRa扩频通讯原理，在同等条件下能够获得比FSK调制近4倍的间隔。关于LoRa通讯原理，请参阅作者的博文《LoRa无线通讯规划（一）原理》。

MCU与RF经过SPI总线衔接，此外还有一些操控引脚，SX1278硬件原理图如下：RF经过DIO0～5引脚给MCU发告诉信号，NSS / SCK/ MISO / MOSI是SPI总线，NRRST是MCU复位RF的引脚。

二、 静态低功耗

1.MCU引脚装备

真实做产品的低功耗，第一件作业是正确装备I/O引脚，单个I/O口的耗能到达mA级。换句话说，假如不小心漏掉或错装备一个I/O引脚，那么它将无情地“吞噬”你苦心经营MCU低功耗形式而得到的成果。

MCU的I/O引脚大致分红4类：未衔接、接3.3V、IC输入MCU输出、IC输出MCU输入。接下来，咱们进行一系列试验，看看这4类引脚该怎么装备。

试验1：接3.3V的I/O口，需求设置成Output, high level，是push-pull仍是open-drain适宜呢？挑选5个上接3.3V的I/O引脚试验成果如下：

push-pull：0.4 uA

open-drain：29.3 uA

定论：关于接3.3V的I/O，节能形式下需求设置成 Output, push-pull, highlevel。

试验2：将36个悬空的I/O口，设置成如下6种形式，各能耗数据如下：

Input, floating： 536 uA

Input, pull-up： 0.4 uA

Output, open-drain, low level： 0.4 uA

Output, open-drain, high-impedance level：530 uA

Output, push-pull, low level： 0.4 uA

Output, push-pull, high level： 0.4 uA

定论：悬空I/O引脚能够设置为：(1)Input, pull-up; (2)Output, push-pull, high(low) level。

试验3：将6个衔接RF（RF为输入方向）的I/O口，设置成如下6种形式，能耗如下：

Input, floating： 489 uA

Input, pull-up： 482 uA

Output, open-drain, low level： 660 uA

Output, open-drain, high-impedance level：494 uA

Output, push-pull, low level： 661 uA

Output, push-pull, high level： 574 uA

定论： 外部IC为输入的引脚，节能形式下需求设置成：Input, pull-up。

试验4：将9个衔接RF（RF为输出方向）的I/O口，设置成如下2种形式，能耗如下：

Input, floating： 430 uA

Input, pull-up： 574 uA

定论： 外部IC为输出的引脚，节能形式下需求设置成：Input, floating。

MCU引脚装备根本准则总结如下：

实践开发中，咱们能够先用Excel表列举出MCU引脚的装备需求，针对上述4种类型，学习“地铁线路”色彩（英国人的创造）标识，如：

2.RF作业形式

关于无线通讯产品，贪婪地“吞噬”电能是射频模块（RF），咱们先看看SX1278官方声称的能耗值：

实践产品中，MCU+RF的整机功耗如下呢？咱们持续看试验数据：

试验5：MCU装备一切I/O引脚为低功耗形式，经过SPI总线设置RF进入Sleep形式，MCU封闭SPI时钟和康复SPI总线引脚到低功耗形式，进入Halt。

成果：整机功耗=0.6 uA。

在《MCU低功耗设计（二）实践》中，咱们知道MCU进入Halt形式，功耗为0.4 uA；再加上RF在Sleep形式下的0.2 uA，总共0.6 uA。

试验6：MCU装备一切I/O引脚为低功耗形式，经过SPI总线设置RF进入Standby形式，MCU封闭SPI时钟和康复SPI总线引脚到低功耗形式，进入Halt。

成果：整机功耗=1.493 mA。

这个1.493 mA的功耗，便是RF在Standby形式下的功耗，由于此刻MCU功耗仅0.4 uA，简直能够疏忽了。

试验7：MCU装备一切I/O引脚为低功耗形式，经过SPI总线设置RF进入Receive形式（该形式能够持久坚持），MCU封闭SPI时钟和康复SPI总线引脚到低功耗形式，进入Halt。

成果：整机功耗=15.97 mA。

当RF处于Receive侦听形式下功耗大到近16 mA，这个数据远大于MCU全速运转的功耗（约5 mA）。

试验8：MCU装备一切I/O引脚为低功耗形式，经过SPI总线设置RF进入Transmit形式，MCU履行WFI(Waitfor Interrupt)指令节能，当发送完毕后MCU唤醒，循环发送数据帧。别离测验发送功率为：+20dBm on PA_BOOST和+7dBm on RFO_LF下的功耗值：

成果：+20dBm on PA_BOOST=123mA, +7dBm on RFO_LF =11mA

发射功率大的惊人吧，尤其是敞开功放和调整到最大功率+20dBm时，电流到达123 mA。

三、 动态低功耗

法国SigFox和俄罗斯的一些公司常常标称抄表无线产品用2节一般AA电池能够作业10年，开端听到觉得人家要么吹嘘，要么技能太高了让国人自暴自弃。人家是怎么完成的呢？咱们一起来看看。

从上面的试验得知，当无线产品处于Sleep形式下功耗仅0.6uA，Receive形式下功耗16mA，TX形式下功耗100mA（超长间隔）。任何一种无线通讯节能技能的中心是尽或许地Sleep，这样将带来极低的整机均匀功耗。

看一个实例，在大多数能耗表计的无线抄读要求：大约15分钟发送一次数据帧，约100ms；4秒内能唤醒，即每400秒需求一次5ms的接纳侦听；其他时刻都处于Sleep休眠。以15分钟（900秒）为单位，能耗如下：

发送：100ms * 100mA= 10mA.s

接纳：(900 / 4) *5ms * 16mA = 18mA.s

休眠：898s * 0.6uA= 0.54mA.s

均匀功耗：(10mA.s +18mA.s + 0.54mA.s) / 900s = 0.0317mA

设2节AA电池总电能为3000mAH，能功耗的时刻为：3000mAH / 0.0317mA = 94637H=10.8年。

从上述实例能够看出，要尽或许地延伸无线通讯产品的寿数需求以下规划准则：

l尽或许地Sleep，且Sleep下功耗尽或许地低；

l削减侦听的时刻；

l进步通讯成功率，尽或许地防止抵触重传。

完成上述规划，需求优异的网络协议栈，特别是RDC（Radio Duty Cycle）层算法要合理；而协议栈和软件运转的根底是操作体系，印证了智能产品规划“三分硬件，七分软件”的规则。

iWL881A选用了功耗强壮的物联网操作体系Contiki和Rime无线通讯协议栈，产品的动态功耗运用Contiki的energest模块来盯梢。

Contiki体系为便利盯梢节能规划了energest模块，它能盯梢组件运转时刻。它的数据结构如下图所示，energest_total_time记载组件总运转时刻，energest_current_time记载组件敞开时刻，energest_current_mode记载组件当时是否敞开，时刻的单位为rtimer_clock_t。

energest数据结构

当一个组件敞开时调用ENERGEST_ON()，当该组件封闭时调用ENERGEST_OFF()。这2个动作的时序逻辑如下图所示。

energest时序逻辑

当用户需求计算组件运转时刻，首要调用energest_flush()函数，它将一切组件的运转时刻结算到当时时刻；然后调用energest_type_time()函数，取出对应组件的运转时刻；最终能够依据组件的功率换算成耗费电能。

iWL881A运用Contiki的energest模块能够实时打印能耗盯梢信息：

CPU=5977ms, RF_TX=179ms,RF_RX=1512ms, IRQ count=30303

CPU=6023ms, RF_TX=181ms,RF_RX=1507ms, IRQ count=30304

CPU=5984ms, RF_TX=180ms,RF_RX=1497ms, IRQ count=30303

上述时刻是300秒内的计算值，它阐明：CPU大约6000 / 1000 / 300 * 100%=2%占空比，RF的发射大约180 / 1000 / 300 * 100%=0.06%的占空比，RF的接纳大约1500 / 1000 / 300 * 100%=0.5%的占空比，中止次数约30300 / 300=101次（测验体系包括100Hz的“心跳”时钟）。

四、 组网低功耗

无线产品在组网的运转中，往往会有抵触重传、睡觉唤醒、路由转发等多种通讯形式，这儿能耗的盯梢将更具挑战性，请持续重视“长沙市锐米通讯科技有限公司”的LoRa组网系列博文。