長期以來，在所有的業界和市場中，我們一直都能看到對于能夠長期運作的高能效、電池供電型設備的需求；隨著物聯網(IoT)的興起，嵌入式設計人員正把大量精力放在關注「超省電」設備的電源管理。 當考慮到需要某種形式無線連接的電池供電型設備時，無論在簡單的點對點無線網絡配置，或是更復雜的星型或網狀網絡中，這都尤為真切。 有許多被認為非常適合超省電設備類型的應用，其中一個典型的例子是無線傳感器節點，從功能上看，它是一個需要長期運行(在某些情況下長達幾年)同時采用電池供電的相對簡單設備。 要為這類應用建構成功的產品，開發人員必須考慮整個設計的諸多方面。 這些設計考慮不僅包括微控制器(MCU)和它的能效等級，而且也包括系統中的其他元素，例如無線接口(不僅僅是物理實現，也包括使用的無線協議)、系統級電源管理(例如，整合到MCU中的低壓差調節器或者專用電源管理IC)、傳感器、以及需要收集和處理傳感器數據的模擬功能。 圖1顯示了無線傳感器節點的關鍵組成部分。 讓我們首先從MCU開始討論，這是設計的核心。 對于電池供電的無線傳感器節點來說，MCU必須具備超高的能效。 RF協議和數據處理的需求(可能用于訊號調節和數字訊號處理)將可能決定32位或者8位MCU的選擇，盡管如此，無論MCU如何選擇，許多低能耗需求依然是必要的。 圖1 典型的無線傳感器節點架構 例如把MCU從超低功耗模式喚醒到全速運行模式的時間長度(例如2微秒)，將對節省電池電量產生顯著差異；在這種情形下，MCU喚醒時間越短越好。 在MCU進行功耗模式轉換期間，它不能做任何有意義的事情。 其他兩個也對系統級能耗具備顯著影響的參數是：低功耗模式下的能耗(應當小于1微安培)和工作模式期間的能耗(這取決于使用的MCU核心以及MCU自身的制程技術，通常應當在150微安培/MHz或以下)。 也有其他因素影響能效，但是這三種因素(計算需求、低功耗模式時的能耗和工作模式時的能耗)是最基本的架構考慮因素，將大幅影響應用中MCU的選擇。 系統設計人員也應仔細考慮所選擇的MCU有多少能力是不仰賴CPU核心本身的。 例如，透過傳感器接口的自主處理能力能夠顯著節省能耗。 自主型傳感器接口透過MCU為傳感器提供觸發訊號(或者電源)，能夠讀回和解釋結果，直到獲得「有用」數據以后才喚醒MCU，這對于延長系統電池壽命大有幫助。 例如圖2所示，Silicon Labs的EFM32 MCU架構結合了自主型低能耗傳感器接口(又稱為LESENSE)和電路板上的比較器，能夠從周邊傳感器收集數據并且僅僅在有正確或者有用數據后才喚醒CPU，實現所有功能所需的超低功耗預算僅僅1.5微安培。 圖2 32位的EFM32 MCU中的低能耗傳感器接口(LESENSE)技術 雖然還有其他的MCU節能措施需要在超省電型應用中加以考慮，以我們的簡單無線傳感器應用范例來說，仍有很多除了MCU以外需要考慮的地方。 現在讓我們轉到無線連接組成部分，我們能夠考慮幾種顯著不同的選項；無線拓撲(如圖3所示)和協議選擇(如圖4所示)都將影響需要維持無線鏈路的功耗預算。 圖3 網絡拓撲范例 在某些情形下，采用私有sub-GHz協議的簡單點對點連接可能看起來是合適的選擇，因為它可能僅需要消耗最少的電池電量。 然而，這種簡單的無線配置限制了傳感器發揮作用的部署位置和范圍。 建構在2.4GHz或者sub-GHz技術上的星狀配置增加了傳感器部署的靈活性，這意味著能夠在同一網絡中部署更多的傳感器，但是這也可能增加用于傳輸數據的協議之復雜性，因而增加RF傳輸量，并且導致消耗更多電池電量。 第三個值得考慮的選項是基于協議堆棧(例如ZigBee)的網狀網絡配置。 雖然網狀網絡消耗最大的傳感器節點電池電量，但是它也提供了任意節點間皆可相互傳輸的最大部署靈活性。 藉由無線協議堆棧(例如ZigBee)，網狀網絡也能夠提供具備自修復能力網絡的最可靠部署選項(也就是說如果網絡中的一個節點發生了故障，被發送的訊息仍然能夠找到另一條路徑而到達目的地)。 與網絡配置選擇密切相關的是必須傳輸的數據量，包括從節點到節點或者從節點到收集器。 在傳感器節點，在無線鏈路上傳輸的數據量應當相對小(尤其是如果一些數據能夠在節點的MCU上處理，那么僅僅需發送相關信息，而不是傳輸所有收集的數據)。 因此，ZigBee提供了最佳的網狀網絡解決方案；Bluetooth Smart是基于標準的、功耗敏感型點對點配置的最佳選擇；專有型的sub-GHz解決方案在星型或者點對點配置中為網絡大小、帶寬和數據負載提供了最大的靈活性。 表1匯整了IoT應用中領先的RF技術的多種關鍵特性和好處。 表1 RF協議之間的主要不同點 考慮采用長距離(long-range)技術和平臺(例如LoRa和Sigfox)也是有幫助的，它們支持高節點數量網絡連接，具備最大數十公里傳輸距離并且仍然支持低功耗系統。 使用這些長距離無線技術，能夠在極廣的區域部署節能型傳感器節點。 對于無線連接來說，另一個考慮因素是用來保護傳輸數據的加密設計；如何處理加密對超省電型設備產生很大影響。 例如，ZigBee加密內建在協議堆棧中，但是如果用于執行協議堆棧的MCU (或者處理器核心)沒有適當的加密硬件，那么它將不得不采用軟件方法，花費更多周期來執行算法。 舉例來說，在一個具備AES硬件加速器的ARM Cortex-M0 處理器上執行128位的AES加密邏輯花費54個周期，而在沒有硬件加速器的ARM Cortex-M0 處理器上，執行同樣的加密邏輯將花費4,000個周期，大約是具備硬件加密支持MCU的80倍；當傳感器節點在無線鏈路上接收或者發送數據時，這將對整體功耗產生顯著的影響。 在IoT市場中，無線鏈路上的安全傳輸需求正在增加。 隨著更加復雜的加密需求出現在無線網絡中，這種超省電型設備中因加密功能而帶來的電源管理考慮正變得日益重要，并且對于開發人員進行硬件選擇帶來顯著的影響。 就節點范例中的傳感器而言，有許多可以選擇，從光、環境、到運動傳感器。 傳感器的選擇最終是由你要測量什么而決定。 在我們的例子中將選擇環境光強度測量；有幾個選擇可以用于測量環境光，以分離式感測組件開始，它們可以被設計實現非常低的功耗，但是這種方法把訊號的調節和處理負擔放到MCU上。 其結果是MCU將需要在更長的時間周期內處于工作模式；更多外圍將保持工作狀態，例如模擬數字轉換器(ADC)等，而整體系統功耗將會上升。 另一種選擇是使用內建智能型環境光傳感器，如圖4所示。 圖4 具備內建訊號調節功能的環境光傳感器 把訊號調節內建到傳感器中提供一些顯著優勢；被發送到MCU的數據將是可被應用快速且容易解釋的相關數據，這意味著MCU能夠盡可能長的保持休眠狀態。 有預調節過的數據發送到數字接口，例如SPI或者I2C，也意味著MCU能夠比使用自身ADC更有效的收集數據。 雖然這個范例中指定了環境光感測，但是許多其他傳感器有類似的實現方式，包括內建的智能且能提供數據給主機MCU，這些都能實時實現降低整體系統功耗的目標。 省電型設備應用中最后的設計考慮是簡化系統本身供電。 取決于應用中使用的電池類型，如果需要比電池所提供更多的電壓或電流，通常需要升壓轉換器或者升壓開關調節器。 例如，如果你正在使用1.5V單節鈕扣電池，但是需要為MCU產生3.3V供電，那么當考慮整體設備電源管理時，你需要考慮支持這個功能。 因此在這里的慎重選擇可能再次對系統的整體功耗產生重要影響；大多數可用的升壓轉換器消耗大約5~7微安培電流，但是如果設備大多數時間處于休眠模式，那么這將是一項沉重的負擔。 現在已經有具備1微安培功耗甚至低至150nA的升壓轉換器(同時維持高升壓效率)供選擇。 對于更復雜的系統，考慮采用電源管理芯片(PMIC)更精確地控制整個系統是值得的；從單一電源，你能夠產生多個電壓以驅動嵌入式系統中的不同組成部分，調諧每一電壓能夠提供恰好的應用所需，而沒有任何能源浪費。 例如，你能夠單獨為系統中的無線部分提供電源，這意味著無線部分能夠在不使用時完全的關閉(如果協議支持這種能力)；或者，如果你有支持I/O和核心分別供電的MCU，你能夠透過使用PMIC再次獲得最佳MCU能耗，并且也能夠為應用中使用的傳感器提供單獨的電源。 高質量的PMIC也將為一般系統控制提供額外的功能，例如看門狗定時器(watchdog timer)和回復能力。 PMIC不適合所有的應用，部分原因是由于額外的成本，但是在可承受額外成本的應用中，PMIC方式代表了超省電型應用中整體系統能耗管理的極佳途徑。 總之，在開發電池供電的超省電型應用中，有多種不同的系統設計方面涉及其中。 不僅僅是半導體組件選擇和軟件整體設計，還包括無線協議堆棧、加密和數據處理等，都是重要的考慮因素。 每一種設計都能夠顯著影響系統的總體功耗預算，幫助你建構具備最大化電池有效使用壽命的超省電型設備，這正是良好的IoT系統設計的關鍵所在。 (mbbeetchina)