低功耗MCU为能量收集应用

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来源   21ic

远程传感器节点是物联网(IOT)网络中不可或缺的元素 - 寻求主流能源收集解决方案也得到了一个“杀手级应用”的到来加速。虽然这些节点可以是复杂的设计，它们都具有四个组件中共同 - 一个MCU，一个传感器，收割机，和RF收发器。传感器节点需要的能量源，但它往往是不切实际的它们连接到电力网。类似地，定期改变标准的碱性电池被认为是令人望而却步的劳动成本，因为节点通常广泛分布。

能量储存是通常在大多数情况下，少量的能量收获必须存储并在需要时所使用的系统，以及因为一部分。这增加了可再充电电池系统。其它公共组件包括一个电源管理芯片，和信号调节电路，在最起码处理模拟 - 数字(ADC)的数据转换。一个典型的传感器系统搭载收获能量如图1所示。

Silicon Labs的能量采集传感器节点的图像

图1：能源采集传感器节点。 (Silicon Labs公司提供)

之前考虑的几个这些系统的更重要的设计方面，值得以具有通过各种形式的收获可以多少能量提供一些想法。

可以分为四大类：震动，温差，光照和RF。如图2，环境室外光(太阳能)和振动工业机器提供的超过其它来源大约三个数量级的一个优点 - 但不是所有的应用程序要求多的能量。

图2：能量采集源。 (德州仪器提供)

尽管存在分歧，光伏，运动和热收获有几个共同点：他们产生不稳定的电压，而不是稳定的3.3 V或1.8 V设计工程师有时会觉得理所当然;和他们提供间歇功率(有时没有供电)，这是对于包括可再充电电池的原因。

设计注意事项

没有少于五芯片企业与MCU产品线创造了能量收集解决方案。它们包括：德州仪器，意法半导体，Silicon Labs公司，恩智浦半导体和Microchip的技术。通常情况下，他们提供自己的微控制器，传感器，收发器和模拟芯片的一些组合，但与第三方公司以科技为能量收集器的合作伙伴。

从设计的角度来看，第一个步骤是选择的组件，这将满足应用的功率目标。关键因素包括：一个非常低待机电流;非常低有源功耗;并能够工作和待机模式之间极其快速切换。

是能够工作和待机模式之间快速切换的值不是立竿见影，但它可以对能源消耗产生深远的影响，因为能量基本上是浪费，而该设备的过渡，从待机到活动模式。

能量数据采集过程中消耗的是在传感器系统的一个重要的考虑因素。如果应用程序需要显著的处理能力 - 一个健康监测设备，例如 - 微控制器基于ARM之一的Cortex-M内核是一个显而易见的选择。这些32位MCU，其实是可以很省电，因为内核具有的功能和指令集的功能，工程师们可以比较轻松地利用。对于超低功耗应用中，Cortex-M节能模式2(EM2)，并等待换事件(WFE)指令特别有用。

WFE几乎是不言自明的。代替连续轮询时，CPU等待到发生特定事件。包括ARM在Cortex-M的指令集WFE指令。

该EM2深度睡眠模式使MCU提供自主运行的高度，同时保持能源消耗低。核心的高频振荡器被关断，但低能量外设可以继续访问一个32千赫振荡器和实时时钟。在这些条件下，在CPU不运行 - 因此MCU实际执行在睡眠模式中高级操作。功率消耗在EM2为0.9微安。

让我们来看看的Cortex-M为基础的方案进行数据采集。

ARM Cortex-M的特点

常规的方式进行数据采集是触发ADC捕获与一个计时器和过DMA总线传输数据。使用Silicon Labs的神奇壁虎EFM32WG230F256-QFN64作为示例，可以预期的电流消耗为165微安以1 K个采样/ s的采集速率和350微安为32千样本/秒。虽然这种技术充分利用周边的互动，它不使用任何特殊的MCU或指令集功能。结果由红线在图3所示图形的范围内采集速率的。

第二个选项(标识为图3中的绿线)通过利用EM2保持MCU待机直到中断唤醒它降低了能耗。中断可以由任何数量的事件，包括一个特殊的定时器，经营而核心处于EM2模式被触发。该功能使MCU可以回到全速工作，在短短2微秒。该MCU吸引0.9μA在EM2模式下的待机电流。这优化了超低功耗模式所花费的时间和降低电流的要求，在1 K个样本/秒采集到60μA - 一个显著改进的选项之一。该技术是适合于中断驱动的应用程序，但根据具体情况也有更多的机会，以减少能源消耗。

EM2采用的依然是第三个选项(蓝线图3) - 但不是等待中断，它采用了Cortex-M指令集的等待事件(WFE)指令。 WFE使MCU可以向外部或内部事件做出响应例如由中断产生。代替使从主回路的过渡到一个中断的，但是，在MCU从EM2唤醒并简单地执行下一条指令，这消除了中断延迟。这种方法是不适合于所有应用。然而，当它可以用于功率消耗降到小于20微安，实现了1 K个采样/ s的数据采集速率。

Silicon Labs的电流消耗与采样频率的图像

图3：消耗电流采样频率。 (Silicon Labs公司提供)

当三个选项被认为过采样率的范围，如图3中，一个有趣的结果是观察。有些情况下，传统的第一选择实际上产生比两个节能选项更好的效果交叉点。在中断方式的情况下(选择2)交叉发生在4 kHz的采样率。在WFE方法的情况下，交叉是在20千赫抽样率。还应当指出的是，大多数的应用程序都与能量收集可行，数据采集速率是相当低的。

混合信号微控制器

微控制器基于32位ARM Cortex-M内核，当然，不是为能量收集应用程序的唯一选择。许多可与8位和16位MCU，往往更熟悉嵌入式设计工程师以及作为较便宜的顺利实施。

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性能。这是很难进行直接的性能比较，因为企业通常使用不同的方法和假设，以在性能指标到达。不过，这两家公司提供零件的休眠电流下降到低至约10μA，令人印象深刻的有功功率的性能和功能，如从睡眠状态的快速转换到活动状态。

当涉及到剪裁功耗可从收集解决方案的能源，交通是一样的MCU一样重要。一些MCU厂商都在片上集成射频功能。 Microchip提供了一系列的MCU与以未经授权的ISM频段310〜930 MHz的集成解决方案。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要诸如传感器节点的RF双向通信链路的嵌入式系统的具体要求。既高性能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信在子千兆赫的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核心，最多为32 KB的系统内可编程闪存，多达4个内存KB等多种功能，其中包括12位ADC，6个外部输入。它工作在相同的四个子频带：310，433，868，和915兆赫。

虽然子千兆赫的解决方案可能是最适合于物联网应用，蓝牙和其他基于标准的选项。大多数公司还提供在品牌名称独有的集成解决方案，如的MiWi(微芯)，SimpleLink(德州仪器)，和EZRadio(Silicon Labs公司)。

储能

能量采集应用程序可以使用固态电池作为能源的备份源时从收割机中可用的能量不符合系统的其余部分的直接功率要求。

Cymbet的是公司提供这些解决方案之一。它的EnerChip可充电固态智能电池(办学团体)可以从大多数类型的收割机的存储能量。采用表面贴装技术(SMT)封装，该器件可提供备用电源，从几个小时到依靠备用系统的电流要求几个星期。

熟悉的设计师，其充电固态电池(该产品采用电源失效检测和自动切换)公司拥有的EnerChip RTC评估套件结合了CBC34123的EnerChip RTC，恩智浦PCF2123实时时钟(RTC)，一加电管理电路和固态可充电的EnerChip可以提供长达30小时的备用电源，RTC的。只有电路板空间0.25平方厘米组合解决方案占据。

该套件基于PC的软件应用程序通过U盘进行通信。用户可以设置时间，日期，和倒数计时器值的时间来试验RTC备用电源。该应用程序还允许到RTC的用户访问登记用于查看和修改。

该公司已与一些MCU供应商，包括瑞萨，德州仪器，以及微芯科技创造完整的能量采集解决方案。

Microchip的XLP 16位能量收集开发工具包，例如，是实现能量收集应用提供一个代表性的开发平台。它是基于Microchip的PIC单片机采用nanoWatt XLP技术。电源由Cymbet的太阳能收集器，其中包括适用于室内或室外光使用高效率的太阳能电池板提供。收割机捕获，管理，并在两个EnerChips，这反过来又供应能量给XLP开发板当光不提供储存能量。

结论

超低功耗芯片，可行的能源采集解决方案，高密度储能技术和无线传感器节点的严格的功耗要求的融合创造了一个很大的设计空间依赖于所采集的能量来运行的系统。从MCU的角度来看，解决方案是可能的32位基于ARM的芯片，基于8051 8位的芯片，和16位基于PIC芯片，仅举3。越来越多的通信方案也可以跨多个频段和proprietary-和基于标准的解决方案。替代品的数字意味着设计者必须有一个彻底的了解他们的应用 - 特别是能量需求。

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