即使是在諸如物聯網應用的無線連接這種主導功耗的事件中，讓盡可能多的進程自主運行，也可大大提高電池壽命。降低功耗一直是微控器(MCU)市場的一個主要關注點。超低功耗MCU現在可以大大降低工作模式和深度睡眠模式下的功耗。這種變化的效果是顯而易見的，它大大提高了我們日常嵌入式應用中的電池壽命，并且提供了在未來使用能量收集的可能性。

然而，要基于新型MCU降低功耗，開發(fā)人員必須考慮到許多因素，對此Silicon Labs特別撰寫一篇技術文章：“以0 MIPS運行你的嵌入式系統(tǒng)”，幫助開發(fā)人員了解如何利用新型MCU中外設的自主運行，通過更接近以“0”MIPS運行，來實現數據手冊中所承諾的低功耗。

低功耗為嵌入式系統(tǒng)研發(fā)關鍵

對于在功耗敏感型物聯網(IoT)應用中所使用的新型MCU和無線MCU(WMCU)來說，執(zhí)行代碼時的功耗已經明顯下降，甚至達到40μA/ MHz以下。使用這些低功耗規(guī)格，您可能會想知道為什么我們需要睡眠模式，為什么不以500 kHz運行您的代碼來實現20μA的電流消耗，并且允許您的應用使用電池運行10年?其實事情并不是這么簡單的。

睡眠模式下的功耗在過去幾年中也有顯著的改善。我們現在可以看到深度睡眠模式下的功耗低于2μA，而一些睡眠模式下的功耗甚至低于50 nA。您可能會覺得擁有這些模式設計出來的系統(tǒng)功耗自然很低，然而事實并非如此，應用能否利用睡眠模式才是關鍵。

為什么工作模式是好的...也是壞的

使用MCU或WMCU的最直接的方法是讓CPU管理一切。例如，您可以啟動模數轉換(ADC)，將一些數據放入通信接口(如USART傳輸)中，讀取ADC數據，并對數據做出一些處理，所有一切都由CPU直接控制。直接的CPU控制簡化了開發(fā)，但其成本是：每當外設或外部事件需要處理時，MCU都將處于工作模式，從而使功耗大增。

近期，一些數據手冊顯示工作模式的電流是40μA/MHz甚至更低，它們通常是高時鐘頻率下的參數，低頻下會變大，進而導致絕對功耗變大。這是因為工作模式下頻率和功耗不是線性關系。功耗由如下兩部分組成，其中第二部分和頻率聯系不緊密：

1. 處理器本身，它是和頻率按比例變化的。

2. 有基礎工作電流的模塊，比如低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)，欠壓檢測器(BOD)等。

要想降低功耗，應盡可能地減少MCU在高功耗的工作模式下運行，盡可能地關閉外設，讓CPU盡可能多地睡眠。

功耗預算

對于受限于能源的電池供電型應用來說，要知道能源消耗在哪里才能進行優(yōu)化。表1顯示了一個傳感器檢測無線應用的功耗預算，它的功耗優(yōu)化不太好。

通過平均計算每個組件的功耗來測量或估計功耗。如果CPU占空比為兩個百分點，并且在60μA/ MHz時工作在20 MHz，則CPU的消耗為24μA。

請注意，表1所示的功耗預算是根據功能劃分的。例如，基礎睡眠電流包括一個低頻振蕩器和一個實時時鐘(RTC)來對系統(tǒng)事件進行定時從而允許深度睡眠。

傳感器測量部分是由一個0.5kHz的中斷觸發(fā)，中斷之間深度睡眠。低功耗藍牙每秒鐘都要把數據發(fā)出去，這是個很普遍的低功耗應用。最后，還有一些非MCU部分的功耗。MCU可能無法直接控制這些模塊中的一部分，包括電源管理外設，在這個例子中，MCU是直接控制ADC對傳感器進行采樣，如果不是的話，傳感器電流將完全是圖片中的數據。

對于這個例子，傳感器的持續(xù)電流大約是390μA，但是通過調整占空比，每個ADC采樣僅僅使用了10 μs的時間，從而可以大大降低功耗。

表1 目標應用的功耗預算

如果該無線應用由具有225 mAh容量的CR2032電池供電，則在61.6μA功耗下操作時其壽命約為0.4年。事實上，我們可以做得更好。

改善現狀

我們來看看降低MCU傳感器測量電流的方法。雖然此示例涉及ADC測量外部傳感器，但相關示例可能集中在一系列不同類型的測量以及與外部環(huán)境的交互上。在這兩種情況下，MCU和外部環(huán)境之間都會發(fā)生頻繁的交互。

實現低功耗傳感的最簡單的方法是讓CPU盡可能多地處于睡眠模式，只在采樣時喚醒，并盡可能快地重回睡眠模式。對于非常低的采樣率來說，這種方法很好，但是從圖1可以看出，當每秒采樣次數增加時，系統(tǒng)的功耗也會顯著增加：

圖1 采用中斷進行ADC采樣，顯示出隨著每秒采樣次數的增加，功耗也在增加

許多類型的應用必須具有頻繁的活動，同時還需要保持電池壽命。超過1kHz的活動率并不是聞所未聞，這時候就需要采取措施來保持低功耗。