原创 超低功耗Zero Gecko MCU最大化产品电池寿命

功耗敏感型（对电池寿命有要求的）应用在选择MCU时，为满足超长电池寿命的要求，应尽可能选择功耗小的产品。在这些应用中，MCU可能大部分时间处于休眠状态，当有任务需要处理时，MCU进入工作状态，处理完成后再次进入休眠状态。因此，MCU的总体能耗等于工作模式能耗与休眠模式能耗之和。要做到低功耗，MCU一方面需要降低休眠模式功耗，一方面需要降低工作模式功耗。 为满足低功耗的要求，同时又提供一定处理能力（32位），Silicon Labs旗下Energy Micro设计了一款基于M0+的MCU产品Zero Gecko。为什么取名叫“Gecko（壁虎）”？Silicon Labs亚太地区MCU资深市场经理彭志昌（Alan Pang）（图1）介绍，是因为壁虎是世界上耗能最低的动物。EFM32 Gecko整个系列的MCU产品（在Zero Gecko之前，Energy Micro已有超过200个基于M3和M4的MCU型号）都是针对功耗而开发的，而Zero的含义则是其功耗几乎为0。

图1：Silicon Labs亚太地区MCU资深市场经理彭志昌（Alan Pang）。

彭志昌表示，EFM32 Zero Gecko系列MCU是世界上最节能的ARM MCU，也是EFM32 Gecko家族的最新成员。它是为功耗敏感、电池供电的无线应用而优化的解决方案。如何做到节能？Zero Gecko采用了复杂的功耗管理系统，具有五种功耗模式——不同产品对于功耗的要求以及所使用的模块和方式都不相同，在用户需要使用某个模块时，只需打开包含有该模块的功耗模式，就可减少整体功耗。 此外，Zero Gecko还具有最佳的模拟外设，包括片内IDAC（电流DAC——若需要电压输出，外接电阻即可），适用于无线安全的片内AES加密（提升加解密速度，减轻CPU负担，从而降低功耗），以及完整的Simplicity Studio生态系统（开发平台）。 Zero Gecko MCU的最高频率为24MHz，片内Flash有4、8、16、32kB四种选择，片内RAM为2或4kB。它提供QFN24(5mm×5mm)、QFN32(6mm×6mm)、QFP48(7mm×7mm)三种封装形式。 Zero Gecko内部由CPU和存储、时钟管理、电源管理、串口、IO端口、定时器和触发器、模拟模块和安全几大模块组成，提供EM0（运行模式）、EM1（休眠模式）、EM2（深度休眠模式）、EM3（停止模式）和EM4（关机模式）五种功耗模式（图2）。

图2：EFM32 Zero Gecko架构。

彭志昌解释说，每个模块在打开后都会产生功耗，在EM4模式时，MCU仅提供IO口的一些操作和上电复位操作，使功耗处于最低。若用户需要使用更多的功能，则可以调整工作模式到更高的级别，比如在EM3模式时，除EM4模式支持的功能外，还可以使用RAM存储器、调试接口等模块；在EM2模式时，除EM4、EM3支持的功能外，还可以使用低功耗串口、实时时钟等；以此类推…… 另外，EFM32还具有独特的“外设反射系统（PRS）”。MCU通过软件或指令处理任务，若采用ADC定时转换信号，通常CPU会定时一段时间对信号进行采样，再将数据放入RAM中，然后进入睡眠状态。有了PRS后，CPU可以处于睡眠模式——定时器计时完毕后，将会产生一个触发信号送给ADC，ADC捕获数据转存到RAM中，完全不需要CPU去管理。Zero Gecko具有四通道PRS，支持8输出7输入信号，可以实现定时器与ADC、串口等的互通。 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 EFM32 Zero Gecko MCU拥有极低的工作模式功耗（110μAMHz），这在许多8位MCU中都很难实现。虽然其性能不如基于M3的MCU，但其处理速度比8位MCU要强得多（0.93DMIPSMHz，2.07CoreMarkMHz）。另外， MCU从休眠到唤醒所做的功是无用功。Zero Gecko MCU从休眠模式到唤醒所需时间仅为2μs，从而能够有效节省功率浪费。 Zero Gecko MCU具有超低待机电流，在关机（EM4）模式时，其功耗小于20nA；在深度休眠（EM2）模式（保留POR、BOD、RTC、RAM和CPU状态等）时，其功耗仅为900nA。该MCU的所有外设在CPU休眠时都能依旧保持运行；从串口接收数据转存到RAM可通过DMA操作完成，CPU可以处于休眠状态；同时，所有外设都能够自主运行。 Zero Gecko MCU各种功耗模式的电流消耗如图3所示。除5种功耗模式外，该系列MCU还具有超高能效的外设，比如12位模数转换器在1MSps采样率下，电流消耗仅为350μA；低功耗UART电流消耗仅为150nA；电流DAC最低电流消耗仅10nA。

图3：EFM32 MCU设计优良的能耗模式及超高能效的外设。

Zero Gecko适用于能耗敏感型应用，比如水表、气表、电表，智能家居和建筑自动化，报警和安全系统，健康和健身设备，以及智能外设等（图4）。Zero Gecko部分应用实例如图5所示。

图4：Zero Gecko适用的能耗敏感型应用。

图5：Zero Gecko应用实例。

同时，Energy Micro为EFM32提供了开发平台Simplicity Studio。该开发软件适用于Windows、Linux和MacOS X系统开发，提供免费的库、源代码模板和应用笔记，以及特有的代码创建、调试和功耗探测工具。功耗探测工具Advanced Energy Monitoring（AEM）使工程师在调试程序时，无需借助其他测量工具，就可以观察MCU运行每条指令时的功耗（比如驱动ADC时的功耗）。而能耗调试工具energyAware Profiler使用来自AEM的数据可以完成相关对象代码的实时图表绘制和调试。另外，MCU开发少不了烧录器、集成开发环境/编译器等工具，这些在Simplicity生态系统中都有包含（如图6所示）。

图6：完整的Simplicity生态系统。

最后，Silicon Labs提供了完整的低成本入门开发套件EFM32ZG-STK3200。该套件具有的以下特点：加速评估和应用开发；内建SEGGER J-Link调试器，无需其它调试适配器，节省成本；先进的能耗监视系统；无需万用表示波器；Memory LCD和电容式触摸按键；69美元的经济的价格。此外，Energy Micro所有的Gecko系列（基于M0+、M3、M4的MCU）产品软件兼容，并且同种封装引脚兼容，可以很方便地进行移植。 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载