原创 低功耗设备如何测试与分析功耗

我先唠点：

本文用于记录低功耗设备开发时，如何利用示波器测试出单片机进入低功耗模式，被中断唤醒后，执行完任务便继续进入低功耗模式。根据测试出的波形，对单片机睡眠时长及唤醒时长进行分析，进而判断低功耗设计是否符合要求。

用到的东西：

示波器、低功耗单片机电路板、供电电池、大功率电阻、电烙铁、镊子、数字万用表。

开始操作：

一般物联网设备都是电池进行供电，所以低功耗问题处理的是否得当直接决定了物联网设备的使用寿命。一般的低功耗产品前后台程序设计思路是，上电后进行相关外围设备电路的初始化，然后进入while大循环执行工作任务，然后进入睡眠。有中断时，CPU才会被唤醒，去执行中断任务，然后在进入while大循环执行工作任务。如果期间没有中断，整个程序会停在睡眠点。但实际应用中，不会让单片机一直去睡，一般设置一个定时器，比如250ms，去唤醒下单片机，趁着单片机醒着做一些采样等工作任务，假设执行这些工作任务得需要500us，执行完任务后又被配置为睡眠模式，单片机继续睡（睡眠期间定时器正常工作）。这样连贯起来，单片机干500us活儿，睡250ms，一直这样循环，就可以实现低功耗。

我们在实际的程序设计过程中，执行工作任务的时长可能会受到设计代码影响，使得单片机醒着的时间不确定，我们就需要用示波器去测量出来，单片机究竟睡了多久，又醒了多久，从而估算功耗设计是否符合设计要求。

由于单片机在睡时功耗小，电流小，而在醒着的时候，功耗大，电流大，我们可以在电源电路中串联一个大功率电阻，这样电流的变化，就可以转换为电阻两端电压的变化，连接上示波器，就可以被捕获到电压变化的波形，从而分析睡眠和唤醒的时间长度。

在确定了测试的方法后，就要去确定下测试用的大功率电阻选取多大了。选的太大，电阻会分担回路太多电压，从而影响低功耗设备正常工作，选的太小的话，电流变化时，电阻两端的电压变化不明显，示波器不容易捕捉到波形。我用万能表串联到回路中，对低功耗模式下的设备干路电流进行了测量，大概是10uA。又将单片机配置为非低功耗模式，测试了下电流大概是15mA。我从手中的大功率电阻中，选取了一个20Ω的电阻，这样在非低耗模式下，分担的干路的电压是0.3v(20*15*0.001=0.3V)，3.6v电池进行供电时，还可以留给低功耗设备3.3V电压，可以满足单片机正常工作的电压。低功耗模式下，电阻两端的电压是0.2mv(20*10*0.000001=0.2mV)。电压从0.2mV变化到0.3V，变化明显，示波器可以较好地捕捉到波形。

把电阻串联到电路中，打开示波器就开始测量了，可是发现无论怎么调节示波器，电压跳变的波形就是出不来，我开始以为是开着×10衰减，把本来就小的输入电压衰减了，示波器不容易捕捉到。可是把衰减跳到×1时，发现也不行。

于是，转向同事请教，同事问我有没有去掉电容，我一拍脑袋，才想到电路中的几个旁路电容，还挺大。赶快用电烙铁和镊子把比较大的两个电容去掉，重新上电后，调节示波器，波形就出来了。

从上面的两个波形可以看出，第一个波形的宽度大概是500us，且电压也较大，这个是唤醒后，执行工作任务时的波形。第二个波形的宽度大概是200us，这个是定时器中断唤醒后，执行的中断任务。定时器中断中干的活儿项目少，消耗的电流少，所以电阻上电压变化也比较低。而执行工作任务时，会开启较多的外围电路，功耗增加，反应到电阻两端的波形变化也较明显。除了波形中的这两个波峰外，其他的平平的波形，就是设备处于睡眠状态下的情况了，可以通过调节示波器，看出睡眠状态的周期长度，从而确定程序的低功耗设计是否得当。

再唠会儿磕：

现在想想，去测试低功耗设备的工作状态的背后原理就是很简单的欧姆定律，可是对于刚毕业只懂得些理论知识的我，在工作时却不会拿理论去应用。测试中碰到无法捕获跳变电压的问题，我也是请教了同事，才考虑到大电容对测试的影响，可想想就是电容两端的电压不能突变的一个道理，在实际工作中，却总是摸不清头脑。以后，还是希望能通过写文章的方式，去将自己的实践与理论去结合起来，认真总结，去提升自己的实践知识储备能力。