MCU低功耗设计实例吧
21ic 2024-02-21

在性能相当的条件下,低功耗设计的产品往往更受青睐。但是,低功耗产品在价格上往往更贵。上篇文章中,小编对功耗的组成等知识有所阐述。为增进大家对功耗的了解,本文将对MCU耗能的原因予以介绍,并分析如何实现MCU的低功耗设计。如果你对功耗相关内容具有兴趣,不妨继续往下阅读哦。


一、MCU耗能因素

现代的MCU一般使用CMOS技术,耗能包括2方面:

静态消耗 主要是晶体管消耗能量;

动态消耗 公式=C&TImes;V2&TImes;f,其中C是CMOS的负载电容,V是供电电压,f是时钟频率;

总电能消耗是静态消耗和动态消耗之和,即:IDD=f&TImes;IDynamicRun[uA/MHz]+IStaTIc[uA]。

因此,电能消耗依赖于:

MCU芯片尺寸 或者说晶体管的数目;

MCU供电电压 降低电压可以成平方级别地降低电能消耗;

时钟频率 可以把时钟频率降低到刚好满足应用需要;

外设数目 使能的外设越多,耗能越大;

运行模式 合理选择工作模式可以大幅节能,如,全速工作极短时间后进入睡眠模式。

二、节能方法

1. 关闭不需要使用的外设;

2. 所有未使用的引脚必须连接到一个确定的逻辑电平;

3. 当有外设必须保持激活时,使用Wait模式来获得低功耗;

4. 使用合适的VDD值;

5. 尽可能地使用低功耗运行模式;

6. 如果不能使用低功耗模式,那就将主频降低到满足应用的最小值;

7. 如果可能,使用动态控制I/O引脚的上拉功能。

三、低功耗模式

支持低功耗的MCU一般都有好几种运行模式,以ST公司的STM8L为例,它支持5种低功耗模式:等待、低功耗运行、低功耗等待、主动停止和停止。每一种模式的进入方式,节能级别和外设工作要求,总结表1:

表1 STM8L低功耗运行模式


上述低功耗运行模式对于开发者来说有点多,尤其刚接触STM8L处理器。我们需要一般性的指导原则,表2是来源于实践的经验。

表2 选择合理的STM8L节能模式


四、鲜为人知的技巧

1. 使用Wait替换查询方式达到节能目的

常见的查询方式如下,此时CPU无事可干,白白消耗电能。

ADC_CR1 = ADC_START; /* start conversion */

while (!(ADC_SR & ADC_SR_EOC)) ; /* wait for EOC bit set */

可以使用等待事件的方式来节省电能。

先配置ADC为事件源,并使能相应的中断:

WFE_CR2 = ADC_COMP_EV; /* enable ADC as a source of event */

ADC_CR1 = ADC_EOCIE; /* enable interrupt for end of conversion */

当ADC转换完成后,唤醒处于等待的CPU:

ADC_CR1 = ADC_START; /* start conversion */

_asm(“wfe”); /* enter wait mode until waked by ADC_EOCIE*/

2. 无须上下文切换的中断模式

应用程序设计时,如果所有中断事件由ISR完成,可以通过将CFG_GCR寄存器中AL位置1来节省电能:避免保存/恢复context、无须主程序运行(返回到WFI模式),如下图1所示。


图1 WFI模式下中断无须上下文切换

将AL位置1节省电能的方法同样可以用于HALT模式,原理如下图2所示。


图2 HALT模式下中断无须上下文切换

3. 动态设置I/O口的上拉功能

很多应用需要按键作为人机接口,按键一般连接到I/O上。当按键没有动作时I/O口设置内部上拉而获得确定的逻辑电平;一旦按键按下,I/O口对地导通将产生额外的40~70uA电流,这对于电池供电的低功耗来说是十分重要的。

可以动态地控制I/O口的上拉达到节能的目的:一旦按键按下,中断服务程序将禁止该I/O口的上拉功能;然后软件定时执行—先使能上拉功能,再检测I/O口状态,如果按键仍按下再次禁止上拉功能,否则使能I/O口的上拉功能。整个逻辑如下图3所示:


图3 动态设置I/O口的上拉而节能

4. CPU空闲节能策略

CPU的空闲节能如下图4所示,它的逻辑包括以下几个步骤:

(1)发现CPU空闲:带OS系统,表现为任务没有事件需要响应,或者进入idle进程;无OS系统,表现为程序运行结束。

(2) 选择一种合适的CPU节能模式:chip_EnterLowPower()完成进入节能前的准备工作,包括:关闭外设,切换I/O引脚到节能状态。

(3) 退出节能模式需要调用chip_ExitLowPower(),可能发生在以下2种情形:

a. 需要使用被关闭外设的ISR:

b. 由process直接退出;

chip_ExitLowPower()的善后工作包括:使能外设,切换I/O引脚到工作状态。同时为避免ISR和process两次操作chip_ExitLowPower(),该函数设置了状态变量避免重复退出。


图4 CPU空闲节能策略

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