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MCU為兼顧省電及功能 休眠頻率應更具彈性

2015-10-22

  對智能型感應設備來說,為因應長時間運作需求,便須達到電源最佳化。其中,微控制器(MCU)的省電設計關鍵,在于了解應用情境以設計休眠模式,關閉必要的周邊協同單元,同時強化不干擾微控制器的自主功能,才能兼顧省電及功能性。

  根據Electronics Weekly網站報導,對采用電池供電的各式感應裝置來說,為使設備時時保持運作(always on)狀態,設計上反而需將其開發成幾乎保持休眠(always off)狀態,才能達到節省電力的目的。

  不過,設備休眠時間的比例依設備的用途而有所不同。例如,心跳感應器需以50Hz的頻率采樣,才能取得正確數據。而家庭溫度感應器則僅需每秒采樣一次即可,二者休眠時間有所不同。

  同樣的,設備工作周期(duty cycle)依程式所處狀態不同而有所差異,也應納入考慮。以穿戴式裝置來說,加速儀(Accelerometer)在休眠狀態下僅需每秒采樣一次。反之,正常狀態時則需增加采樣頻率,以增加數據搜集的正確性。

  以往設計上MCU由于必須管理裝置內眾多功能,幾乎從不休眠。然而,報導認為MCU必須善用休眠模式,才能在省電與執行所需工作間取得最佳平衡。而休眠與正常模式間的電力消耗范圍可從1微安培(Microamp)以下,達到數毫安培(Milliamp),甚至數十毫安培。

  一般來說,低秏能MCU具有多種休眠模式,供休眠狀態下進行各種必要功能,或至少在快速執行外界指令后,迅速恢復休眠狀態。一般常見模式大略可區分為淺眠及深眠兩種。

  淺眠模式中,若能暫停中央控制器(CPU)時脈,便可將電流從數毫安培降至1毫安培以下,同時保持快速甦醒能力。若周邊元件具有自主能力,加上直接存儲器存取(DMA)引擎可協助提供必要數據,其他功能大致能保持正常運作。

  至于深眠模式,通常以最大化休眠狀態,來大幅減少電量消耗。不過,執行不支援深眠模式的程式時,由于需重新喚醒系統,反需消耗大量電力。

  由于業界缺乏低耗電MCU的標準評斷方式(Benchmark),工程師往往必須模擬各種情況下的秏電狀況,不僅曠日費時,也常無法真正符合現實應用。

  有鑒于此,嵌入式微控制器標準檢測協會(EMBC)釋出第一階段(Phase I)低電源檢測標準,供檢查正常狀態下CPU內核及休眠模式下實時時鐘(Real-Time Clock;RTC)的電量使用。EMBC亦同時釋出第二階段(Phase II)低電源檢測標準,以供檢查MCU在休眠模式下,自主周邊元件的耗能情形。

  深眠模式能關閉不必要的周邊元件,可大幅減低耗電量,不過包括RTC在內的多種周邊元件由于須執行關鍵功能,并不適合進入休眠。此時,若能賦予元件更多自主能力,使其在不需透過微控制器狀況下能自主完成工作,就能達成兼顧省電及功能性的目標。


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