低功耗MCU發(fā)威 智能手表電池壽命大增

　　延長電池使用壽命是智能手表的首要開發(fā)考量。為達成此一目標，設計人員須選用在工作/動態(tài)模式下功耗較低，且能同時維持高性能運作的微控制器（MCU），并導入快速喚醒功能，以便讓MCU盡可能處于休眠或閑置模式，進一步降低系統(tǒng)總體功耗。

　　圖1 智能手表將是未來的潮流。

　　所謂的智能手表該如何定義呢？基本上，智能手表是設計成手表外型、可戴式的運算裝置，當和智慧型手機無線連結時，可提供更多的智慧型功能。一般常見的功能包括了日歷通知、電子郵件或簡訊提示。若是同時還內建感應器，如加速度計或溫度感測器等，智能手表就能夠幫助記錄與監(jiān)控使用者的運動進度、表現(xiàn)和心跳率等。有些手表還能控制音樂、讀取簡訊，甚至能透過使用者手機的藍牙低功耗（Low Energy， LE）連結，直接透過手表接聽電話。

　　那么，對智能手表的開發(fā)人員而言，什么是關鍵的設計考量？在產(chǎn)品設計過程中，很容易會不自覺地想加進更多、更強大的功能。不過性能強大的手表應用程式，通常得搭配相對強大的處理器，而強大的處理器卻往往很耗電，導致具有加分效果的性能提升，就這樣被功耗抵銷掉。畢竟，就算其功能再強大，誰會愿意買一個每隔幾個小時就要充電一次的智能手表？

　　為了要延長電池的使用時間，最好的辦法就是在考慮系統(tǒng)的心臟，也就是中央微控制器（MCU）時，選擇在工作/動態(tài)模式下功耗較低的元件。

　　在系統(tǒng)設計上（圖2），必須讓智能手表的中央微控制器，能夠在大部分時間維持在睡眠模式，而當系統(tǒng)必須被喚醒來執(zhí)行任務時，能夠不影響系統(tǒng)表現(xiàn)，并在最短的時間內被喚醒。

　　圖2 智能手表結構圖

　　工作/動態(tài)模式下維持低功耗

　　當然，設計人員希望能在不犧牲性能的前提下具有最低功耗的工作模式，然而如果只是一味降低在工作/動態(tài)模式下的功耗，也會因此降低了微控制器的運算速度，導致微控制器將花費更多時間處于工作模式，才能把任務執(zhí)行完成并進入功耗更低的睡眠模式，最終反而會增加系統(tǒng)的平均功耗。另外大家都知道，系統(tǒng)的操作電壓越低，越能延長電池的壽命。有些微控制器宣稱工作電壓可低至1.8伏特（V），但實際上，當其工作電壓在1.8V時，不僅運算速度降低，同時某些周邊功能可能無法正常運作，這些都不是真的能幫助系統(tǒng)降低功耗的技術。

　　目前市場上已有業(yè)者推出能在低功耗的情形下維持高性能運作的微控制器。如愛特梅爾（Atmel）的SAM4L微控制器系列，就能夠在不用改變產(chǎn)品規(guī)格的情況下，保持低至1.68V的工作電壓，并且維持最高性能，且其外圍周邊操作不受影響。根據(jù)費氏（Fibonacci）基準，該系列是市面上擁有最低工作/動態(tài)模式功耗（90μA/MHz）的ARM Cortex-M4微控制器。若再加以運用功率調節(jié)（Power Scaling）技術，可以進一步平衡最大時脈速度和功耗（圖3）。

　　圖3 SAM4L微控制器在工作模式下的功耗表現(xiàn)

　　除此之外，如果設計人員選用的微控制器能夠提供不同的電壓調節(jié)器選擇，可進一步降低在工作/動態(tài)模式下的系統(tǒng)功耗。例如降壓或開關穩(wěn)壓器能夠在操作電壓為 2∼3.6V時提供更高的功率，或是線性穩(wěn)壓器在1.68∼3.6V的范圍內運作，具有較高的抗噪性，而在小于2.3V范圍內調節(jié)器則可達到最高功率。

　　快速喚醒能力攸關節(jié)能效益

　　前面有提到，為了要讓電池維持更長的壽命，在智能手表的系統(tǒng)設計上，中央微控制器大部分時間必須維持在睡眠模式，因此如果能降低中央微控制器睡眠模式的功耗，將有助于進一步降低系統(tǒng)的總體功耗。

　　可是，如果總是要花很長時間從睡眠模式中喚醒系統(tǒng)，這并非真正的節(jié)能。設計人員的終極目標是要確保能快速將系統(tǒng)從睡眠模式中喚醒，并且能根據(jù)系統(tǒng)需求，有彈性地選擇不同睡眠模式，這樣一來系統(tǒng)就可以盡可能在深度睡眠模式中停留更長的時間，而不會出現(xiàn)性能上的延遲，這才是真正的節(jié)能。

　　如前文所提及的SAM4L微控制器系列，具有來自于picoPower技術的超低睡眠模式電流特性，可以支援四種睡眠模式：睡眠、待機、保存和備用。在所有的模式下，以第一條指令抓取的喚醒，即使在最低功耗的睡眠模式下醒來，也只需要1.5微秒（μs）的喚醒時間（圖4）。

　　圖4 SAM4L微控制器在睡眠模式下的功耗表現(xiàn)

　　該系列還具有非常靈活的喚醒配置。設計人員可使用內部的電源管理器和備用電源管理，來開啟和關閉系統(tǒng)時脈來源，并選擇喚醒來源。時脈來源由電源管理器控制，包括on-chip RC振蕩器，以及振蕩器和超精密數(shù)位相位鎖相環(huán)（DFLL）。在睡眠、待機和保存模式下，可以選擇任何來源以喚醒系統(tǒng)。

　　接下來將提及的夢游（Sleep Walking）功能，也允許周邊功能在不須要系統(tǒng)定時器持續(xù)運行的情況下，以非同步方式喚醒系統(tǒng)；而在備用模式下，32kHz時脈或系統(tǒng)定時器，再加上通用異步收發(fā)器（UART）、外部中斷或電壓不足偵測（BOD）警告，便能喚醒系統(tǒng)。

　　事件系統(tǒng)/夢游功能　進一步降低系統(tǒng)功耗

　　事件系統(tǒng)（Event System）允許外圍周邊直接發(fā)送訊號或事件到其他周邊，而毋須藉由中央處理器（CPU）。舉例而言，定時器溢位（Timer Overflow）或類比比較器輸出如有變化，不需要CPU即能觸動類比數(shù)位轉換器（ADC）轉換或啟動直接記憶體存取（DMA）傳輸。那么事件系統(tǒng)能解決什么問題呢？

　　首先，事件系統(tǒng)能讓CPU進入更長時間的睡眠或閑置狀態(tài)，提升節(jié)能效果。再者，它能讓外圍周邊不須透過CPU即可互相通訊，因此CPU可以更集中執(zhí)行非CPU不可的任務，進而提升CPU表現(xiàn)。事件系統(tǒng)能提供事件一個恒定且100%可預測的反應時間--在兩個時脈周期或 40奈秒（ns）內發(fā)生反應。如果是先藉由軟體程序的中斷，再透過CPU來執(zhí)行相同的任務，則可能需要數(shù)微秒（μs）的反應時間。此外，該系統(tǒng)允許多達八個周邊同時平行處理，因此不須要擔心中斷擁塞的情況發(fā)生（圖5）。

　　圖5 在事件系統(tǒng)運作下，周邊可不透過CPU而互相通訊。

　　除了標準的同步事件之外，事件系統(tǒng)亦支援非同步事件。非同步事件甚至可以在系統(tǒng)時脈未運行的情況下，在各種睡眠模式下執(zhí)行。這是透過一些先進的電源管理器功能來達成的，例如夢游功能和非同步喚醒功能。

　　夢游功能允許外圍周邊透過請求模組的局部時脈，而不用系統(tǒng)定時器持續(xù)地運行或非同步地喚醒元件，并且可以讓事件系統(tǒng)在各種睡眠模式下處理非同步事件。事件處理完成后，模組局部時脈的請求便會解除，讓模組回到睡眠狀態(tài)。簡而言之，夢游功能幫助系統(tǒng)進一步降低功耗，不須要妥協(xié)于反應時間，或是為了降低系統(tǒng)功耗而免去一些跟系統(tǒng)安全性有關的監(jiān)測功能。

　　接著舉一個將夢游功能應用于智慧管理外部溫度量測的實例。該應用須要定期測量溫度，以決定它是否超過系統(tǒng)臨界溫度。如果超過，該溫度讀數(shù)會被儲存在靜態(tài)隨機存取記憶體（SRAM）中，并交由CPU處理該數(shù)據(jù)；如果沒有超過，則系統(tǒng)會繼續(xù)維持在睡眠模式，CPU不會被喚醒或采取任何行動。

　　夢游功能讓CPU在整個事件過程中保持關閉狀態(tài)。首先，利用即時計數(shù)器（RTC）在固定的時間間隔下產(chǎn)生一個事件（測量溫度），同時利用夢游功能來喚醒ADC進行溫度測量，并比較該溫度和預設臨界值。再來，ADC確定溫度沒有超過臨界值后，便會回到睡眠狀態(tài)。接著重覆以上的程序，繼續(xù)喚醒下一個ADC，量測到溫度上升到臨界值之上，CPU才會被喚醒。最后，DMA控制器將數(shù)據(jù)傳送到SRAM以進行處理（圖6）。

　　圖6 夢游功能的應用范例

　　相較之下，傳統(tǒng)的微控制器在執(zhí)行同樣的應用監(jiān)測例子時，由于沒有夢游功能，所以每一次都必須喚醒CPU來指示ADC去量測溫度，以確定系統(tǒng)溫度是否超過臨界值。但大多數(shù)的情況下，測量溫度都不會超過臨界值，更不須要再執(zhí)行什么動作，如此反覆操作將耗去很多能量。即使這是一個在多數(shù)時間都處于睡眠模式的系統(tǒng)，卻仍然產(chǎn)生很大的能量損失，大幅降低電池壽命?？梢詮膱D7中很明顯地比較出來，具備夢游功能的微控制器，消耗的能量遠遠小于傳統(tǒng)的微控制器。

　　圖7 MCU具有夢游功能時的功耗

　　完美的智能手表也許不存在，畢竟不同的人有不同需求。有些人喜歡時尚精簡的手表，有的喜歡支援強大功能、帶有觸控大表面的手表，不過有些條件，例如延長電池壽命則是無論如何都不能缺少的。

　　如果設計人員能選用在工作和睡眠模式下功耗較低、能在最短的時間內從睡眠中被喚醒，同時帶有獨特低功耗特性，如事件系統(tǒng)和夢游功能等的微控制器，想要設計出不須在性能上做任何妥協(xié)即可執(zhí)行強大功能的應用軟體，并同時擁有持久電池壽命的智能手表，將不再是一個不可能的任務。