基于FRAM技術(shù)的MSP430微控制器能量采集

對于很多人來說，第一次接觸能量采集可能是在早期使用太陽能便攜式計算器的時候，雖然如今這種類型的計算器已不再是主流，但是它所使用的技術(shù)和理念仍然應(yīng)用于我們的日常生活中。目前，我們在許多的應(yīng)用中都能看到能量采集的身影，例如傳感器節(jié)點、風力渦輪機和室內(nèi)供能應(yīng)用等。不過，即使對于這項技術(shù)的討論較之前已經(jīng)有了很大的發(fā)展，當涉及到能量采集時，開發(fā)人員仍然面臨著與數(shù)十年前一樣的挑戰(zhàn)。

為了在不帶來負面影響的情況下產(chǎn)生出所需的能量，通常需要一塊物理尺寸很大的太陽能板和一套巨大的熱能采集裝置，或者是通過設(shè)備發(fā)出不同頻率范圍的振動來獲得能量，而一切都是由所使用的系統(tǒng)決定。因此，在很多情況下，這個系統(tǒng)的成本甚至會超過取代傳統(tǒng)電源所帶來的優(yōu)勢。當然，如果由于某些因素必須忽略這些限制的話，也會有例外的情況。例如，在電力線無法到達的偏遠地區(qū)，風能或太陽能采集可以為電池供電系統(tǒng)提供一個可行的替代能源，盡管這種方法的初始成本會比較高。

下面讓我們來看一看目前能量采集解決方案所面臨的幾個重大挑戰(zhàn)。

圖1—經(jīng)簡化的通用框圖

首先，通過上方的簡化通用框圖可以看到，這個系統(tǒng)由輸入和輸出組成，其中包括傳感器、按鈕、LED、顯示屏、發(fā)聲器以及目前越來越普遍的無線連通性。這個典型物聯(lián)網(wǎng)(IoT)架構(gòu)的邊緣節(jié)點可以通Wi-Fi®、Bluetooth®、NFC / RFID或是其它專有接口進行通信。這些無線連接所需的電能低至數(shù)uA，而最高也只需要幾十或幾百mA，在數(shù)十毫秒的時間內(nèi)即可為相關(guān)的RF IC和子系統(tǒng)供電。

圖2—常見RF電能使用量圖表

在很多應(yīng)用中，設(shè)計人員希望將傳感器或其它數(shù)據(jù)存儲在非易失性存儲器中，因為即使在電力中斷時，也可以恢復(fù)采集到的數(shù)據(jù)。所以，諸如EEPROM或FLASH等現(xiàn)存的通用存儲器技術(shù)在這些能量受限的情況下并不總是最佳選擇。

幸運的是，技術(shù)的發(fā)展方向正讓能量采集系統(tǒng)變得可行。其中一項技術(shù)集成就是TI的鐵電隨機訪問存儲器或FRAM微控制器(MCU)系列。FRAM技術(shù)將SRAM存儲器的很多優(yōu)勢結(jié)合在一起，而同時又具有FLASH存儲器的非易失性。一個關(guān)鍵優(yōu)勢就是超低功耗非易失性FRAM的寫入，與FLASH不同的是，這些寫入無需預(yù)擦除周期，從而節(jié)省了時間和電能。另外一個優(yōu)勢就是FRAM單元的固有低壓寫入，傳統(tǒng)閃存或EEPROM技術(shù)需要一個集成電荷泵來完成預(yù)擦除周期，而這通常需要5-10mA的電流，運行時間則需要數(shù)百毫秒，在需要頻繁非易失性寫入的應(yīng)用中，這個額外的能耗會消耗可觀的電池電量或采集得來的能量。

購買一次性電池的開銷雖然不是很高，不過它們所造成的影響極其深遠。全球每年新電池的銷售量在數(shù)十億節(jié)，而其中只有一小部分是可回收的，這就產(chǎn)生了大量的填埋垃圾。一次性電池的另外一個缺點就是，無論是電池本身或是整個系統(tǒng)，都需要在某些情況下的某個時刻進行替換，而這就產(chǎn)生了潛在的挑戰(zhàn)。試想一下，如果電池被安裝在部署于海洋底部或山頂?shù)南到y(tǒng)中，我們應(yīng)該如何替換呢?事實上，電池更換的開銷可能非常巨大。雖然可充電電池能夠減少替換電池的數(shù)量，不過，就可充電電池本身而言，它們不一定會能夠解決電池更換所帶來的所有挑戰(zhàn)。當我們使用能量采集對可充電電池進行充電時，這些電池的確能夠帶來利益。

目前，太陽能、熱能、運動能(振動或其它動力學效應(yīng))和RF等能源已經(jīng)被廣泛接受。其它能源也正處于開發(fā)過程中，例如有可能從人類血液中發(fā)生的電化學反應(yīng)采集能量，或者是從植物和樹木內(nèi)部的此類反應(yīng)中采集能量。

在理想情況下，這些能源將是綿延不斷的，不過實際情況并非如此。以太陽能采集裝置為例，飄動的云彩也許會遮住太陽光，而室內(nèi)設(shè)施的燈光也不可能永遠開啟?；谡駝拥牟杉b置通常在一個共振頻率附近運行，從而限制它們的運行范圍，而熱能采集裝置會在無法保持合適的溫差時損失效率或完全停止運行。歸根結(jié)底，我們不能依賴這個能源保持連續(xù)的7x24小時運行，所以我們需要冗余結(jié)構(gòu)。在某些情況下，這個結(jié)構(gòu)有可能是第二采集能源或是一節(jié)可充電電池。即使是太陽能計算器都包含一塊CR2025電池，以便在辦公室光線較暗時作為太陽能的備用能源。

處理電力損耗成為一名能量采集節(jié)點設(shè)計人員的主要考慮因素?，F(xiàn)代微控制器在通電時通過啟動順序運行，這往往需要幾毫秒并且會消耗寶貴的電能。如果電力中斷，大多數(shù)微控制器需要重啟，并且在每次電力恢復(fù)時運行這個啟動代碼。

FRAM存儲器本身是Compute Through Power Loss(CTPL)這款高度創(chuàng)新型軟件實用工具的使能器件。我們甚至可以將CTPL看成是一種非易失性中斷處理例程，在這個例程中，當檢測到電力損耗時(通常使用一個比較器或ADC輸入)，關(guān)鍵參數(shù)和微控制器狀態(tài)就被保存至非易失性存儲器(NVM)。在出現(xiàn)電力中斷的情況下，F(xiàn)RAM所具有的優(yōu)勢將顯露無疑，因為設(shè)計人員可以直接從中斷的位置繼續(xù)工作而不是從頭開始。

憑借128KB FRAM MSP430? 微控制器的低成本MSP430FR6989 MCU Launchpad? 開發(fā)套件能夠進行簡單演示。

通過將FRAM技術(shù)、Compute Through Power Loss代碼和Energy Harvesting BoosterPack? 插入式模塊組合在一起，我們?yōu)楹芏嗄芰坎杉瘋鞲衅鞴?jié)點打下了良好基礎(chǔ)。bq25570所提供的電源備妥信號可以作為Compute Through Power Loss激活的觸發(fā)信號，從而在電力中斷后節(jié)省了時間和寶貴的電能。