无线传感器广泛应用于山体或桥梁监测、管道监控、现代农业等场景,一般采用电池供电,所以对能耗的要求很高,必须最大程度地延长电池的更换时间,以减少人员工作量,降低成本。
虽然可以通过软件优化降低一定的功耗,但要满足无线传感器的要求,还需要更加全面的改进,包括硬件,如存储空间分配、MCU 性能和功耗的因素,无线通讯方式、模拟电路、电源管理和传感器等。虽然所有这些因素都会影响系统的整体能耗,但最主要因素是单片机MCU。
选择低功耗架构的单片机
常用的低功耗单片机型号有STM32L系列、MSP430系列、EFR32系列等,都是专用的低功耗内核单片机,具有优越的低功耗性能。
低功耗单片机应有多种低功耗模式,可将 CPU 和外设置于不同状态,从简单的休眠状态一直到深度休眠状态,微控制器在深度休眠状态下几乎接近关闭。在这些深度休眠模式下,整个微控制器的工作电流仅为几微安。
在选择单片机型号时,还要评估工具链和开发环境。设置和配置低功耗模式以及唤醒这些模式的事件,是一项颇具挑战性的工作,而且非常耗时。新型微控制器,例如 Renesas 提供的 Synergy,在开发环境内部包含了配置软件,开发人员只需几次点击即可配置这些模式。
选择合适的外设元件
单片机内核是开发人员在选择低功耗解决方案时应该考虑的第一个重要因素,另外的一个因素是板载外设元件。系统的整体能耗大小在很大程度上取决于外设。
首先,工程师应该寻找具有不止一个直接存储器访问 (DMA) 通道的器件。利用 DMA,工程师能够在单片机内部传输更多信息,而无需 CPU 干预。这意味着 CPU 能够腾出手做其他工作,例如运行应用程序代码,或者关闭或进入深度休眠模式以节省能耗。同时,DMA 通道还用于将数据从外设传输到存储器,从存储器传输到外设,甚至在存储器的不同区域之间进行传输。
例如,MSP430FR5994 带有内置的 DMA 控制器,它有六个单独的通道,可以同时在后台工作。
精心设计的电源管理功能
电源管理的目的是视系统不同工作状态,打开或关闭不同外设的电源,以实现系统最低能耗。
超低功耗电源管理
● 兼容电池或5VDC电源供电
● 待机休眠、定时唤醒、事件唤醒等功能
● 开关量信号、UART、RS485、I2C、4~20mA电流、0~5V电压等传感器接口