用于智能电源等应用的各种微控制器详解

　　微控制器以越来越低的功耗运行，从而开辟了智能照明和无线计量等新应用。新设备正在降低功耗，并为工程师的设计提供更多选择，从高级语言开发工具到各种外围设备。

　　智能电力的驱动力来自多个方向。能够监测和控制接近负载点的功耗可以让电力更均匀地分布在整个电网中，并减少运营商的电力浪费。对于用户来说，它可以提供更灵活的资费，降低用电成本，并有助于降低整体用电量，进一步降低成本。然而，设备必须具有成本效益，无论是在资本成本还是在维护方面。更换数百万智能电表中的电池是电网运营商的主要运营成本，也是实施的潜在缺陷。降低智能设备的功耗，不仅如其所说的降低功耗，还可以让电池运行多年。

　　通过有效的设备管理、新的低功耗设计架构和对功耗敏感的制造工艺进一步降低功耗，还可以将总功耗预算降低到不需要电池的程度。此时，可以从环境中获取能量——通常来自工业环境中的振动或热能——并存储在本地电池中。这为微控制器以及传感器和用于监控的网络链路提供电源。节点和微控制器的架构选择对于性能和电池寿命至关重要，并且有几种不同的选择。

　　设计权衡

　　集成和性能都与智能电源应用中使用的微控制器的电源考虑因素有关。有多种外设可供选择，可添加到控制器内核中，以减少片外需要，从而降低功耗。然而，有时，在无线链路旁边使用小型 8 位控制器可能比尝试将应用处理器与 RF 结合的完全集成系统更有效。而一些控制器，如Energy Micro开发的EFM32（如下），具有复杂的电源管理，可以关闭各个外围模块以将功耗保持在最低水平，拥有单独的控制器可以提供一种隔离节点不同部分的方法，以便仅在绝对必要时使用电源。

　　图 1：Energy Micro 的 EFM32“Gecko”低功耗内核。

　　在性能和功率之间还有另一个权衡。与使用速度较慢、标称功耗较低的设备相比，能够快速使用节能架构然后关闭设备可以使用更少的能源。但是，这取决于启动和关闭时间，但更多设备正在包括这种快速响应以降低功耗。但有时，电源管理的复杂性影响不大，而代码大小的影响更大。存储 16 位甚至 8 位代码可以降低内存需求并提供更快的访问速度，从而降低成本和功耗。但是，32 位系统也能够利用较小的字长和减少的指令集，例如 ARM 的 16 位 Thumb 2。

　　在智能电力中，软件并不是特别复杂，但它必须非常可靠——必须更换或更新有问题的节点可能会非常昂贵。这意味着现有的遗留代码是一种宝贵的资源，代码重用是设计要求的重要组成部分。同时，针对 ARM MIPS 和其他 32 位架构的新一代设计工具和集成开发环境 （IDE） 可实现更快的开发、更高质量的代码和更高效的调试，从而更快、更可靠地将项目推向市场。这会影响微控制器架构的选择。

　　所有这些都是设计人员在开发智能电源系统时所面临的平衡，实现智能电源的方法有多种，反映了电源和成本的严格设计约束。使用 32 位控制器（通常围绕 ARM 的功率优化 Cortex-M3 内核）的系统越来越普遍。

　　挪威初创公司 Energy Micro 使用 ARM Cortex M3 内核开发了市场上能耗最低的微控制器，允许长期使用电池，甚至可以从能量收集中获取电力。

　　EFM32G210F128 ‘壁虎’采用低能耗设计，从节能模式唤醒时间短，并提供多种外围设备来控制智能电源设备。该控制器系列针对用于管理智能电力网络中节点的电池供电应用。

　　芯片的核心是能量管理单元 （EMU），它处理所有低能量模式、打开和关闭外设，以及关闭未使用的 SRAM 块的电源，从而将功耗降低到仅 20 nA 的水平。 3 V 关断模式。有一个 0.9 µA 深度睡眠模式，它支持具有 32.768 kHz 振荡器的实时时钟、上电复位、欠压检测器、RAM 和 CPU 保持在 3 V 运行模式下上升到 180 µA/MHz，代码从闪存执行。

　　EMU 使用专门开发的时钟管理单元 （CMU），它允许软件管理外围模块上的各个时钟，即使在不使用时也会消耗大量功率。

　　Energy Micro 还开发了一种外围反射系统 （PRS），它可以让不同的外围模块直接通信，而不涉及 CPU。发出反射信号的外围模块称为生产者，PRS 将这些反射信号路由到消费者外围设备，这些外围设备根据接收到的数据应用操作。

　　它还通过低功耗 UART 使其 Gecko 微控制器与众不同，该 UART 允许在严格的功率预算下以 9600 位/秒的速度从单个 32.768 kHz 时钟进行双向 UART 通信。类似地，当大部分器件断电时，可以使用低功耗 16 位定时器 （LETIMER），允许执行简单的任务，同时将系统的功耗保持在绝对最小值。LETIMER 可用于以最少的软件干预输出各种波形。它还连接到实时计数器 （RTC），并且可以配置为开始计数来自 RTC 的比较匹配。

　　德州仪器还在其Stellaris 1000中使用了 ARM Cortex M3 内核微控制器系列，针对同样的电池供电、注重成本的嵌入式智能电源应用。LM3S1000 系列通过更大的片上存储器、更好的电源管理以及更多的 I/O 和控制功能扩展了该系列。

　　图 2：TI 的智能电源实施。

　　LM3S1911微控制器面向工业应用，包括远程监控、电子销售点机器、测试和测量设备、网络设备和开关、工厂自动化、HVAC 和楼宇控制、游戏设备、运动控制、医疗仪器和消防和安全。

　　它有一个电池支持的休眠模块，可在长时间不活动期间有效地将设备断电至低功耗状态。功能还包括上电/断电序列器、连续时间计数器 （RTC）、一对匹配寄存器、系统总线的 APB 接口和专用非易失性存储器。

　　图 3：TI 的 Stellaris 1000 框图。

　　它使用 ARM 16 位 Thumb-2 指令集将内存需求减少到几千字节，并使用 50 MHz 内核和集成嵌套向量中断控制器 （NVIC） 来提供确定性中断处理。除了具有 8 个优先级的 29 个中断外，它还支持监视应用程序，而内存保护单元 （MPU） 为受保护的操作系统功能和原子位操作或位带提供特权模式，提供最大的内存利用率和简化的外围设备控制，再次降低功率和成本。

　　为了链接到系统的其他部分，LM3S100 提供了三个完全可编程的 16C550 型 UART，支持 IrDA。它们具有单独的 16 x 8 发送 （TX） 和接收 （RX） FIFO，以减少 CPU 中断服务负载和可编程波特率发生器，允许速度高达 3.125 Mbit/s。可编程 FIFO 包括 1 字节深度操作以实现传统的双缓冲接口。

　　16 位未死

　　正如 ARM 的 Thumb-2 16 位指令集所示，紧凑代码有优势，一些不同的架构方法可以为智能电源设计带来好处。Microchip 的16 位DSPIC33EP256MU80微控制器在 16 位内核中添加了一个专用的 DSP 模块，以 60 MIPS 的性能获得类似的效果。

　　图 4：Microchip 带有 DSP 加速器的 16 位内核。

　　它具有修改后的哈佛架构，并且与 32 位和 Thumb-2 代码一样，在其 16 位宽的数据路径和 24 位宽的执行管道上使用具有优化指令集的 C 编译器。有 73 条基本指令，大多数指令的有效执行吞吐量为每周期一条指令，以提供额外的性能。单周期 DSP MAC 模块支持 11 条附加指令，带有两个 40 位累加器，具有舍入和饱和选项以及附加模块和位反转寻址模式。

　　一个 15 通道直接存储器访问 （DMA） 引擎提供与任何数据存储器位置之间的数据传输，具有高达 4 KB 的双端口 DMA 缓冲区来存储通过 DMA 传输的数据。这在 CPU 执行代码时提供了 RAM 和外设之间的快速数据传输，而无需使用执行内核的周期，从而提高了性能并降低了功耗。

　　通信模块包括一个双重角色 USB v2.0 On-The-Go （OTG） 模块，在低速 （1.5 Mbps） 和全速 （12 Mbps） 模式下是主机或外设。用于 USB 的高精度 PLL 支持多达 32 个端点（16 个双向），USB 模块可以使用设备上的任何 RAM 位置作为片上 USB 收发器的 USB 端点缓冲区或作为片外接口收发器。

　　8 位的生命也是

　　如此 即使 8 位内核仍在有效使用。Silicon Labs 的 C8051F981-GM是一个 8 位流水线 8051 内核，已针对极低功耗进行了优化，在 25 MHz 和 25 MIPS 时具有 1.8–3.6 V 的 150 µA/MHz 有效电流。凭借 2 µs 从睡眠唤醒和 1.5 µs 模拟建立时间，该设备可以快速准备好进行测量或连接到无线网络。

　　图 5：Silicon Labs 的 C8051 8 位流水线内核。

　　该 ADC 在 12 位分辨率下提供 75 Ksamples/s 或在 10 个通道上提供 8 位分辨率下 330 Ksamples/s。该设备还包括一个内置温度传感器。

　　弥合差距

　　飞思卡尔希望通过一系列具有通用外设和开发工具集的Flexis 器件来弥合 8 位和 32 位功能之间的差距，以提供迁移灵活性。QE 系列由引脚兼容的 8 位 SO8 和 32 位 ColdFire V1 器件二重奏组成，是 Flexis 系列中的第一个系列，包括其最低功耗的 MCU。这也是其他衍生低压、低功耗 （LVLP） 器件的基础。该系列特别针对需要较长电池寿命的消费和工业应用。

　　这MCF51QE128LH是一款基于 V1 ColdFire 指令集的 32 位控制器，它扩展了 ColdFire 嵌入式控制器系列的低端，具有高达 128 KB 的闪存和一个 12 位模数转换器 （ADC），最多支持 24 个渠道。MCF51QE128 包括高达 3.6 V 的电源电压、一个 50 MHz CPU 内核和三个定时器，用于改进工业设备的电机控制，包括智能电源、联网烟雾探测器和安全摄像头。

　　32 位 MCF51QE128 与 8 位S08QE128的引脚、外设和工具兼容设备，在整个性能范围内提供设计自由度。ColdFire 指令集修订版 C （ISA_C） 提供附加指令以轻松处理 8 位和 16 位数据，并支持多达 256 个中断/复位源，以实现软件灵活性和实时应用程序的优化。

　　图 6：飞思卡尔半导体的 MC51QE128 32 位控制器与 8 位版本兼容。

　　有两种超低功耗 （ULP） 停止模式，一种允许有限使用外设，同时仍可在降低功耗的状态下对应用进行采样，从而延长电池寿命。还有一个新的 ULP 电源等待模式，其典型唤醒时间为 6 µs，以及一个超低功耗 OSC，可在低功耗模式下实现准确的时基。

　　有两个模拟比较器可以选择与内部参考进行比较。这意味着可以将输出路由到定时器/脉冲宽度调制器 （PWM） 模块作为输入捕捉触发器，只需要一个引脚用于输入信号，并腾出更多引脚用于其他用途。模数转换器 （ADC） 提供多达 24 个通道，具有 12 位分辨率和 2.5 µs 转换时间，以及一个 1.7 mV/°C 的灵敏温度传感器。

　　这些能力来自使用晶体管的低功耗工艺，该工艺具有增加的沟道长度，从而减少了漏电流，从而降低了静态功耗。用于构建控制器的标准单元库包括一个功耗仅为 500 nA 的超低功耗 （VLP） 振荡器、一个支持低功耗运行的低压差待机稳压器以及一个仅需 6 μs 的唤醒模式，从之前的 110 μs 下降。这一切都意味着应用程序可以唤醒、执行任务并快速回到睡眠状态以节省额外的电量。

　　用户可选择的外设时钟门控可实现时钟树的节能优化，可消耗不同模块使用的高达 40% 的功率，而自超时模块 （SATO） 允许闪存长时间通电足以执行读取，结果被锁存，然后自动断电。此过程会以非常低的 CPU 速率自动启动，并在低频下为闪存操作提供更好的电流。

　　结论

　　可用于智能电源等应用的各种微控制器似乎令人眼花缭乱。但是，通过在功率预算内选择正确的外设和功能组合，有很多机会可以优化系统设计以实现低功耗。工艺技术和超低功耗电路设计的发展意味着许多设备现在可用于旨在拥有十年电池寿命甚至使用能量收集来消除维护成本的设计。随着集成度的提高以降低物料清单的总体成本，智能电力系统的实施在帮助降低从工厂车间到企业的整个过程中变得可行。