Arm ? Cortex ? -M33 處理器是無線系統(tǒng)設計人員的熱門選擇，他們希望從其物聯(lián)網(wǎng)設計的受限功率預算中榨出最后一毫瓦。那是因為它提供高性能，同時消耗很少的能量。

Arm 是一家知識產(chǎn)權(quán) (IP) 供應商，將其處理器專有技術出售給芯片制造商，然后芯片制造商將設計作為獨立處理器或作為片上系統(tǒng) (SoC) 的一部分嵌入到自己的硬件中。設計的最終效率當然取決于硬件實現(xiàn)，但根據(jù) Cortex-M33 的 Arm 數(shù)據(jù)表，當處理器運行時預計每兆赫茲 10 微瓦左右的功耗并不是不合理的。而且這不會影響性能；這是一個非常強大的設備。（對于有技術頭腦的人來說，Cortex-M33 擁有 4.02 CoreMark/兆赫茲）。

為支持低功耗 無線設計中的嵌入式處理器而提供的組件帶來了類似的效率水平。例如，考慮Bluetooth?中的收音機LE 或 Zigbee SoC。就在不久前，這些設備在通過無線鏈路發(fā)送或接收數(shù)據(jù)時消耗了幾十毫瓦的功率。當您只有很少的功率預算并且用戶期望電池壽命長達數(shù)月時，這是一個巨大的數(shù)目。當今最先進的短程無線 SoC 事半功倍，提供比上一代產(chǎn)品更大的范圍和吞吐量，而功耗僅為幾毫瓦。通過設計、材料和制造方面的進步，處理器、內(nèi)存、無線電、模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)、線性穩(wěn)壓器 (LDO) 等的功耗與幾年前相比只是一小部分. 這使設計人員有機會顯著延長其產(chǎn)品的電池壽命或通過使用更小的電池來縮小其外形尺寸。

然而，讓任何兩名工程師使用同一盒低功耗比特為給定應用設計解決方案，最終的設計將具有完全不同的電池壽命。而且不僅僅是百分之幾。在充分利用電池能量方面，一種設計的效率只有另一種設計的一半并不罕見。差異歸結(jié)為設計師的技能和經(jīng)驗。這使得產(chǎn)品背后的人對其功耗產(chǎn)生最重要的影響。

技術嫻熟的低功耗產(chǎn)品設計師知道什么對我們其他人來說是新聞？它歸結(jié)為硬件選擇、良好的編碼、測試和睡眠。充足的睡眠。

外圍設備是最重要的

經(jīng)驗豐富的設計人員知道，決定能耗的不僅僅是處理器、無線電和內(nèi)存等關鍵組件，外設也很重要。當電池壽命以月為單位時，如果效率低下，即使是低被動也可以節(jié)省幾天的能量。

好的設計選擇包括具有低能量需求和靜態(tài)電流的外圍設備，這已經(jīng)不是什么新聞了。但考慮設備的使用方式也很重要。例如，考慮一個內(nèi)置加速度計；如果應用程序只需要知道它何時被倒轉(zhuǎn)，那么最好確保這是加速度計報告其位置的唯一時間，而不是連續(xù)傳輸每個微小的運動。

還需要注意選擇功耗最小的組件。例如，降壓/升壓穩(wěn)壓器和 LDO 在運行期間都會消耗一些功率，因此選擇最高效的同時仍支持應用需求非常重要。這種方法應該擴展到電路中不太明顯的部分。例如，當分壓器用于降低 ADC 的電壓時，其設計應使其通過分流電阻消耗的功率最少。另一個常見的失敗是設計信號下拉，使它們將電壓拉至地，但不會最小化電流泄漏。這是對電池能量的持續(xù)消耗，從長遠來看會產(chǎn)生重大影響。

好的代碼可以節(jié)省能源

一旦電路組裝好，重要的是所有元件始終以盡可能低的能耗水平運行。這并不是說應該經(jīng)常關閉東西，因為這樣啟動周期會花費太長時間并影響用戶體驗。但大多數(shù)現(xiàn)代低功耗組件都具有各種待機和睡眠模式，在這些模式下，能耗可以忽略不計，但啟動延遲很低。熟練的設計人員使用這些功能來確保組件不會消耗能量，除非它們確實需要。

此外，有經(jīng)驗的工程師會檢查他或她的代碼以查找可能產(chǎn)生不必要功耗的觸發(fā)器或中斷。為了讓他們的生活更輕松，這些工程師通常會構(gòu)建他們的代碼以使其易于閱讀。這樣可以更快地發(fā)現(xiàn)代碼行，例如，在不需要外圍設備時啟動外圍設備，或者在執(zhí)行任務后無法讓它們進入睡眠狀態(tài)。

一旦消除了明顯的代碼錯誤，熟練的設計人員就會仔細檢查代碼以尋找更細微的東西，例如處理器進入非計算等待循環(huán)——消耗功率但實際上什么也得不到——當它可以進入休眠狀態(tài)時。第二個問題是子系統(tǒng)確實按預期進入睡眠狀態(tài)，但在并非絕對必要時經(jīng)常被喚醒。例如，可以設置一個計時器來喚醒處理器，這樣即使應用程序此時不需要這些信息，它也可以讀取一些傳感器數(shù)據(jù)。

經(jīng)驗不足的設計人員常犯的另一個錯誤是忘記禁用在開發(fā)和調(diào)試期間有用但在現(xiàn)場不需要的事件日志記錄。危險在于產(chǎn)品離開工廠并在現(xiàn)場打開外圍設備以記錄永遠不會使用的信息。但是將使用的是電池的能量。

檢查發(fā)生了什么

測試最終產(chǎn)品的平均電流消耗是估算電池壽命的一種簡單方法。但它可能不會講述完整的故事。設計良好的無線設備在低功耗和活動模式之間不斷變化，低占空比非常普遍。這意味著短暫的平均電流測試可能會錯過不頻繁的峰值消耗事件，這些事件可能仍會對電池壽命產(chǎn)生重大影響。

全面了解的最佳方法是使用成熟的功率分析儀詳細了解長期功耗。這樣，設計人員就可以清楚地識別低功率無線設計中常見的瞬態(tài)功率尖峰，并確保每個尖峰都與絕對必要的活動相對應。這種技術的缺點是功率分析儀非常昂貴、非常笨重，并且受到總工程師的嚴密保護。

有一些更便攜且更便宜的設備選項可以提供無線設備功耗的相當詳細的視圖。一個例子是Nordic 的 Power Profiler Kit II。只需不到 100 美元，設計人員就可以使用此測試工具檢查其產(chǎn)品的功耗，然后使用運行模擬器的免費在線功率分析器將其與預期行為進行比較。該估計值可以與 Power Profiler 套件的結(jié)果交叉引用，以突出顯示任何異常，然后可以更仔細地檢查這些異常以找出其原因。

結(jié)論

明天的低功耗設備將使今天的設備看起來像貪婪的怪物。但由于當前的供應鏈挑戰(zhàn)，它們還需要一段時間才能現(xiàn)成可用。好消息是設計師不必坐以待斃。即使是最熟練的工程師也不太可能一次就把所有事情都做對。這使得對現(xiàn)有產(chǎn)品的審查變得有價值，因為它很可能會揭示一些可以傳遞給用戶的有用的節(jié)能增強功能。

審核編輯黃昊宇