低功耗嵌入式设计的提示和技巧

设计新的电子设备通常归结为权衡取舍。成本通常与性能不一致。在成本敏感的市场中，例如面向消费者的产品，选择微控制器或微处理器作为嵌入式系统的核心可能是影响性能的最关键决策。通常存在会影响嵌入式系统整体性能的相互竞争的系统特性。对于这篇文章，让我们考虑以下几点：

电池寿命

响应能力

热性能

无线信号范围和速度

外部外围组件提供的功能

低功耗设计对于电池供电设备或依赖能量收集技术的设备至关重要。一些初步问题应包括：

现场维护设备的可访问性如何？可以更换电池吗？

工作环境如何（温度范围、湿度范围、暴露在阳光下、暴露在化学品中等）？

尺寸和重量限制是多少？

需要什么类型的通信？需要多久发送一次遥测数据？

预计有多少外部设备（传感器、执行器）会与我们的设备交互？它们的接口是什么？

了解“大局”要求后，就该建立粗略的功率预算了。首先，我们可以将所有外部设备的电流消耗相加。然后是时候查看满足功能要求的可能的微控制器/微处理器并确定它们的效率了。通常，规格会详细说明以 uA 为单位的效率，单位为 Hz 的时钟速度。提前花时间研究和选择合适的 MCU/MPU——无论是在功能还是性能方面——将大大有助于满足设计的低功耗要求。一旦我们对预期的活动和空闲功耗有了很好的了解，我们就可以做一些“餐巾纸背面”的数学计算，查看各种电池选项，以估计电池充电将持续多长时间。大学教师' 不要忘记选择正确的电池化学成分对于本次讨论至关重要。例如，镍镉 (NiCd) 和镍金属 (NiMH) 电池在寒冷气候下不能很好地保持电量。

解决了总体架构级问题后，就该关注优化嵌入式系统功耗的设计级考虑因素了。硬件和固件需要考虑的一些设计经验法则包括：

选择尽可能低的工作电压。在最长的时间里，5V 是常态，然后是 3.3V。如今，2.7V 和 1.8V 的核心和内存工作电压并不少见。市场上的一些嵌入式组件低至 0.9V。

在不影响性能的情况下，将核心时钟速率降低到可能的最低速度。

除了最小的工作电压外，尽量选择具有相同工作电压的组件，以减少对 DC-DC 转换器和布线多个电源轨的需求。

当心 LED 和液晶显示器！它们很漂亮并且可以添加功能，但它们可能非常耗电（相对于它们的实用性）。明智地添加 LED。如果需要 LCD，请让用户能够调节亮度。

电路拓扑结构和组件选择会对您的功率预算产生重大影响。必要时，分压器、上拉电阻器和下拉电阻器可以消耗电流。确保它们是必要的，并确定它们的大小以使其既有效又高效。

不要只是硬连线外围设备以使其一直处于启用状态。取而代之的是，投入设计时间并预算 MCU 的 GPIO 引脚，以允许固件根据需要打开和关闭外围设备。

避免在代码中使用延迟或持续的传感器轮询；这会导致无用的时钟周期，它们在功能上什么都不做，但仍然消耗能量。相反，使用任务调度程序和中断。

选择满足但不超过要覆盖的距离的通信协议。例如， Zigbee ®将比BLUETOOTH ®更高效。不需要时关闭收音机。不过请务必考虑打开收音机所需的时间。对于低功耗、低数据速率应用，这应该不是什么大问题。

不要让 GPIO 引脚悬空。

对于带有内部上拉的 GPIO 引脚，如果不需要，请不要启用上拉。

降低 I²C 和 SPI 等通信总线的时钟速率。

模数转换中使用的电阻器和电容器会消耗相当多的能量。降低 ADC 读数的频率，并在读数之间关闭 RC 网络。但一定要给电容器足够的时间在读取数据之前重新充电。

优化功耗设计不仅仅可以延长电池寿命。更低的功率意味着更少的热量，从而提高可靠性并降低热引起故障的风险。最后，一定要验证您的设计。无论是使用廉价的 USB 功率计、万用表、焦耳示波器还是能量分析仪，花时间观察设备在实验室和现实环境中的功耗。为了使这更容易，请务必在电路板上放置测试点，以便可以测量电流和电压。

审核编辑黄昊宇