超低功耗无线MCU的设计及应用

为满足家居自动化和仪表对能效的需求，Silicon Laboratories (芯科实验室有限公司，简称Silicon Labs)日前宣布推出业界最低功耗单芯片无线微控制器（MCU）。 Silicon Labs新推出的超低功耗Si10xx无线MCU（Si1000/1/2/3/4/5,Si1010/1/2/3/4/5）系列产品能充分满足电池供电家居自动化系统、智能仪表、室内监测和安全系统对于功耗和RF的需求。

Si10xx系列产品在5mm×7mm大小的封装内，集成了高性能、超低功耗的CIP-51TM内核8位单片机 C8051F9XX ，以及Silicon Labs固有的 EZRadioPRO 系列RF收发器,仅需要少量外围元件及PCB面积就能组成高性能无线收发系统。其MCU包含高达25MIPS的处理器，64kB的Flash，低功耗电源处理模块，丰富的数字外设如SPI、SMBUS、UART总线，PCA输出阵列，多组定时器，以及模拟外设如具有300KSPS采样速度的10位ADC模块、温度传感器、比较器等等。而RF部分最高20DBM的发射功率，-121DBm的灵敏度，使系统拥有了高达的141DB 链路预算，从而达到了比同类产品几倍的有效工作距离。可以说，Si10xx系列产品提供了目前业界最高性能的单芯片无线MCU解决方案

高性能、资源丰富的MCU

Si10xx家族产品内建了低功耗混合信号片上系统型的MCU。具有优异的性能、丰富的资源及外设。见图FIGURE1.1  主要特性如下：

■单节/双节电操作，内建DC-DC升压型转换器
■高速、流水线结构的与8051兼容的微控制器核（可达25MIPS）
■全速、非侵入式的在系统调试接口（片内）
■真10位、300ksps、23通道单端ADC，带模拟多路器
■6位可编程电流基准
■高精度可编程的24.5MHz内部振荡器（使用扩频技术）
■64KB或32KB的片内FLASH存储器
■4352字节片内RAM
■硬件实现的SMBus/I2C、增强型UART和两个SPI串行接口
■4个通用的16位定时器
■具有6个捕捉/比较模块和看门狗定时器功能的可编程计数器/定时器阵列（PCA）
■硬件实时时钟（smaRTClock），工作电压可低至0.9V
■硬件CRC引擎
■片内上电复位、VDD监视器和温度传感器

该MCU FLASH存储器具有在系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新8051固件。用户软件对外设具有完全的控制，可以关断任何外设以节省功耗。片内C2开发接口允许使用安装在最终应用系统上的产品MCU进行非入侵式、全速、在系统调试，能够在工业温度范围内用0.9~1.8V或者1.8~3.6V工作（即单节或者两节 AAA电池）。



领先的RF收发系统

Si10xx家族产品同时集成了EZRadioPRO 系列RF收发器，拥有很宽的工作频率范围， 高灵敏度，多种调制方式，输出功率大且可以很方便编程调节，发射功耗非常低,传输速率高,有141DB的LINK BUDGET 为业界领先！

>频率范围：240－960MHZ
>灵敏度：－121dBm
>FSK ,GFSK 和OOK
>20dBm(Si1010/1) (不需要外加PA ) ,+13 dBm(Si1012/3/4/5)
>18mA@+1dBm
>85mA@+20dBm
>Date rate =256kbps

为什么能够超低功耗工作

该芯片由两部部分组成，超低功耗MCU和射频发射功耗低，是此芯片能超低功耗工作的根本原因，MCU 超低功耗的主要原因是：MCU供电是由DC-DC 和LDO组成供电系统MCU供电，这个系统有两个好处，第一，它能实现单电池供电，可以节省一个电池出来，并联给MCU供电，降低电池成本；第二，假设是双电池供电，和市面上典型的其他低功耗MCU比较起来，它就有更大优势，根据



在正常工作模式下，在F,C恒定时，我们给MCU供电电压是电池电压一半，此时功耗为市面上典型的其他低功耗MCU四分之一，除去DC-DC（效率比竞争对手效高25％）和LDO 上小部分功率消耗，总功率消耗比市面上的低功耗MCU 还要低很多，大大延长电池寿命，电池成本减少到原来的五分之一，而且MCU处于恒定供电电压,在休眠状态下，DC-DC能被关掉！以下为供电示意图和市面上典型低功耗MCU功耗对比图。

CMOS M U C供电图

市面上典型的MCU 与 silicon-labs si10XX （集成F9XX MCU）功耗对比图

MCU 超低功耗的另个一个原因：唤醒时间短，只需2us ! 另外内置低功耗的smaRTClock, 射频发射电流非常低，在18mA@+1dBm。 故内核为C8051F9XX的silicon-si10XX比业界低功耗的XXMSP430X 功耗低了很多，以下是它们两个之间的比较：



为什么选择SI10XX产品

可以从以下几个方面考虑：

■芯片功耗非常低；
■高性能无线收发系统；
■高精度的ADC(内建温度传感器)；
■内部有一个极低功耗32位smaRTClock 外设（实时时钟），可以直接用0.9-3.6V的电池电压工作，即使在器件进入最低功耗的掉电方式仍然能正常工作；
■应用电路简单，外围元件非常少，大大节省PCB面积，降低产品成本，下图为电路参考设计图。



应用领域



主要应用于上图所示的四大领域：

■智能能源和控制: 能量监控,灯控,通道控制
■安全方面:安全面板,PIR /运动检测 ,门窗传感器
■测量方面:油,水测量,居家显示,热能管理。
■汽车电子 ：车库门,遥控车钥匙,TPMS 接收器

技术支持

为了提高采用Si10xx无线MCU进行智能家居与智能仪表产品开发的效率，Silicon Labs公司为MCU与系统设计、RF设计与优化，以及网络软件设计提供了丰富的软硬件开发工具。这些工具包括：

■Si1000-DK和Si1010-DK开发套件
■用于EZRadioPRO无线产品的SDBC-DK3开发平台
■无线开发套件（WDS），一套综合性的工具软件。利用它，即使很少或没有RF设计经验，也可以开发出可靠的、低成本的无线应用。
■EZMACPRO媒体访问控制模块（“无线网络功能包”）
■完全兼容的无线M – Bus协议栈（EN：13757-4），符合欧洲通用仪表网

以上工具可由Silicon Labs授权代理商世强电讯处直接获得，更多技术支持及产品信息请致电世强电讯。