對(duì)于需要RF連接的嵌入式控制系統(tǒng)來說，電子水表和燃?xì)獗砜梢宰鳛樽罹咛魬?zhàn)性低功耗設(shè)計(jì)的典型代表。這些系統(tǒng)的特點(diǎn)是電池供電（例如：燃?xì)獗砗退戆惭b點(diǎn)一般不提供墻電），并要求電池使用壽命為20年以上。公共事業(yè)供應(yīng)商提出這個(gè)要求，是因?yàn)閮H僅一次專家維護(hù)的成本通常就超過智能儀表的全部成本。由于有超長壽命的設(shè)計(jì)要求，幾乎所有水表和燃?xì)獗矶际褂娩噥喠蝓Ｂ龋↙iSOCl2）化學(xué)電池，因?yàn)槠浞浅５偷淖苑烹娞匦裕趦x表中的使用壽命可達(dá)20年以上。然而，這種電池價(jià)格昂貴（約1.5美元/安時(shí)），導(dǎo)致單個(gè)水表或燃?xì)獗碇须姵谺OM成本高達(dá)10-15美元。

許多智能儀表供應(yīng)商決定通過擴(kuò)展產(chǎn)品的通信覆蓋范圍使其產(chǎn)品脫穎而出。在他們的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，一定數(shù)量的儀表通過sub-GHz網(wǎng)絡(luò)發(fā)送使用和計(jì)費(fèi)信息到安裝在電線桿上的中繼器，中繼器收集匯總信息并通過蜂窩網(wǎng)絡(luò)或其他回傳通道發(fā)送到公共事業(yè)服務(wù)商。中繼器可以支持大約1000個(gè)儀表節(jié)點(diǎn)。然而，中繼器成本往往是單個(gè)儀表節(jié)點(diǎn)成本的10-100倍。儀表供應(yīng)商通常要面對(duì)來自其客戶的壓力，要求降低網(wǎng)絡(luò)中中繼器的數(shù)量，解決這一問題最現(xiàn)實(shí)的方法是提高發(fā)射器（TX）鏈路的穩(wěn)固性。

改進(jìn)TX鏈路預(yù)算的方法有許多。一種最顯而易見的解決方案是使用功率放大器（PA）增大發(fā)射器輸出功率。然而就電池使用壽命而言，這種方法的成本也最高。另一種解決方案是增強(qiáng)協(xié)議，盡量減少信息錯(cuò)誤和隨之而來的重傳次數(shù)。雖然這種技術(shù)比簡單增加PA的方法更加節(jié)省功耗，但仍然比當(dāng)前功率預(yù)算增加大約40%。

假設(shè)重新設(shè)計(jì)的智能儀表有以下三個(gè)設(shè)計(jì)要求：

40%以上的功率預(yù)算分配給TX功能，以增加覆蓋范圍

維持現(xiàn)有LiSOCl2電池大小（A）和容量（3650mA-hr）

維持現(xiàn)有的電池使用壽命20年

策略很明確，在TX預(yù)算范圍內(nèi)增加功耗，但不增加整體功耗預(yù)算，這就意味著必須降低其他功能區(qū)功耗，例如：RX、工作模式和休眠模式預(yù)算。圖1顯示原始功耗預(yù)算和重新設(shè)計(jì)后的目標(biāo)預(yù)算。

圖1：智能儀表應(yīng)用功耗預(yù)算對(duì)比

更高電壓轉(zhuǎn)換效率

為了增加CMOS電路性能并降低其功耗，芯片設(shè)計(jì)人員通常采用最小尺寸并且實(shí)用的裝置來構(gòu)建集成電路。一般情況下，嵌入式處理器和RF收發(fā)器采用0.18μm、0.13μm甚至90nm工藝設(shè)計(jì)。降低裝置功率消耗的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)是降低內(nèi)部工作電壓，從而降低CVf開關(guān)損耗。

市場上幾乎所有裝置內(nèi)部都集成片上低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO），當(dāng)輸入電壓為3.6V時(shí)，調(diào)節(jié)輸出一個(gè)很低的片內(nèi)電壓，通常為1.8V或更低。換句話說，一個(gè)輸入電壓為3.6V的線性穩(wěn)壓器輸出電壓為1.8V，將產(chǎn)生50%轉(zhuǎn)換效率。顯然，隨著輸出電壓的下降，這種效率將變得更差。

更先進(jìn)的嵌入式控制器，例如圖2中C8051F960 MCU，集成了比LDO控制器效率更高的開關(guān)型穩(wěn)壓器。大多數(shù)情況下，此裝置開關(guān)效率可高達(dá)85%，可以降低來自電池的總體電流并延長電池壽命。

也就是說，無線電接收器所消耗的電池電流大約是使用DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器（而不僅僅是LDO）的62.5%。采用這種方法的實(shí)際結(jié)果是降低了RX電流功耗預(yù)算。

隨著這一改變的實(shí)現(xiàn)，我們已經(jīng)接近滿足新RX功耗預(yù)算要求（例如圖3所示：從30%降至19%，盡管目標(biāo)是降至18%）。接下來，我們有必要繼續(xù)優(yōu)化系統(tǒng)中的其他運(yùn)行模式。

通常，電池供電之儀表99.9%的時(shí)間處于低功耗休眠模式。因此，盡可能降低休眠模式電路的功耗就變得非常關(guān)鍵。幾年前，通過使用32.768 kHz的晶體在3.6V電壓下驅(qū)動(dòng)低功耗喚醒時(shí)鐘，最佳裝置可低至大約1μA電流消耗。隨著進(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn)，如今在同樣電壓下裝置在使用相同功能時(shí)僅需大約700nA。雖然凈節(jié)約僅300nA，但實(shí)際上該節(jié)約完全有效，可以從功率預(yù)算中直接減去此數(shù)值。

采用低功耗休眠模式裝置，可以將休眠模式預(yù)算從之前的8%降低到5%（如圖4所示），即可達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。然而，這僅僅是達(dá)到目標(biāo)，還沒有超過目標(biāo)，仍需要做進(jìn)一步改善以實(shí)現(xiàn)整體設(shè)計(jì)目標(biāo)。最后的一個(gè)重點(diǎn)是如何降低工作模式的功耗。

降低工作模式功耗

在儀表應(yīng)用中區(qū)分主要的功耗任務(wù)很重要。在本文所列舉的燃?xì)獗砘蛩砝又校袃蓚€(gè)主要任務(wù)：

? 為了計(jì)算流量，需要每秒鐘檢查簧片開關(guān)狀態(tài)20次。

? 每15秒鐘創(chuàng)建一個(gè)無線數(shù)據(jù)包，并將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)綗o線發(fā)射器進(jìn)行廣播。

在許多計(jì)量儀表應(yīng)用中，都有一個(gè)被稱作寄存器編碼器的裝置用于記錄燃?xì)饣蛩牧髁俊Ｔ谟?jì)量系統(tǒng)中，表現(xiàn)為一系列開關(guān)事件或脈沖。傳統(tǒng)計(jì)量系統(tǒng)中，CPU必須喚醒并對(duì)I/O引腳的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行采樣。如果開關(guān)是物理簧片開關(guān)，需要額外CPU帶寬來反跳開關(guān)并控制上拉電阻器，從而確保脈沖有效性并通過閉合開關(guān)來盡量降低漏電電流。軟件中執(zhí)行該功能，即使在最優(yōu)化的系統(tǒng)中也需要消耗超過1μA電能。

更好的辦法是使用專用輸入捕獲定時(shí)器，這種定時(shí)器在裝置處于休眠模式時(shí)也能自動(dòng)運(yùn)行，與基于軟件的方法相比，這種技術(shù)有很多優(yōu)點(diǎn)。首先，開關(guān)次數(shù)可以累計(jì)到硬件寄存器上，幾乎不需要CPU干預(yù)。此外，諸如開關(guān)反跳、上拉電阻器管理和自動(dòng)校準(zhǔn)的功能，可以直接集成到硬件上。采用兩個(gè)定時(shí)器輸入，可以支持判斷流量方向的正交解碼功能，使系統(tǒng)具備回流檢查能力和防篡改功能。在3.6V電壓下，即使采樣率高達(dá)500Hz，專用低功耗輸入捕獲定時(shí)器所消耗的電流也僅為400nA，相對(duì)于采用軟件執(zhí)行該功能的方法來說是一個(gè)顯著進(jìn)步。

當(dāng)CPU運(yùn)行時(shí)，通常從非易失性存儲(chǔ)器（例如Flash存儲(chǔ)器）獲取指令。40%工作模式電流用于閃存讀取操作是很常見的。因此，不論在何種情況下，使用專用硬件外設(shè)（而非CPU）來移動(dòng)數(shù)據(jù)都可以節(jié)省功耗。當(dāng)為RF傳輸準(zhǔn)備信息包時(shí)，數(shù)據(jù)需要多次編輯。例如，假設(shè)需要從儀表傳輸20個(gè)字節(jié)信息載荷到集中器。最初，這20個(gè)字節(jié)駐留在SRAM中;然而，該數(shù)據(jù)有可能包含客戶私有信息，必須對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密;隨后，循環(huán)冗余碼檢驗(yàn)（CRC）計(jì)算并將其附在加密信息后面;最后，在通過串行外設(shè)接口（SPI）傳送到無線收發(fā)器前，整個(gè)信息將進(jìn)行編碼（例如：Manchester、3:6等），所有這些功能都可以通過CPU以軟件方式實(shí)現(xiàn)。然而，采用專用硬件執(zhí)行任務(wù)會(huì)使系統(tǒng)效率更高，例如圖5所示專用數(shù)據(jù)包處理引擎（DPPE）。

使用DPPE不僅能減少執(zhí)行功能所需的時(shí)間，還能夠降低這段時(shí)間內(nèi)所消耗的電流，因?yàn)镕lash存儲(chǔ)器不會(huì)被訪問。這樣工作模式下的功耗最終降幅可達(dá)90%。當(dāng)完成以上改進(jìn)后，我們可以超額完成工作模式下的節(jié)能目標(biāo)，所需功耗只占總體預(yù)算6%，如圖6所示。

采用上述三種技術(shù)后，我們能夠成功將TX功耗預(yù)算的比重提高到70%，這完全是從RX模式、休眠模式和工作模式中節(jié)約功率的結(jié)果。換句話說，我們可以達(dá)到增加TX可靠性的整體設(shè)計(jì)目標(biāo)，而這并不需要采用更大電池容量或減少電池使用壽命。

本文所示的例子說明在智能儀表應(yīng)用中如何通過重新分配整體預(yù)算實(shí)現(xiàn)節(jié)能要求。然而，節(jié)能也可通過許多其他方式體現(xiàn)其價(jià)值。一個(gè)顯而易見的例子是能夠使用更小、更低成本電池。另一個(gè)好處是可以在相同電池條件下延長電池壽命。還有一個(gè)潛在的好處是更大設(shè)計(jì)余量和減小保修負(fù)擔(dān)。設(shè)想這樣的場景：儀表制造商每年生產(chǎn)數(shù)百萬臺(tái)儀表，每臺(tái)儀表保修服務(wù)期限為20年。如果儀表因?yàn)檫^度功耗導(dǎo)致在使用15年后失效，制造商可能要對(duì)數(shù)千萬臺(tái)儀表負(fù)擔(dān)潛在的保修責(zé)任。因此，額外的設(shè)計(jì)余量讓工程師和投資者都感到放心。

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