描述

這是一個舊項目的延續(xù)，該項目完成了溫度傳感器程序的基本設(shè)計，該程序?qū)?dāng)前空氣溫度顯示在電子墨水顯示屏上。如果你還沒有，我建議你回去看看。

第 2 部分側(cè)重于功率計算和節(jié)省。如第 1 部分所述，如果該項目要過渡到可穿戴設(shè)備，我需要確保我的電池管理效率很高。我想用 3V、320mAH 的紐扣電池長時間運行整個設(shè)備。為了實現(xiàn)合理的電池壽命，我必須實現(xiàn)一些內(nèi)置的省電技術(shù)。

功率測量

為了測量每個組件的功耗，我決定使用具有高增益的電流檢測放大器 (CSA)。我發(fā)現(xiàn) MAX9922 評估套件非常適合此應(yīng)用。我將感測電阻器從 0.1 歐姆更換為 1 歐姆。如果您不熟悉電流檢測放大器，基本概念是該檢測電阻上的電壓降將乘以增益（在本例中為 250），然后可以測量放大的輸出。通過增加檢測電阻，我實質(zhì)上縮小了該放大器的整體范圍，同時提高了輸出精度。我可以測量的最大電流僅為 11 mA，而不是使用 0.1 歐姆電阻器時的 110 mA。雖然精度急劇增加，因為現(xiàn)在 40 微安的變化將導(dǎo)致 10mV 的電壓增益，而不是 1mV。因為我知道微控制器最大只能拉大約 8 mA，所以我想盡可能精確。

由于我們正在測量電壓變化，我們可以將 CSA 的輸出連接到示波器并查看電流消耗模式，而不僅僅是像 DMM 上的瞬時值。這將使我們能夠檢測電流消耗的模式，并真正可視化這些節(jié)能技術(shù)。

值得一提的是，我的測量值以 mA 為單位。由于我知道每個組件上運行的電流和電壓，我可以通過 P = I * V 輕松計算功率。以下部分將逐個介紹每個組件并展示代碼優(yōu)化前后的電流消耗趨勢。最終（定量）結(jié)果可以在本文底部找到。

屏幕啟用

這些技術(shù)中的第一個是在不使用電子墨水的板載芯片時禁用它。芯片本身在轉(zhuǎn)換屏幕方面非常有用，但它也帶有一些我不想使用的額外功能。其中一項功能是輸出到“3V3”引腳的 LDO。我不需要調(diào)節(jié)的 3.3V 輸出，所以我想確保它盡可能長時間處于非活動狀態(tài)。

還有一個板載 SRAM 模塊，我選擇不使用。一旦芯片的使能引腳變?yōu)榈碗娖剑?SRAM 就會丟失其所有內(nèi)存，并且在處于活動模式時會消耗相當(dāng)多的電流。我發(fā)現(xiàn) MAX32660 有足夠的內(nèi)存來容納多個完整的屏幕，因此屏幕模塊上不需要額外的內(nèi)存。

無需修改代碼，電流消耗遵循以下模式：

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電子墨水顯示電流消耗（始終有效）

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屏幕轉(zhuǎn)換時會出現(xiàn)較大的峰值，但在靜止期間消耗相對較低。為了禁用芯片并將屏幕設(shè)置為睡眠模式，請在屏幕不使用時將啟用引腳（“EN”）設(shè)置為低電平。

這里你要小心一點，因為在“updateScreen();”之后屏幕實際上還在轉(zhuǎn)換。命令被發(fā)送。在禁用啟用之前，我為此功能設(shè)置了延遲，以確保屏幕在切斷電源之前完成轉(zhuǎn)換。在屏幕轉(zhuǎn)換之間啟用設(shè)置較低時，新的電流消耗趨勢如下所示：

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電子墨水顯示電流消耗（過渡期間激活）

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通過在轉(zhuǎn)換之間禁用啟用，靜態(tài)電流消耗顯著下降。由于沒有使用 SRAM，并且在停機期間沒有更新屏幕，因此除了當(dāng)前節(jié)省之外沒有其他后果。您可以輕松地看到使能設(shè)置回活動的點，并且屏幕開始轉(zhuǎn)換。

溫度傳感器一鍵式

MAX30205人體溫度傳感器內(nèi)置低功耗模式。我可以發(fā)送一次性信號，而不是進(jìn)行連續(xù)的溫度測量。該信號將告訴傳感器記錄一個溫度讀數(shù)，將其存儲在溫度寄存器中，然后返回低功耗模式。我可以在需要轉(zhuǎn)換屏幕之前發(fā)送此信號，并盡可能長時間地將傳感器保持在低功耗模式。

在不使用一次性功能的情況下，我當(dāng)前的消耗情況如下：

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溫度傳感器電流消耗（始終有效）

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傳感器始終處于活動狀態(tài)，并持續(xù)測量溫度，無論微控制器是否讀取它。只需快速更改為使用這種一次性方法，我的新消費模式就會更改為：

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溫度傳感器電流消耗（在溫度讀數(shù)期間有效）

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如您所見，平均電流消耗急劇下降。唯一保持活動狀態(tài)的組件是指定的存儲單元、實時時鐘和喚醒定時器，以及電源排序邏輯。所有其他組件都已關(guān)閉，微型計算機基本上處于休眠狀態(tài)。

在這個項目中，我只需要實時時鐘和喚醒定時器，以及保持活躍的內(nèi)存。這樣，我可以在預(yù)定時間后喚醒系統(tǒng)，我所有的屏幕數(shù)據(jù)都將保存在內(nèi)存中。

在沒有啟用深度睡眠的情況下，我觀??察到了這種電流消耗特性：

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微控制器電流消耗（始終有效）

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控制器始終處于開啟狀態(tài)，盡管它已準(zhǔn)備好從傳感器讀取數(shù)據(jù)并更新屏幕，但它僅每 10 秒更新一次。通過啟用深度睡眠功能并關(guān)閉所有不必要的組件，新特性如下所示：

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微控制器電流消耗（屏幕轉(zhuǎn)換期間激活 + 溫度讀數(shù)）

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節(jié)省的成本在控制器的占空比中清楚地顯示出來。當(dāng)沒有進(jìn)行測量并且屏幕沒有更新時，微控制器應(yīng)該處于可能的最低功耗狀態(tài)。睡眠周期可以輕松配置為用戶需要的長短，也可以通過 GPIO 信號啟用，而不是 RTC。

最終結(jié)果

在測量每個組件的電流消耗時，我決定取每個周期的平均電流消耗。使用這些信息，我可以根據(jù)屏幕更新之間的時間推斷電池應(yīng)該持續(xù)多長時間。等待時間越長，省電越多。消費結(jié)果如下圖：

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當(dāng)前消費結(jié)果

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然后，我將這些結(jié)果與 3V、320 mAH 紐扣電池相關(guān)聯(lián)。該表在技術(shù)上仍然不完整，因為我需要實現(xiàn)電源管理系統(tǒng)來為每個組件供電，但結(jié)果可以更深入地了解我們可以實現(xiàn)多少節(jié)省。

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基于更新屏幕更新時間的電池壽命

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可能的應(yīng)用和未來的工作

雖然系統(tǒng)尚未完全完成，但低功耗特性幾乎可以應(yīng)用于任何其他項目。任何不需要持續(xù)計算或溫度讀數(shù)的應(yīng)用都可以通過將微控制器置于深度睡眠模式來節(jié)省功耗。

在設(shè)計項目時，我想到了一個新生兒溫度傳感器。監(jiān)測嬰兒的體溫很重要，但不一定需要持續(xù)監(jiān)測。如今，大多數(shù)測量體溫的現(xiàn)代手表和其他可穿戴設(shè)備每隔幾秒測量一次，并持續(xù)記錄數(shù)據(jù)。這對于可能會在短時間內(nèi)看到溫度大幅波動的用戶很有用，例如在寒冷的日子不穿夾克外出或鍛煉身體。然而，在嬰兒體溫的情況下，他們的環(huán)境不會發(fā)生劇烈變化。孩子的父母或監(jiān)護(hù)人很可能會采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣泶_保嬰兒穿著合適的衣服。在此應(yīng)用中，很可能每 5 分鐘測量一次溫度，

該項目合乎邏輯的下一步是移除電子墨水顯示屏，并用某種形式的無線通信（很可能是藍(lán)牙）取而代之，以便在溫度波動較大時向父母或監(jiān)護(hù)人發(fā)出警報。這種修改還將使設(shè)備更小，這在可穿戴設(shè)備方面總是可取的。

其他可能的應(yīng)用可能是用于進(jìn)行定期測量的天氣傳感器。如果設(shè)置時間較長，或者系統(tǒng)設(shè)置后難以訪問，則可用于任何延遲啟動應(yīng)用程序。在不損失周期性應(yīng)用的功能的情況下，將控制器置于深度睡眠模式非常有意義。

這些只是應(yīng)用程序的一些想法，顯然還有更多我沒有提到的用例。我希望你喜歡這些文章，并且你對這些很棒的功能有一些新的創(chuàng)造性用途。快樂黑客！