提高电池供电式嵌入应用的功效

2010年03月16日13:41:50 本网站我要评论(2)字号：T | T | T

作者：Odd Jostein Svendsli，AVR产品市场总监，Atmel

本文概述了设计人员可在嵌入式设计所有层面采纳的几项提高整体功效和电池安全性的战略。这些战略包括采用自适应充/放电技术，从电池额外取得15%的电能；在应用层面引进改良的睡眠模式；通过减轻CPU负荷，提高处理效率，进而降低功耗；消除内存存储消耗，以及减少系统处理中断的次数。综合利用这些技术，将会提升电池的总体效率、功率控制及用户满意度，同时降低昂贵的产品召回风险。

引言

嵌入式产品开发人员一直面对要求产品尺寸不断缩小，而电池寿命却越来越长的压力。手机用户只要有过两小时无间断通话的经历，便会期望手机可以几天都不用充电。不过，未来的低功耗产品所需要的不仅是尽量延长睡眠时间，而是一种更灵活的功率战略。

开发人员可以利用很多方法来提高电池供电设备的整体功效。就电池而言，只要采用更精确的放电控制、性能记录，以及自适应充/放电技术，就能够从电池取得额外15％的电量。在系统构架层面，则可从微控制器设计创新着手，如减轻计算密集应用的负荷、背景内存管理，以及减少系统处理中断的次数来降低功耗。开发人员还可在应用层面实现功率管理功能以及利用改良的睡眠模式，进一步降低功耗。利用这些技术将可提高电池效率、功率控制和设备安全性，同时延长电池寿命，提高用户满意度，并避免昂贵的产品召回风险。

挖掘智能电池的潜力

电池是限制低功耗设计的第一个因素。目前便携和手持设备的首选是锂离子电池，取其能量密度高，重量轻，体积也小。尽管锂电池是一种安全的技术，但使用不当也会出现过热，导致设备损坏，并有可能使用户受伤。尤其是在充电时，电压过高有可能造成电池不稳定。此外，如果温度控制不够严格，也会降低能效。所以锂离子电池充电需要仔细监控，才能确保使用安全和提供较佳的电池寿命。当然，如果产品出现安全问题，厂家就必须承担产品召回的成本，所以安全也是设备厂家非常关注的问题。

精度则是电池管理的一个重要指标。由于电池必须在安全限度内充/放电，因此充电和用电都必须留有余量。这个余量的估计越精确，系统就更接近充/放电的安全极限，且不会造成充电过度或放电过度。

这里的精度指电池充电的内部参考电压。由于电压直接受充电电流和温度的影响，所以充电系统必须仔细地监视这些参数。例如，爱特梅尔AVR微控制器就可以在0-60度温度范围内，提供±12.5mV的电压精度。这样，开发人员就能安全地利用电池95%的容量。如果这个精度下降到±100mV，就只能利用70%的容量。因此，能否精确计算参考电压，对电池寿命有重大影响。

请留意内部参考电压是需要校准的。从设计角度看，半导体制造商可以简化这项工作，即在测试时计算校准值，并将它保存在微控制器中。这样，开发人员只需进行很少的设备内测试，就能实现较高性能。

突破性能极限

嵌入式设备的功耗可由下式表示：

Power _ consumption =（Pstatic.Tsleep）+（Pdynamic.Tactive）,

这里，P_static为微控制器在睡眠模式期间的功耗，P_dynamic为其活动模式期间的平均功耗。

半导体制造商的开发工作就是力求降低P_static和P_dynamic。P_static实际上就是微控制器的漏电流，可占微控制器总功耗的30%。P_dynamic则是工作电压Vcc与工作频率的乘积。微控制器设计人员一直试图降低漏电流和Vcc，例如通过减低嵌入式闪存微控制器的工作电压，而有些已降到1.6V。

决定P_dynamic的重要因素是微控制器是否在恒定电压下工作。例如，CPU的工作电压可能为1.6V，但其外设、内存和其它功能件的工作电压却更高。这样，P_dynamic就会比预期值高。较理想的情况当然是整个设备都在1.6V下工作。

另一方面，设计人员也可以通过减少微控制器的工作时间来提高功效。要做到这一点，不仅需要提高时钟频率（频率提高也会增加功耗），同时还需要调整微控制器的内部架构。较近，微控制器架构方面的创新，为开发人员改善功耗提供了一些有别于传统方法的重要方法，如增加工作频率和降低Vcc。具体讲，就是系统效率提高了，可实现如下功能，从而获得更高的工作功效：

卸载CPU的负荷，缩短T_active，从而提高微控制器的效率
采用更灵活的功率模式，尽可能让微控制器在CPU闲置时完成工作
快速唤醒CPU

要提高微控制器的效率，需要了解它的典型用途。例如，当今的嵌入式设备必须执行很多任务，包括完成实时控制计算、执行高速通信协议解码，以及处理来自高频传感器的信号等。为了响应外设管理的实时需要，这些任务一般采用中断方式来处理；而这意味着CPU仍然需直接介入。要处理某一中断，就不得不中断其它的延时敏感（latency-sensitive）的任务，并产生场景切换方面的开销，导致效率进一步降低。如果微控制器要用更少的时间做更多的工作，那么，开发人员不仅必须消除CPU的数据处理负担，而且还要卸载其处理中断负荷。

有鉴于此，微控制器已开始集成协处理器以分担计算密集的任务，集成DMA控制器来实现CPU无耗费（penalty-free）数据传输，以及集成事件系统，实现内部子系统间的信号发送，从而分担I/O和外设管理任务。

卸载引擎负荷：许多嵌入式微控制器都有集成协处理器（coprocessor）（例如加密和TCP/IP卸载引擎），以分担CPU的负荷。TCP/IP卸载引擎能以很少的CPU开销终止某一以太网连接；而加密引擎则可减轻CPU完成AES加密计算的负担，从每次操作耗费1000个时钟周期降到100个时钟周期。

DMA控制器：直接内存存取（Direct Memory Access，DMA）通过在背景完成内存操作，分担了CPU的数据移动工作。例如，开发人员可让DMA控制器预先加载数据块到片上RAM中，供CPU随后使用，从而有效消除等待状态和其它关联延时。DMA还可承担大多数管理通信外设的工作（参见表1）。

事件系统（Event System）：事件系统配合DMA使用，可进一步减轻CPU的负担，并降低整体功耗。事件系统利用一个连接CPU、外设和DMA控制器的专用网络（参见图1），将事件信号路由到整个微控制器中。它还可以将事件从一个外设直接发送给另一个外设，而不是采用中断CPU的方式来管理外设。此外，当某外设出现一个事件时，它可在两个时钟延时内触发响应动作，这就象人体的条件反射，例如当手被火烫着了，无需大脑思考就会立即缩回。

卸载CPU负荷能够大幅提高处理性能。例如，加密现在已经成为许多嵌入式设备的标准要求，而它其中一个常见的用途是通信安全，例如是使用安全的启动代码可以防止设备固件被非法入侵。使用集成加密引擎可大幅减少这类应用的T_active。例如，相比软件加密实现方式，加密引擎能够加快AES加/解密速度，使处理一个16字节区块从耗费8000个时钟周期降低到375个时钟周期。而对DES加密速度的提升更为显着，每处理8字节从耗费10000个时钟周期减少到16个时钟周期。加快加密处理的速度，也使得设备能够支持经由安全信道的更高速率数据传输。

尽管协处理器以硬件方式执行某项经已明确定义的任务，有些还具有可配置功能，但相比之下，DMA控制器和事件系统具有编程功能，可以灵活地高效卸载CPU的多种任务。图2所示为事件系统和DMA共享以有效分担外设管理任务的示例。具体而言，使用DMA管理数据传输，而事件系统确保按照正确的时序/频率完成数据采样或输出。

该例中，一个ADC连接一个传感器。ADC采样不由CPU来控制，而是使用一个内部计数器来匹配采样频率。由于该计数器与微控制器时钟匹配，所以采样频率非常准确。当ADC采样和转换完成后，ADC就会触发DMA控制器将数值存储到RAM中。

由于可以使用多信道来配置复杂事件，故开发人员能构建一个并行或独立于CPU工作的互联结构。例如，事件系统和DMA可以管理某一外设，在CPU执行中断之前向某一缓冲填充数据。比较这种方法的效率和采用中断管理外设之传统方法的效率，在传统方法中，每当数据到达外设，CPU必须被唤醒，读取数据，并存储数据。由于每次中断都需要耗费50个时钟周期以上来完成场景切换，所以这种开销，即便使用低速接口，也会使CPU的整体闲置时间大大缩短。

卸载引擎也直接影响功耗。对于管理TCP/IP连接或支持AES加密之类的任务，如果没有协处理器是完全不可行的。DMA引擎本身就能在应用中减少30%-50%的CPU开销，而事件系统与DMA配合则可进一步减轻CPU中断处理负担。

大多数创新的微控制器架构在CPU减负效率提升方面更进一步。这些微控制器不仅限于提高CPU在每个工作时钟周期的效率，甚至还能分担CPU处于某种低功耗模式下出现的各种任务，例如从外设接受一整块缓冲数据。这样，协处理器、DMA和事件系统就可在CPU睡眠时工作，从而节省可观的电能（参见表2）。

所有这些性能提升的直接效果就是降低功耗。表3给出了功耗降低的情况，根据不同的应用，功耗较大可降低达7倍。由于DMA控制器和事件系统减少了CPU处理时间，因此CPU能更多地处于睡眠模式。从表中可看出，如果工作电流跟睡眠电流相差非常大，T_active即使稍微减少一点，也能节省可观的电能。

开发人员甚至还能根据微控制器的唤醒响应性能，进一步挖掘省电潜力。具体来说，CPU被唤醒的速度越快，它睡眠的时间就越长。反过来，这也说明迟滞会对功耗有影响。例如，若某个系统响应唤醒较慢，所增加的迟滞会打乱实时事件的处理时序。在这

提高电池供电式嵌入应用的功效

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