MCU低功耗设计（三）产品

关键词：

低功耗设计, 无线通信产品, LoRa长距离, Contiki系统, 能耗实时跟踪

引言：

能耗对电池供电的产品来说是一个重大问题，一旦电能耗尽设备将“罢工”。在《MCU低功耗设计（一）理论》中，我们介绍了节能的原理；在《MCU低功耗设计（二）实践》中，实测了STM8L151C8的低功耗值。

本文介绍无线通信产品的低功耗设计，首先实测MCU与射频芯片I/O设置的功耗，然后测试射频芯片不同模式下功耗，其次使用Contiki系统的energest模块实时跟踪能耗值，最后总结低功耗设计和展望无线组网中低功耗特征。Let’sgo!

一、      无线通信产品简介

iWL881A无线通信模块是“长沙市锐米通信科技有限公司()”的LoRa长距离低功耗产品（如下图），它内嵌高效强大的物联网操作系统Contiki，支持星型/树型/MESH网络，与公司的集中器和云服务器组成“端管云”系统。典型应用场景为：居民抄表（水/电/气）、路灯控制、工厂采集、安全报警等。

 

该款微功耗无线通信产品应用场景基本由电池供电，因此低功耗设计成了首个“主战场”。MCU选用了ST公司超低功耗处理器STM8L151C8，射频芯片（RF）使用Semtech公司SX1278，该芯片基于LoRa扩频通信原理，在同等条件下可以取得比FSK调制近4倍的距离。关于LoRa通信原理，请参考作者的博文《LoRa无线通信设计（一）原理》。

MCU与RF通过SPI总线连接，此外还有一些控制引脚，SX1278硬件原理图如下：RF通过DIO0～5引脚给MCU发通知信号，NSS / SCK/ MISO / MOSI是SPI总线，NRRST是MCU复位RF的引脚。

二、      静态低功耗

1.   MCU引脚配置

真正做产品的低功耗，第一件事情是正确配置I/O引脚，单个I/O口的耗能达到mA级。换句话说，如果不小心漏掉或错配置一个I/O引脚，那么它将无情地“吞噬”你苦心经营MCU低功耗模式而得到的成绩。

MCU的I/O引脚大致分成4类：未连接、接3.3V、IC输入MCU输出、IC输出MCU输入。接下来，我们进行一系列实验，看看这4类引脚该如何配置。

 

实验1：接3.3V的I/O口，需要设置成Output, high level，是push-pull还是open-drain合适呢？选择5个上接3.3V的I/O引脚实验结果如下：

push-pull： 0.4 uA

open-drain：29.3 uA

结论：对于接3.3V的I/O，节能模式下需要设置成 Output, push-pull, highlevel。

 

实验2：将36个悬空的I/O口，设置成如下6种模式，各能耗数据如下：

       Input, floating：                         536 uA

       Input, pull-up：                          0.4 uA

       Output, open-drain, low level：            0.4 uA

       Output, open-drain, high-impedance level： 530 uA

       Output, push-pull, low level：              0.4 uA

       Output, push-pull, high level：             0.4 uA

结论：悬空I/O引脚可以设置为：(1)Input, pull-up; (2)Output, push-pull, high(low) level。

 

实验3：将6个连接RF（RF为输入方向）的I/O口，设置成如下6种模式，能耗如下：

       Input, floating：                          489 uA

       Input, pull-up：                          482 uA

       Output, open-drain, low level：            660 uA

       Output, open-drain, high-impedance level： 494 uA

       Output, push-pull, low level：              661 uA

       Output, push-pull, high level：             574 uA

结论： 外部IC为输入的引脚，节能模式下需要设置成：Input, pull-up。

 

实验4：将9个连接RF（RF为输出方向）的I/O口，设置成如下2种模式，能耗如下：

       Input, floating：                         430 uA

       Input, pull-up：                          574 uA

结论： 外部IC为输出的引脚，节能模式下需要设置成：Input, floating。

 

 

MCU引脚配置基本原则总结如下：

图例	特性	节能配置模式
	IC输出，MCU输入：输入，浮动	Input floating, no external interrupt
	IC输入，MCU输出：输入，上拉	Input pull-up, no external interrupt
	3.3V引脚：输出，上拉，高电平	Output push-pull, high level, 2MHz
	未接引脚：输出，上拉，低电平	Output push-pull, low level，2MHz

 

实际开发中，我们可以先用Excel表列举出MCU引脚的配置需求，针对上述4种类型，借鉴“地铁线路”颜色（英国人的发明）标识，如：

No.	I/O	名称	低功耗配置	作用
14	PE0	LORA_RXTX	Input floating, no external interrupt	RF输出：指示RF当前是接收或发送状态
15	PE1	NC	Output push-pull, low level, 2MHz
16	PE2	LORA_RXE	Input pull-up, no external interrupt	RF接收：RXE=1，TXE=0
17	PE3	UART2_RX	Output push-pull, low level, 2MHz	没有使用
18	PE4	UART2_TX	Output push-pull, low level, 2MHz
19	PE5	NC	Output push-pull, low level, 2MHz
20	PD0	LED1	Output push-pull, high level, 2MHz	外接3.3V，设置push-pull高电平节能

 

2.   RF工作模式

对于无线通信产品，贪婪地“吞噬”电能是射频模块（RF），我们先看看SX1278官方宣称的能耗值：

序号	1	2	3	4
模式	Sleep	Standby	Receive	Transmit
				20dBm	17dBm	13dBm	7dBm
能耗	0.2 uA	1.6 mA	12 mA	120 mA	87 mA	29 mA	20 mA

 

实际产品中，MCU+RF的整机功耗如下呢？我们继续看实验数据：

 

实验5：MCU配置所有I/O引脚为低功耗模式，通过SPI总线设置RF进入Sleep模式，MCU关闭SPI时钟和恢复SPI总线引脚到低功耗模式，进入Halt。

结果：整机功耗=0.6 uA。

在《MCU低功耗设计（二）实践》中，我们知道MCU进入Halt模式，功耗为0.4 uA；再加上RF在Sleep模式下的0.2 uA，一共0.6 uA。

 

实验6：MCU配置所有I/O引脚为低功耗模式，通过SPI总线设置RF进入Standby模式，MCU关闭SPI时钟和恢复SPI总线引脚到低功耗模式，进入Halt。

结果：整机功耗=1.493 mA。

这个1.493 mA的功耗，就是RF在Standby模式下的功耗，因为此时MCU功耗仅0.4 uA，几乎可以忽略了。

 

实验7：MCU配置所有I/O引脚为低功耗模式，通过SPI总线设置RF进入Receive模式（该模式可以长久保持），MCU关闭SPI时钟和恢复SPI总线引脚到低功耗模式，进入Halt。

结果：整机功耗=15.97 mA。

当RF处于Receive侦听模式下功耗大到近16 mA，这个数据远大于MCU全速运行的功耗（约5 mA）。

 

实验8：MCU配置所有I/O引脚为低功耗模式，通过SPI总线设置RF进入Transmit模式，MCU执行WFI(Waitfor Interrupt)指令节能，当发送结束后MCU唤醒，循环发送数据帧。分别测试发送功率为：+20dBm on PA_BOOST和+7dBm on RFO_LF下的功耗值：

结果：+20dBm on PA_BOOST=123mA, +7dBm on RFO_LF =11mA

发射功率大的惊人吧，尤其是开启功放和调整到最大功率+20dBm时，电流达到123 mA。

三、      动态低功耗

法国SigFox和俄罗斯的一些公司经常标称抄表无线产品用2节普通AA电池可以工作10年，开始听到觉得人家要么吹牛，要么技术太高了让国人自惭形秽。人家是如何实现的呢？我们一起来看看。

从上面的实验得知，当无线产品处于Sleep模式下功耗仅0.6uA，Receive模式下功耗16mA，TX模式下功耗100mA（超长距离）。任何一种无线通信节能技术的核心是尽可能地Sleep，这样将带来极低的整机平均功耗。

 

看一个实例，在大多数能耗表计的无线抄读要求：大约15分钟发送一次数据帧，约100ms；4秒内能唤醒，即每4秒需要一次5ms的接收侦听；其他时间都处于Sleep休眠。以15分钟（900秒）为单位，能耗如下：

发送：100ms * 100mA= 10mA.s

接收：(900 / 4) *5ms * 16mA = 18mA.s

休眠：898s * 0.6uA= 0.54mA.s

平均功耗：(10mA.s +18mA.s + 0.54mA.s) / 900s = 0.0317mA

设2节AA电池总电能为3000mAH，能功耗的时间为：3000mAH / 0.0317mA = 94637H=10.8年。

 

从上述实例可以看出，要尽可能地延长无线通信产品的寿命需要以下设计原则：

l 尽可能地Sleep，且Sleep下功耗尽可能地低；

l 减少侦听的时间；

l 提高通信成功率，尽可能地避免冲突重传。

实现上述设计，需要优秀的网络协议栈，特别是RDC（Radio Duty Cycle）层算法要合理；而协议栈和软件运行的基础是操作系统，印证了智能产品设计“三分硬件，七分软件”的规律。

 

iWL881A选用了功耗强大的物联网操作系统Contiki和Rime无线通信协议栈，产品的动态功耗使用Contiki的energest模块来跟踪。

Contiki系统为方便跟踪节能设计了energest模块，它能跟踪组件运行时间。它的数据结构如下图所示，energest_total_time记录组件总运行时间，energest_current_time记录组件开启时刻，energest_current_mode记录组件当前是否开启，时间的单位为rtimer_clock_t。

energest数据结构

当一个组件开启时调用ENERGEST_ON()，当该组件关闭时调用ENERGEST_OFF()。这2个动作的时序逻辑如下图所示。

 

energest时序逻辑

当用户需要统计组件运行时间，首先调用energest_flush()函数，它将所有组件的运行时间结算到当前时刻；然后调用energest_type_time()函数，取出对应组件的运行时间；最后可以根据组件的功率换算成消耗电能。

 

iWL881A使用Contiki的energest模块可以实时打印能耗跟踪信息：

CPU=5977ms, RF_TX=179ms,RF_RX=1512ms, IRQ count=30303

CPU=6023ms, RF_TX=181ms,RF_RX=1507ms, IRQ count=30304

CPU=5984ms, RF_TX=180ms,RF_RX=1497ms, IRQ count=30303

上述时间是300秒内的统计值，它说明：CPU大约6000 / 1000 / 300 * 100%=2%占空比，RF的发射大约180 / 1000 / 300 * 100%=0.06%的占空比，RF的接收大约1500 / 1000 / 300 * 100%=0.5%的占空比，中断次数约30300 / 300=101次（测试系统包含100Hz的“心跳”时钟）。

四、      组网低功耗

无线产品在组网的运行中，往往会有冲突重传、睡眠唤醒、路由转发等多种通信模式，这里能耗的跟踪将更具挑战性，请继续关注“长沙市锐米通信科技有限公司”的LoRa组网系列博文。

 

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