Arm ? Cortex ? -M33 處理器是無線系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的熱門選擇，他們希望從其物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)的受限功率預(yù)算中榨出最后一毫瓦。那是因?yàn)樗峁└咝阅?，同時(shí)消耗很少的能量。

Arm 是一家知識(shí)產(chǎn)權(quán) (IP) 供應(yīng)商，將其處理器專有技術(shù)出售給芯片制造商，然后芯片制造商將設(shè)計(jì)作為獨(dú)立處理器或作為片上系統(tǒng) (SoC) 的一部分嵌入到自己的硬件中。設(shè)計(jì)的最終效率當(dāng)然取決于硬件實(shí)現(xiàn)，但根據(jù) Cortex-M33 的 Arm 數(shù)據(jù)表，當(dāng)處理器運(yùn)行時(shí)預(yù)計(jì)每兆赫茲 10 微瓦左右的功耗并不是不合理的。而且這不會(huì)影響性能；這是一個(gè)非常強(qiáng)大的設(shè)備。（對(duì)于有技術(shù)頭腦的人來說，Cortex-M33 擁有 4.02 CoreMark/兆赫茲）。

為支持低功耗 無線設(shè)計(jì)中的嵌入式處理器而提供的組件帶來了類似的效率水平。例如，考慮Bluetooth?中的收音機(jī)LE 或 Zigbee SoC。就在不久前，這些設(shè)備在通過無線鏈路發(fā)送或接收數(shù)據(jù)時(shí)消耗了幾十毫瓦的功率。當(dāng)您只有很少的功率預(yù)算并且用戶期望電池壽命長(zhǎng)達(dá)數(shù)月時(shí)，這是一個(gè)巨大的數(shù)目。當(dāng)今最先進(jìn)的短程無線 SoC 事半功倍，提供比上一代產(chǎn)品更大的范圍和吞吐量，而功耗僅為幾毫瓦。通過設(shè)計(jì)、材料和制造方面的進(jìn)步，處理器、內(nèi)存、無線電、模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)、線性穩(wěn)壓器 (LDO) 等的功耗與幾年前相比只是一小部分. 這使設(shè)計(jì)人員有機(jī)會(huì)顯著延長(zhǎng)其產(chǎn)品的電池壽命或通過使用更小的電池來縮小其外形尺寸。

然而，讓任何兩名工程師使用同一盒低功耗比特為給定應(yīng)用設(shè)計(jì)解決方案，最終的設(shè)計(jì)將具有完全不同的電池壽命。而且不僅僅是百分之幾。在充分利用電池能量方面，一種設(shè)計(jì)的效率只有另一種設(shè)計(jì)的一半并不罕見。差異歸結(jié)為設(shè)計(jì)師的技能和經(jīng)驗(yàn)。這使得產(chǎn)品背后的人對(duì)其功耗產(chǎn)生最重要的影響。

技術(shù)嫻熟的低功耗產(chǎn)品設(shè)計(jì)師知道什么對(duì)我們其他人來說是新聞？它歸結(jié)為硬件選擇、良好的編碼、測(cè)試和睡眠。充足的睡眠。

外圍設(shè)備是最重要的

經(jīng)驗(yàn)豐富的設(shè)計(jì)人員知道，決定能耗的不僅僅是處理器、無線電和內(nèi)存等關(guān)鍵組件，外設(shè)也很重要。當(dāng)電池壽命以月為單位時(shí)，如果效率低下，即使是低被動(dòng)也可以節(jié)省幾天的能量。

好的設(shè)計(jì)選擇包括具有低能量需求和靜態(tài)電流的外圍設(shè)備，這已經(jīng)不是什么新聞了。但考慮設(shè)備的使用方式也很重要。例如，考慮一個(gè)內(nèi)置加速度計(jì)；如果應(yīng)用程序只需要知道它何時(shí)被倒轉(zhuǎn)，那么最好確保這是加速度計(jì)報(bào)告其位置的唯一時(shí)間，而不是連續(xù)傳輸每個(gè)微小的運(yùn)動(dòng)。

還需要注意選擇功耗最小的組件。例如，降壓/升壓穩(wěn)壓器和 LDO 在運(yùn)行期間都會(huì)消耗一些功率，因此選擇最高效的同時(shí)仍支持應(yīng)用需求非常重要。這種方法應(yīng)該擴(kuò)展到電路中不太明顯的部分。例如，當(dāng)分壓器用于降低 ADC 的電壓時(shí)，其設(shè)計(jì)應(yīng)使其通過分流電阻消耗的功率最少。另一個(gè)常見的失敗是設(shè)計(jì)信號(hào)下拉，使它們將電壓拉至地，但不會(huì)最小化電流泄漏。這是對(duì)電池能量的持續(xù)消耗，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看會(huì)產(chǎn)生重大影響。

好的代碼可以節(jié)省能源

一旦電路組裝好，重要的是所有元件始終以盡可能低的能耗水平運(yùn)行。這并不是說應(yīng)該經(jīng)常關(guān)閉東西，因?yàn)檫@樣啟動(dòng)周期會(huì)花費(fèi)太長(zhǎng)時(shí)間并影響用戶體驗(yàn)。但大多數(shù)現(xiàn)代低功耗組件都具有各種待機(jī)和睡眠模式，在這些模式下，能耗可以忽略不計(jì)，但啟動(dòng)延遲很低。熟練的設(shè)計(jì)人員使用這些功能來確保組件不會(huì)消耗能量，除非它們確實(shí)需要。

此外，有經(jīng)驗(yàn)的工程師會(huì)檢查他或她的代碼以查找可能產(chǎn)生不必要功耗的觸發(fā)器或中斷。為了讓他們的生活更輕松，這些工程師通常會(huì)構(gòu)建他們的代碼以使其易于閱讀。這樣可以更快地發(fā)現(xiàn)代碼行，例如，在不需要外圍設(shè)備時(shí)啟動(dòng)外圍設(shè)備，或者在執(zhí)行任務(wù)后無法讓它們進(jìn)入睡眠狀態(tài)。

一旦消除了明顯的代碼錯(cuò)誤，熟練的設(shè)計(jì)人員就會(huì)仔細(xì)檢查代碼以尋找更細(xì)微的東西，例如處理器進(jìn)入非計(jì)算等待循環(huán)——消耗功率但實(shí)際上什么也得不到——當(dāng)它可以進(jìn)入休眠狀態(tài)時(shí)。第二個(gè)問題是子系統(tǒng)確實(shí)按預(yù)期進(jìn)入睡眠狀態(tài)，但在并非絕對(duì)必要時(shí)經(jīng)常被喚醒。例如，可以設(shè)置一個(gè)計(jì)時(shí)器來喚醒處理器，這樣即使應(yīng)用程序此時(shí)不需要這些信息，它也可以讀取一些傳感器數(shù)據(jù)。

經(jīng)驗(yàn)不足的設(shè)計(jì)人員常犯的另一個(gè)錯(cuò)誤是忘記禁用在開發(fā)和調(diào)試期間有用但在現(xiàn)場(chǎng)不需要的事件日志記錄。危險(xiǎn)在于產(chǎn)品離開工廠并在現(xiàn)場(chǎng)打開外圍設(shè)備以記錄永遠(yuǎn)不會(huì)使用的信息。但是將使用的是電池的能量。

檢查發(fā)生了什么

測(cè)試最終產(chǎn)品的平均電流消耗是估算電池壽命的一種簡(jiǎn)單方法。但它可能不會(huì)講述完整的故事。設(shè)計(jì)良好的無線設(shè)備在低功耗和活動(dòng)模式之間不斷變化，低占空比非常普遍。這意味著短暫的平均電流測(cè)試可能會(huì)錯(cuò)過不頻繁的峰值消耗事件，這些事件可能仍會(huì)對(duì)電池壽命產(chǎn)生重大影響。

全面了解的最佳方法是使用成熟的功率分析儀詳細(xì)了解長(zhǎng)期功耗。這樣，設(shè)計(jì)人員就可以清楚地識(shí)別低功率無線設(shè)計(jì)中常見的瞬態(tài)功率尖峰，并確保每個(gè)尖峰都與絕對(duì)必要的活動(dòng)相對(duì)應(yīng)。這種技術(shù)的缺點(diǎn)是功率分析儀非常昂貴、非常笨重，并且受到總工程師的嚴(yán)密保護(hù)。

有一些更便攜且更便宜的設(shè)備選項(xiàng)可以提供無線設(shè)備功耗的相當(dāng)詳細(xì)的視圖。一個(gè)例子是Nordic 的 Power Profiler Kit II。只需不到 100 美元，設(shè)計(jì)人員就可以使用此測(cè)試工具檢查其產(chǎn)品的功耗，然后使用運(yùn)行模擬器的免費(fèi)在線功率分析器將其與預(yù)期行為進(jìn)行比較。該估計(jì)值可以與 Power Profiler 套件的結(jié)果交叉引用，以突出顯示任何異常，然后可以更仔細(xì)地檢查這些異常以找出其原因。

結(jié)論

明天的低功耗設(shè)備將使今天的設(shè)備看起來像貪婪的怪物。但由于當(dāng)前的供應(yīng)鏈挑戰(zhàn)，它們還需要一段時(shí)間才能現(xiàn)成可用。好消息是設(shè)計(jì)師不必坐以待斃。即使是最熟練的工程師也不太可能一次就把所有事情都做對(duì)。這使得對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品的審查變得有價(jià)值，因?yàn)樗芸赡軙?huì)揭示一些可以傳遞給用戶的有用的節(jié)能增強(qiáng)功能。

審核編輯黃昊宇