適用于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用超低功耗的設(shè)計(jì)步驟

在當(dāng)前競爭激烈的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 環(huán)境中，新產(chǎn)品的快速上市時(shí)間至關(guān)重要。一切都需要快速完成，但我們還需要能夠在未來幾年內(nèi)進(jìn)行擴(kuò)展并實(shí)現(xiàn)超低功耗。隨著產(chǎn)品需求的規(guī)模和復(fù)雜性的增長，軟件也在增長。

工業(yè)細(xì)分市場中的便攜式應(yīng)用要求低功耗、可靠和高性能。這類工業(yè)應(yīng)用的例子包括條形碼讀碼器、裝運(yùn)數(shù)據(jù)記錄器、高速公路跟蹤設(shè)備、降噪耳機(jī)、小型電機(jī)控制以及電池充電器。所有需要電池供電、零污染或移動(dòng)性的設(shè)備都具有相似的設(shè)計(jì)要求。

設(shè)計(jì)人員如何應(yīng)對這些挑戰(zhàn)？新一代的穩(wěn)定可靠、功能豐富且經(jīng)濟(jì)高效的單片機(jī)已經(jīng)上市。本文將介紹最新的單片機(jī)特性和一些設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)，以幫助設(shè)計(jì)人員應(yīng)對工業(yè)應(yīng)用中的這些要求。

使單片機(jī)在盡可能長的時(shí)間內(nèi)保持在最低功耗狀態(tài)是最大化電池壽命的主要目標(biāo)。運(yùn)行速度快、喚醒時(shí)間短也就意味著平均功耗低。單片機(jī)在高功率狀態(tài)下完成工作的速度越快，保持低功耗狀態(tài)的時(shí)間就越長。

設(shè)計(jì)高性能和穩(wěn)定的工業(yè)應(yīng)用的另一注意事項(xiàng)是單片機(jī)的振蕩器特性，其重要性經(jīng)常被低估。振蕩器特性會(huì)影響許多方面，包括性能、系統(tǒng)成本、可制造性和可靠性。

新型單片機(jī)以更高的速度工作，并且能夠在沒有外部時(shí)鐘源的情況下全速運(yùn)行。還提供多種內(nèi)部生成的時(shí)鐘頻率。這樣軟件可以隨著電壓下降而切換到較低頻率，以保持在工作規(guī)范范圍內(nèi)，或者在連接電源后提高速度。

制造過程中另一個(gè)常見挑戰(zhàn)是晶振有時(shí)不能可靠起振。造成這一問題的一些常見原因有元件質(zhì)量變化、助焊劑殘留和布線疏忽。選擇高質(zhì)量晶振以及實(shí)施某些布線和測 試技術(shù)（如負(fù)電阻測試）可以避免其中的很多問題，這些技術(shù)可從晶振和單片機(jī)制造商處獲取。若允許配置晶振偏壓也會(huì)有幫助，尤其是對于低頻電路。這允許增加 偏壓，以確保在各種條件下均能可靠起振，或者減少偏壓以降低功耗。一些額外的工作將幫助制造團(tuán)隊(duì)避免這些類型的棘手問題。

一個(gè)可提高可靠性的出色特性是故障保護(hù)時(shí)鐘監(jiān)視器。它可以持續(xù)監(jiān)視系統(tǒng)時(shí)鐘轉(zhuǎn)換。一旦錯(cuò)過幾次轉(zhuǎn)換，它會(huì)自動(dòng)將時(shí)鐘源切換到內(nèi)部振蕩器并中斷CPU。這樣單片機(jī)可保持關(guān)鍵功能并執(zhí)行有序關(guān)閉。

盡管通過精心設(shè)計(jì)，低電壓單片機(jī)可用于高可靠性應(yīng)用， 但有時(shí)仍需要5V工作。它可以簡化電路板布線、提高抗噪聲能力并提高對傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的支持。但是，隨著設(shè)計(jì)尺寸的減小，新的5V單片機(jī)的可用性也在降低。芯片 制造商意識到對這些器件的需求仍然很大，因而開發(fā)出了新的高電壓工作技術(shù)，找到了使更小、更廉價(jià)的單片機(jī)以較高電壓運(yùn)行的新方法。這對于尋求5V工作優(yōu)勢 的設(shè)計(jì)人員來說是個(gè)好消息。

為了進(jìn)一步提高抗噪聲能力，端口和外設(shè)引腳使用多個(gè)輸入緩沖器。不同的功能可能有不同的輸入緩沖器類型，盡管它們在同一個(gè)引腳上復(fù)用。施密特觸發(fā)器的輸入可提供比同類TTL器件更寬廣的輸入閾值范圍，并可提高系統(tǒng)的噪聲容限。

較高的端口驅(qū)動(dòng)能力是另一個(gè)重要的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)。這不僅僅是直接驅(qū)動(dòng)LED。較高的端口驅(qū)動(dòng)能力可以防止在熟知的容易引入噪聲的電路（如開關(guān)式穩(wěn)壓器和高速PWM信號）附近產(chǎn)生無用耦合，但潛在的代價(jià)是會(huì)增大輻射噪聲。端口引腳上的小型RC濾波器將有助于抵消這些效果，同時(shí)保持高驅(qū)動(dòng)能力的優(yōu)勢。

假設(shè)我們正在開發(fā)一種全新的電池供電無線產(chǎn)品。你手頭有規(guī)范，你得出的前三件事是：

1.我們需要與多個(gè)傳感器進(jìn)行交互。

2.應(yīng)用復(fù)雜，使用狀態(tài)多，無線電定時(shí)嚴(yán)格。

3. 低功耗至關(guān)重要。事實(shí)上，電池壽命將是我們產(chǎn)品的主要差異化因素。

有很多解決方案可以解決上述挑戰(zhàn)，但有一些關(guān)鍵功能可以在開發(fā)此無線產(chǎn)品時(shí)節(jié)省大量精力。多線程和資源共享支持將簡化分區(qū)和擴(kuò)展應(yīng)用程序邏輯。硬件驅(qū)動(dòng)程序?qū)⒓铀倥c外圍驅(qū)動(dòng)程序的接口。集成電源管理將使應(yīng)用程序能夠自動(dòng)進(jìn)入低功耗模式。所有這些功能都可以在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) (RTOS) 中找到。

使用現(xiàn)代 RTOS 意味著訪問具有確定性行為的代碼分區(qū)任務(wù)、廣泛的驅(qū)動(dòng)程序支持和高度集成的電源管理器。為目標(biāo)設(shè)備量身定制的 RTOS 將意味著更少的時(shí)間浪費(fèi)在執(zhí)行平凡、重復(fù)的任務(wù)上，而將更多的時(shí)間花在實(shí)際應(yīng)用上。

始終尋找新方法來加速我們的工業(yè)嵌入式應(yīng)用程序開發(fā)。