低功耗MCU助力智能手表電池壽命大增

延長(zhǎng)電池使用壽命是智慧型手表的首要開(kāi)發(fā)考量。為達(dá)成此一目標(biāo)，設(shè)計(jì)人員須選用在工作/動(dòng)態(tài)模式下功耗較低，且能同時(shí)維持高性能運(yùn)作的微控制器(MCU)，并導(dǎo)入快速喚醒功能，以便讓MCU盡可能處于休眠或閒置模式，進(jìn)一步降低系統(tǒng)總體功耗。

所謂的智慧型手表該如何定義呢?基本上，智慧型手表是設(shè)計(jì)成手表外型、可戴式的運(yùn)算裝置，當(dāng)和智慧型手機(jī)無(wú)線連結(jié)時(shí)，可提供更多的智慧型功能。一般常見(jiàn)的功能包括了日曆通知、電子郵件或簡(jiǎn)訊提示。若是同時(shí)還內(nèi)建感應(yīng)器，如加速度計(jì)或溫度感測(cè)器等，智慧型手表就能夠幫助記錄與監(jiān)控使用者的運(yùn)動(dòng)進(jìn)度、表現(xiàn)和心跳率等。有些手表還能控制音樂(lè)、讀取簡(jiǎn)訊，甚至能透過(guò)使用者手機(jī)的藍(lán)牙低功耗(Low Energy, LE)連結(jié)，直接透過(guò)手表接聽(tīng)電話。

那麼，對(duì)智慧型手表的開(kāi)發(fā)人員而言，什麼是關(guān)鍵的設(shè)計(jì)考量?在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中，很容易會(huì)不自覺(jué)地想加進(jìn)更多、更強(qiáng)大的功能。不過(guò)性能強(qiáng)大的手表應(yīng)用程式，通常得搭配相對(duì)強(qiáng)大的處理器，而強(qiáng)大的處理器卻往往很耗電，導(dǎo)致具有加分效果的性能提升，就這樣被功耗抵銷掉。畢竟，就算其功能再?gòu)?qiáng)大，誰(shuí)會(huì)愿意買一個(gè)每隔幾個(gè)小時(shí)就要充電一次的智慧型手表?

為了要延長(zhǎng)電池的使用時(shí)間，最好的辦法就是在考慮系統(tǒng)的心臟，也就是中央微控制器(MCU)時(shí)，選擇在工作/動(dòng)態(tài)模式下功耗較低的元件。

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，必須讓智慧型手表的中央微控制器，能夠在大部分時(shí)間維持在睡眠模式，而當(dāng)系統(tǒng)必須被喚醒來(lái)執(zhí)行任務(wù)時(shí)，能夠不影響系統(tǒng)表現(xiàn)，并在最短的時(shí)間內(nèi)被喚醒。

工作/動(dòng)態(tài)模式下維持低功耗

當(dāng)然，設(shè)計(jì)人員希望能在不犧牲性能的前提下具有最低功耗的工作模式，然而如果只是一味降低在工作/動(dòng)態(tài)模式下的功耗，也會(huì)因此降低了微控制器的運(yùn)算速度，導(dǎo)致微控制器將花費(fèi)更多時(shí)間處于工作模式，才能把任務(wù)執(zhí)行完成并進(jìn)入功耗更低的睡眠模式，最終反而會(huì)增加系統(tǒng)的平均功耗。另外大家都知道，系統(tǒng)的操作電壓越低，越能延長(zhǎng)電池的壽命。有些微控制器宣稱工作電壓可低至1.8伏特(V)，但實(shí)際上，當(dāng)其工作電壓在1.8V時(shí)，不僅運(yùn)算速度降低，同時(shí)某些周邊功能可能無(wú)法正常運(yùn)作，這些都不是真的能幫助系統(tǒng)降低功耗的技術(shù)。

目前市場(chǎng)上已有業(yè)者推出能在低功耗的情形下維持高性能運(yùn)作的微控制器。如愛(ài)特梅爾(Atmel)的SAM4L微控制器系列，就能夠在不用改變產(chǎn)品規(guī)格的情況下，保持低至1.68V的工作電壓，并且維持最高性能，且其外圍周邊操作不受影響。根據(jù)費(fèi)氏(Fibonacci)基準(zhǔn)，該系列是市面上擁有最低工作/動(dòng)態(tài)模式功耗(90μA/MHz)的ARM Cortex-M4微控制器。若再加以運(yùn)用功率調(diào)節(jié)(Power Scaling)技術(shù)，可以進(jìn)一步平衡最大時(shí)脈速度和功耗。

除此之外，如果設(shè)計(jì)人員選用的微控制器能夠提供不同的電壓調(diào)節(jié)器選擇，可進(jìn)一步降低在工作/動(dòng)態(tài)模式下的系統(tǒng)功耗。例如降壓或開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器能夠在操作電壓為2∼3.6V時(shí)提供更高的功率，或是線性穩(wěn)壓器在1.68∼3.6V的范圍內(nèi)運(yùn)作，具有較高的抗噪性，而在小于2.3V范圍內(nèi)調(diào)節(jié)器則可達(dá)到最高功率。