EFM32——可穿戴創(chuàng)新產(chǎn)品超長電池續(xù)航的幕后英雄

可穿戴設備無疑是今年年初美國賭城消費電子展(CES)的重頭戲之一，不過有分析人士認為，“CES 2014：智能穿戴有熱點無亮點”，原因在于沒有一款產(chǎn)品能讓消費者一見鐘情。這算是給可穿戴設備潑了冷水嗎?其實，情況并沒有這么糟糕。榮獲“CES 2014創(chuàng)新設計與工程獎”的Magellan Echo智能運動手表就是一個亮點，因其創(chuàng)新設計及優(yōu)異續(xù)航力(可以在單節(jié)CR2032紐扣電池供電條件下運行長達11個月)而脫穎而出。

這聽起來有點不可思議，在單節(jié)CR2032紐扣電池供電條件下運行長達11個月!并且性能還遠超過其他同類設備，也就意味著Echo并不是通過犧牲性能而換取超低功耗。莫非是能量不守恒了?當然不是!Silicon Labs(芯科實驗室有限公司)在中國的核心代理商世強產(chǎn)品經(jīng)理Steven Zhang向我們揭開了極長電池續(xù)航背后的秘密。

EFM32——全球最高能效32位Cortex-M MCU是幕后英雄

“基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的32位Giant Gecko MCU在運動手表Echo的能效方面扮演著極其關(guān)鍵的角色。通過優(yōu)化Giant Gecko MCU的五種不同能耗模式以及利用MCU的低功耗傳感器接口(LESENSE)和外設反射系統(tǒng)(PRS)實現(xiàn)他們的超低功耗目標。這些特性使得節(jié)能且自治的外設可以在沒有CPU參與的情況下處理定時和傳感器控制。” Steven解釋道。

Giant Gecko MCU屬于 Silicon Labs 的壁虎系列，在超低功耗 MCU 的陣營中，小壁虎的名頭可是響當當?shù)?。不過，大家有沒有思考過，類似這樣的一個電子產(chǎn)品，為什么叫了一個小動物的名字?

圖1. EFM32為什么叫小壁虎?

原來，在自然界中，壁虎的能量消耗僅為和它同樣大小的哺乳動物的10%。而與現(xiàn)今市場上排在前10位的其他低功耗微控制器的性能比較后證明， EFM32 微控制器消耗的能量僅為其他同類8-bit、16-bit 或32-bit 微控制器的四分之一。這等同于使典型的3V紐扣電池的壽命延長了至少300%或者說是7年?？傊?，EFM32 MCU就像這可愛的小壁虎一樣，在微控制器領(lǐng)域，堪稱省電的王者。

低功耗等于高能效嗎?

為了實現(xiàn)高能效的目標， EFM32 打破了微控制器的設計慣例，采用了截然不同的設計方式。

“目前業(yè)界有太多的號稱業(yè)界最低功耗的 MCU ，但是EFM32并沒有強調(diào)低功耗，而是主打最高能效的概念，這是因為低功耗并不等于高能效，而我們的最終目的是要實現(xiàn)超長電池續(xù)航，高能效才是實現(xiàn)這一最終目標的關(guān)鍵。” Steven指出。

功耗和能耗是兩個截然不同的概念，功耗只是表征某一個時間點的瞬間電流的大小，而能耗等于功耗和時間的乘積，如下圖2所示。一個系統(tǒng)是否省電，就要看它的整體能耗是否足夠低。

圖2. 功耗和能耗的關(guān)系。

工作模式功耗，待機模式功耗，占空比是決定MCU能效的三個關(guān)鍵參數(shù)。 一個系統(tǒng)的總能耗等于工作模式能耗和待機模式能耗的和。實際應用中，待機模式的能耗都會遠遠低于工作模式的能耗，而一般的MCU，在這兩種模式下的能耗，基本上是固定的，而為了省電，我們最常采用的方法，就是在保證產(chǎn)品正常功能的前提下，盡量縮短工作模式的占空比。那么，有沒有更好的方法呢?

如下圖3所示，這里有四種顏色的框，分別代表四個不同的 MCU 在執(zhí)行同一段功能程序時的功耗情況。從圖中可以看到，綠色框表示的MCU所代表的工作曲線很特別，不僅在睡眠模式的功耗更低，執(zhí)行速度和喚醒時間更快，特別是在工作模式下的功耗還多次出現(xiàn)大幅度的降低，而其他三個MCU在工作模式的整個過程都是一個平行的曲線，功耗基本上是固定的，從整體能耗來看，綠色的MCU很明顯比其他3個MCU更省電。這就是綠色框表示的EFM32所能夠帶來的高能效的結(jié)果。

圖3. 四個不同的MCU在執(zhí)行同一段功能程序時的工作曲線

EFM32高能效的10 個因素

Silicon Labs 節(jié)能型 EFM32 32位微控制器優(yōu)于現(xiàn)有的低功耗 MCU ——在此，我們著重強調(diào)實現(xiàn)這一性能的 10 個因素。如下圖4所示，這10個因素包括：1.極低的工作模式功耗;2.減少處理時間;3.快速喚醒時間;4.超低待機電流;5.外設自主操作;6.PRS——外圍反射系統(tǒng);7.設計良好的能耗模式;8.節(jié)能外圍設備;9.LESENSE——低功耗傳感器接口;10.Simplicity Studio 和高級能耗監(jiān)控模塊。

圖4. 32 位微控制器EFM32的 10 大技術(shù)特點。

“在這10個因素中，PRS是 EFM32 非常有特色的外圍反射系統(tǒng)。無需使用 CPU，微控制器中的外圍反射系統(tǒng)即可直接將一個外圍設備與另一個外圍設備連接。在 CPU 處于睡眠狀態(tài)時，外圍設備可通過此系統(tǒng)產(chǎn)生觸發(fā)信號，其他與之對應的外圍設備可接受此信號并立即對此做出反應。” Steven指出。

設計良好的能耗模式也是EFM32在高能效上的一大創(chuàng)新。如下圖5所示為EFM32的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。如圖中右上角所示，有表示“0、1、2、3、4”五種不同顏色的環(huán)，它們分別代表 EFM32 的5種能量模式，不同顏色下有對應的功能模塊可以被使用，并且模式的覆蓋率可以向下兼容。比如在EM2模式下，只有圖中淺藍色，深藍色，黑色的環(huán)可以被使用，而EM4模式下，只有黑色。

圖5. EFM32內(nèi)部架構(gòu)

EFM32 微控制器的這 5 個節(jié)能模式，為系統(tǒng)設計者提供設計靈活性以優(yōu)化應用，從而獲得最高的性能和最長的電池壽命。

世強提供EFM32產(chǎn)品支持，助力物聯(lián)網(wǎng)應用

32位的 EFM32 擊敗現(xiàn)有的MCU成為世界上最為節(jié)能的微控制器，其設計的初衷就是節(jié)能省電，主要針對電池供電的產(chǎn)品應用，比如智能表計、智能家居、安防系統(tǒng)、醫(yī)療保健，以及便攜手持系統(tǒng)如RFID等，尤其是對電池供電的年限要求苛刻的應用，例如要求至少3年，5年甚至10年電池不可更換。

圖6. EFM32的市場應用。

Silicon Labs在2013年收購了Energy Micro公司，這對Silicon Labs來說，是具有里程碑的意義的。這項收購大幅擴展了 Silicon Labs 的單片機系列產(chǎn)品，并增加了將近250種采用ARM的EFM32 Gecko單片機產(chǎn)品。而作為Silicon Labs的核心代理商世強，自然也受益于此次收購，增強了其在超低功耗MCU產(chǎn)品上的實力。

圖7. 世強提供豐富的EFM32產(chǎn)品選擇和技術(shù)支持。

如上圖7所示為EFM32 MCU的Roadmap，按內(nèi)核分為3大類：M0+、M3、M4。其中以M3的系列最為豐富，從低端到高端有4個系列，包括：Tiny，Gecko，Leopard，Giant。高端還可以支持TFT和USB功能，最大flash可以支持1Mb。最小封裝有QFN24。

“從M0+到M4，所有型號的EFM32 MCU都是軟件兼容的，不同型號之間，相同后綴名可以pin-to-pin兼容，所以對于后續(xù)平臺的升級非常方便。” Steven最后還強調(diào)，“世強將為您提供EFM32產(chǎn)品選擇和相關(guān)技術(shù)支持，可以完全解除您的后顧之憂，助您一臂之力。”