如何设计低功耗嵌入式系统

嵌入式系统的应用随着各种智能控制系统、智能玩具、工业控制、掌上设备（Portable）等的需求而不断扩大和流行。特别是近几年来，随着手机、PDA、MP3等掌上系统的流行，使得系统功耗成为产品的设计瓶颈，也成为产品设计的关键技术之一。当然，功耗的问题本身是一个系统的问题，要想有效地降低整体功耗，不但需要在硬件上要充分考虑，而且在软件的设计上更需要认真对待。一个真正高效的低功耗系统，软硬件的相互配合和优化才是极为关键的。

一般来讲，低功耗嵌入式系统的设计包括如下的几个关键的步骤：

1. 方案的确定：方案是设计的关键，是项目成功的基本条件。方案选择错了就等于一个人走错了路，要么达不到要求，要么事倍功半，有时虽然满足了设计的要求，但却在时间、预算和成本等方面增加了更多的投入。例如在玩具行业，一般均选择4位系列的MCU来进行产品的设计，若采用8位甚至16位MCU，则无论是在成本，功耗等方面都将是得不偿失的选择；

2. 器件的选型：不同的芯片，不同的厂家其所提供的产品的特性均存在差异，特别是在功耗方面，有时差别很大，比如在4位MCU领域，EPSON、OKI等的公司的Microcontroller的功耗就比Samsung以及台湾厂家的相同系列MCU要低几倍甚至是一个数量级。因此确定了方案之后，如何选择合理的器件和MCU，也是保证产品功耗能够达到要求的关键；

3. 硬件设计：我们知道外围电路有时是整个系统的功耗"大户"，比如ADC、背光、蜂鸣器、外部Memory、各种传感器等。因此如何合理设计外围电路模块，合理使用和控制相关的外围电路模块将是系统设计的重点。当然硬件的设计必须与软件的设计相结合。

4. 软件的设计：软件的设计是整个系统设计的重中之重，系统整体功耗的控制、外围电路模块的使用、调度和切换等，均需要通过软件的编程来实现。一般来讲，低功耗软件设计包括如下的几个方面：

a) 初始化：初始化是嵌入式系统设计的基本步骤，也是控制整个系统功耗的重要的步骤，何以如此呢？我们知道，一般来讲在初始化部分，我们需要对整个系统进行配置，比如IO口的设置、外围功能的配置等，而其中最容易被设计者所忽略的一步就是对在项目设计中未被使用MCU的功能的配置，有时正是这些资源的配置不合理，从而导致系统整体功耗出现意想不到的结果。

b) 系统时钟的控制：合理使用系统时钟，会在功耗方面带来意想不到的效果。我们知道，CPU的系统时钟与CPU的功耗成正比，时钟越快，其功耗也越大。因此，对于一些具有多个系统时钟的Microcontroller，软件的设计时必须根据系统需求来选择合理的CPU时钟，例如某些带有外部Memory的运动手表，在正常的运行下可以采用32768Hz作为其CPU时钟，以获得最低的整体功耗；而在访问外部Memory时，由于外部Memory的访问电流在几个毫安甚至更高，而长时间的访问势必导致功耗的增加，因此为了有效地降低由于Memory访问而导致的电流的损耗，则可以切换到1Mhz或更高的CPU时钟下，以求在最短的时间里完成对Memory的访问。当然，在进行时钟切换的时候必须进行全面的考虑，因为选择较高的CPU时钟，其MCU本身的功耗也会增加，因此我们必须要在各种因素下找到其平滑点。对于一个给定的系统，由于电压是固定的，而且电池的容量也是固定的（设位WBatt），因此系统的功耗可以用下式来进行表示：

WBatt ＝ ∑Ik*Tk (k = 0......n)

其中，Ik为系统在不同的状态或条件下的电流，而Tk则为系统在此状态或条件下所维持的时间。
从上式可以看出，若要获得最低的功耗，要求Ik*Tk必须最小，对于一些模式来讲，时间有时是不可控制的，比如待机模式，此时只有更小的电流才能获得最地的功耗，而反应在芯片上就是一款芯片的Power Down Current；相反，对于电流是固定的情况，则必须让系统尽可能短地停留在该状态下。

c) IO口的控制：IO口的控制主要集中在上拉、下拉电阻的选择，待机状态下的电平输入输出设置等。对于IO口的控制，必须记住一个原则：任何情况下，都必须尽可能保证在IO口上不存在电流的流动。电流即意味着能量的损耗，因此在软件设计是必须根据实际的情况来合理配置IO口的状态和其输入输出电平；

d) MCU工作模式的使用：对于大多数低功耗MCU，均存在多种工作模式，一般包括如下几个运行模式：
i. 正常运行模式：CPU和Clock均在工作，此时MCU处于最大功耗状态；
ii. 停机模式:CPU停止工作，但系统时钟仍在工作，此时MCU处于较低的功耗状态；
iii. 掉电模式：CPU和系统时钟均停止工作，此时MCU处于最低功耗状态；

e) 外围功能模块或电路模块的管理：大多数系统的外围功能模块都是处于一种低频度使用状态，而且有时其功能的开启是有条件的，因而合理的使用和调度外围模块也是降低功耗的重要方法。例如在含有传感器的系统中，可以根据传感器数据增量的变化来提高或降低其开启的频率，就以环境温度的检测为例，由于环境的温度变化是非常缓慢的一个过程，应此对其的检测可以以一种相对较长的时间间隔来进行，入一分钟或若干分钟，若在某一次检测出现有别于常规的温度变化时，为了保证数据的可靠性，则可以在短时间内对其进行若干次的重复测量，以确认其温度的变化是否时正常的还是由于其他的干扰所导致。

总之，低功耗的设计并非是一蹴而就的事情，需要综合考虑各种可能的因素、条件和状态，需要对各种细节进行认真的斟凿和分析，对各种可能的方案和方法进行计算和分析，才可能取得较为满意的效果。