便携式电子产品的应用层和后台节能技术分析

新一代的便携式电子产品不得不采用集成度更高、耗电更高的芯片，才可支持那些受用户欢迎的功能。然而，用户同时也希望新产品有较长的电池寿命，无需频繁地充电。为了满足客户这种近乎矛盾的需求，系统设计工程师必须考虑采用任何有助削减系统功耗的技术。  

这些节能技术基本上可以按照其执行方式分为应用层技术及后台技术两大类。应用层技术由应用程序本身来执行，以打印机为例，最后一份文件完成打印之后，打印机便会改用低功率模式。后台技术由工作系统、后台任务或硬件来执行，因此完全或几乎不受主要应用任务控制。外设活动监控电路便是一种后台技术，其特点是可将显示器背光系统或磁盘马达的电源切断。  

应用层技术  

看似简单的手持式遥控器其实设计很复杂，因为它的关闭模式并非真正关闭。事实上，遥控长期处于等待状态，以便用户可以随时、随手便按。任何按钮一经触动，遥控器便会从低功率的睡眠模式中唤醒，然后进入完全活跃模式。较为先进的电子产品可能会在开启及关闭之间添加多个不同的模式，例如时钟被固定在可以接受的最低速度，而暂时未用的电路模块则全部关闭，以便节省用电。  

调低工作占空比是一个可为许多系统解决节能问题的方案。例如，建筑物的暖风/通风/空调系统的传感器或控制器节点真正做出响应的时间只有几秒或几分钟。这些系统在大部分时间之内都处于低功率模式的睡眠状态，唤醒之后，便立即向传感器取样或发出新的控制输出，由唤醒至完成工作全部时间不超过一秒，然后便回到睡眠状态，直至下一次为止。唤醒信号可以由硬件计时器发出，这个计时器配置成可以按照固定的周期时间触发的系统。  

工作模式也可以由外来信号控制。例如，控制门锁的无匙门禁系统可能长期处于低功率的睡眠状态，一旦检测到键盘上的按键闭合便唤醒无匙门禁系统。就上述情况而言，多输入唤醒(MIWU)支持便很有用，因为输入/输出端口的状态一旦有变，多输入唤醒功能便会唤醒处于低功率模式的中央处理器。执行MIWU功能的逻辑电路模块负责监控端口管脚及外设接口，以便检测状态是否改变。MIWU功能一经设定，便可唤醒处于低功率模式的系统，然后发出CPU中断信号。只要采用多输入唤醒功能，系统在等待输入信号时便无需先执行键盘扫描环路或其他监控软件，因此可以大幅降低功耗。  

1．协议规定的低功率模式  

部分通信协议可以支持多种不同的低功率模式。例如，按照无线蓝牙通信协议的规定，蓝牙设备有三种低功率模式可供选择：  

探测模式(sniff mode)—蓝牙设备以较低的占空比侦听局部蓝牙网络(微微网)，占空比的大小由微微网主设备和从设备互相协商而定。经过协商同意后，主设备及从设备都可各自发出指令，以便进入探测模式。已进入探测模式的主设备及从设备也可各自发出指令以脱离探测模式。  

保持模式(hold mode)—蓝牙设备可以按预先设定的时间段停止侦听微微网，停止时间的长短由主设备及从设备通过协商预先决定。经过协商同意后，主设备及从设备都可各自发出指令，以便进入保持模式。预定的停止时间一旦届满，保持模式便会自动终止。  

暂停模式(park mode)—蓝牙设备已终止与网络的连接，但仍与该信道保持同步。主设备决定从设备是否采用暂停模式。从设备可以提出采用或停用暂停模式的请求，但采用暂停模式与否完全由微微网主设备决定，主设备只需发出相关指令便可。  

在以上的模式之中，探测模式的占空比最高，其次是保持模式，暂停模式的占空比最低。如果蓝牙设备已停止在微微网上的任何活动，可以进入低功率模式，但由微微网主设备发出控制暂停与否的控制命令。  

2．硬件支持的低功率模式  

嵌入式微控制器通常设有至少一个低功率模式，以支持应用层的电源管理功能。美国国家半导体 CP3000系列连接处理器采用先进的电源管理技术，其中内置的两个12MHz及32.768kHz振荡器负责支持四个不同模式：  

活跃模式—有关应用以 12MHz的系统时钟频率全速运行。片上锁相环路时钟乘法器负责提供24MHz的中央处理器时钟，也为USB节点控制器提供48MHz的时钟。  

节能模式—CPU及指定的外围器件都由32.768kHz的时钟负责为其提供时钟信号，12MHz的振荡器及锁相环路可能会被关闭。  

空闲模式—CPU及指定的外设没有时钟为其提供时钟信号，由32.768kHz振荡器为其提供时钟信号的看门狗计时器可以被编程，以脱离空闲模式。可以对MIWU模块进行编程，当在某个端口管脚上检测到上升或下降边沿，触发系统脱离空闲模式。  

停止模式—将32.768kHz的振荡器关闭。MIWU模块仍继续运行，使外部信号可以触发系统脱离停止模式。  

我们可以利用不同的方式来执行这些模式，以便达到节能的目的。虽然没有一套现成的规律可以适用于所有系统，但表1列出了将应用电源管理模式映射到蓝牙及CP3000模式的实际应用。

表：将工作模式映射到协议及硬件两种模式