利用MSP430 FRAM微控制器实现能量采集

对于很多人来说，第一次接触能量采集可能是在早期使用太阳能便携式计算器的时候，虽然如今这种类型的计算器已不再是主流，但是它所使用的技术和理念仍然应用于我们的日常生活中。目前，我们在许多的应用中都能看到能量采集的身影，例如传感器节点、风力涡轮机和室内供能应用等。不过，即使对于这项技术的讨论较之前已经有了很大的发展，当涉及到能量采集时，开发人员仍然面临着与数十年前一样的挑战。

为了在不带来负面影响的情况下产生出所需的能量，通常需要一块物理尺寸很大的太阳能板和一套巨大的热能采集装置，或者是通过设备发出不同频率范围的振动来获得能量，而一切都是由所使用的系统决定。因此，在很多情况下，这个系统的成本甚至会超过取代传统电源所带来的优势。当然，如果由于某些因素必须忽略这些限制的话，也会有例外的情况。例如，在电力线无法到达的偏远地区，风能或太阳能采集可以为电池供电系统提供一个可行的替代能源，尽管这种方法的初始成本会比较高。
下面让我们来看一看目前能量采集解决方案所面临的几个重大挑战。


图1—经简化的通用框图

首先，通过上方的简化通用框图可以看到，这个系统由输入和输出组成，其中包括传感器、按钮、LED、显示屏、发声器以及目前越来越普遍的无线连通性。这个典型物联网（IoT）架构的边缘节点可以通过Wi-Fi®、Bluetooth®、NFC / RFID或是其它专有接口进行通信。这些无线连接所需的电能低至数uA，而最高也只需要几十或几百mA，在数十毫秒的时间内即可为相关的RF IC和子系统供电。


图2—常见RF电能使用量图表

在很多应用中，设计人员希望将传感器或其它数据存储在非易失性存储器中，因为即使在电力中断时，也可以恢复采集到的数据。所以，诸如EEPROM或FLASH等现存的通用存储器技术在这些能量受限的情况下并不总是最佳选择。

幸运的是，技术的发展方向正让能量采集系统变得可行。其中一项技术集成就是TI的铁电随机访问存储器或FRAM微控制器（MCU）系列。FRAM技术将SRAM存储器的很多优势结合在一起，而同时又具有FLASH存储器的非易失性。一个关键优势就是超低功耗非易失性FRAM的写入，与FLASH不同的是，这些写入无需预擦除周期，从而节省了时间和电能。另外一个优势就是FRAM单元的固有低压写入，传统闪存或EEPROM技术需要一个集成电荷泵来完成预擦除周期，而这通常需要5-10mA的电流，运行时间则需要数百毫秒，在需要频繁非易失性写入的应用中，这个额外的能耗会消耗可观的电池电量或采集得来的能量。
购买一次性电池的开销虽然不是很高，不过它们所造成的影响极其深远。全球每年新电池的销售量在数十亿节，而其中只有一小部分是可回收的，这就产生了大量的填埋垃圾。一次性电池的另外一个缺点就是，无论是电池本身或是整个系统，都需要在某些情况下的某个时刻进行替换，而这就产生了潜在的挑战。试想一下，如果电池被安装在部署于海洋底部或山顶的系统中，我们应该如何替换呢？事实上，电池更换的开销可能非常巨大。虽然可充电电池能够减少替换电池的数量，不过，就可充电电池本身而言，它们不一定会能够解决电池更换所带来的所有挑战。当我们使用能量采集对可充电电池进行充电时，这些电池的确能够带来利益。

目前，太阳能、热能、运动能（振动或其它动力学效应）和RF等能源已经被广泛接受。其它能源也正处于开发过程中，例如有可能从人类血液中发生的电化学反应采集能量，或者是从植物和树木内部的此类反应中采集能量。

在理想情况下，这些能源将是绵延不断的，不过实际情况并非如此。以太阳能采集装置为例，飘动的云彩也许会遮住太阳光，而室内设施的灯光也不可能永远开启。基于振动的采集装置通常在一个共振频率附近运行，从而限制它们的运行范围，而热能采集装置会在无法保持合适的温差时损失效率或完全停止运行。归根结底，我们不能依赖这个能源保持连续的7x24小时运行，所以我们需要冗余结构。在某些情况下，这个结构有可能是第二采集能源或是一节可充电电池。即使是太阳能计算器都包含一块CR2025电池，以便在办公室光线较暗时作为太阳能的备用能源。

处理电力损耗成为一名能量采集节点设计人员的主要考虑因素。现代微控制器在通电时通过启动顺序运行，这往往需要几毫秒并且会消耗宝贵的电能。如果电力中断，大多数微控制器需要重启，并且在每次电力恢复时运行这个启动代码。

FRAM存储器本身是Compute Through Power Loss（CTPL）这款高度创新型软件实用工具的使能器件。我们甚至可以将CTPL看成是一种非易失性中断处理例程，在这个例程中，当检测到电力损耗时（通常使用一个比较器或ADC输入），关键参数和微控制器状态就被保存至非易失性存储器（NVM）。在出现电力中断的情况下，FRAM所具有的优势将显露无疑，因为设计人员可以直接从中断的位置继续工作而不是从头开始。

凭借128KB FRAM MSP430 微控制器的低成本MSP430FR6989 MCU Launchpad 开发套件能够进行简单演示。

通过将FRAM技术、Compute Through Power Loss代码和Energy Harvesting BoosterPack 插入式模块组合在一起，我们为很多能量采集传感器节点打下了良好基础。bq25570所提供的电源备妥信号可以作为Compute Through Power Loss激活的触发信号，从而在电力中断后节省了时间和宝贵的电能。