基于GD32F130系列单片机的一种高性能、小尺寸、低成本的超低功耗解决方案实现(上)

前言
     可穿戴设备、便携设备、追踪器、RFID、支付Ukey、 仪器仪表等需要高性能、低功耗、小体积的场合。这类应用 通常都是低占空比的应用场合，也就是说设备在一天24小时 内的绝大多数时间是不工作的或者只需要保持在计时状态， 进入工作状态的方式是通过定时唤醒或者外界信号唤醒，唤 醒后的一般动作是读取系统状态、处理并保存数据、一些算 法处理、然后进入待机或不工作状态。
     业界针对此类应用通常的选择办法有以下几种。一， 选择一颗功耗较低的8位机或者16位机。诚然，8位机或者16 位机成本确实很低，但是性能往往不能满足需求，因为对于 这类应用而言，唤醒后的工作时间越短越利于降低功耗，而32位机相较于8位机和16位机而言，相同主频下代码执行效 率大大提高，可以在功耗不明显增加的情况下大大缩短唤 醒后的工作时间；并且通常8位机的尺寸都没法做到32位机 可以做到的小尺寸。二，选择一颗超低功耗的32位MCU。 高 性 能 、 小 尺 寸 可 以 满 足 ， 但 是 因 为 即 使 是 超 低 功 耗 的 MCU，待机功耗还是μA级，整体算下来功耗还是不能做到 极致低。
     结 合 以 上 两 种 设 计 的 不 足 ， 笔 者 设 计 一 种 基 于

图1  亚阈值功率优化技术原理
GD32F130G8U6和外置超低功耗RTC (AM1815)的解决方案，整体待机功耗可低至14nA，可以完美解决以上问题，
具体实现方法如下。

1 方案说明
通 过 使 用 兆 易 创 新 ( g i g a d e v i c e) 的 高 性 能 3 2 位 M C U GD32F130G8U6和Ambiq Micro 的超低功耗RTC  AM1815 来代替单颗低功耗MCU的方案。 待机状态下， MCU完全 shutdown，只有RTC工作，保持计时以及保存重要备份数 据；工作状态下，MCU被RTC唤醒，执行程序，工作执行 完毕给RTC发sleep指令，控制RTC关闭MCU电源。RTC唤醒 MCU的方式可以是IO口电平变化边沿触发，也可以是定时 触发。该方案相对于单芯片方案的主要优势有以下几点。高性能 GD32F130G6U6主要特性： ARM Cortex-M3 内核；
最大时钟频率72Hz，内核访问闪存高速零等待；单周期乘法器和硬件除法器；NVIC中断嵌套支持16个中断， 每个中断有16个优先 级；
64K flash、8K SRAM；高性能模拟外设，1个12bit的ADC，支持10路通道，最 快转换时间1us；多种外设接口，2个USART，2个SPI(18Mbit/s)，2个I2C(400Kbit/s)；片上1个高级定时器，1个系统定时器，最大支持6个通 用定时器，1个DMA；

图2  AM1815典型应用电路图
支 持 上 电 复 位 ( P O R ) ， 掉 电 复 位 ( P D R ) 和 低 压 检 测(LVD)；28pin封装，23个可用IO； 内部高速时钟(8MHz)和内部低速时钟(40kHz)。 超低功耗： 工作状态：MCU运行功耗245μA/MHz，RTC 14nA； 待机状态：MCU功耗 0，RTC 14nA。 待机状态下该系
统的待机功耗仅为14nA，即使是市面上在低功耗上做得最好的MCU厂家(比如Energy Micro)，其 生产的MCU的待机功耗也要比以上系
统至少高一个数量级 以上。当系统长时间处于待机状态的时候，该系统在低功耗 上极具优势。

2 AM1815实现超低功耗原理
Ambiq Micro 是一家专注于研发生产低功耗芯片产品的 美国公司，其产品采用先进的SPOT技术（亚阈值功率优化 技术），SPOT技术上世纪由物理学家发现，2004年开始由

美国密西根大学研究，经过六年发展，2010年正式应用到产 品里面，SPOT技术重新定义了超低功率半导体的含义，为 芯片建立了新的标准，从而使得功耗做得更低。SPOT平台 采用在亚阈值电压(低于0.5V)下运行的晶体管，而不是使用 一直在1.8V下保持开启的晶体管。
小尺寸GD32F130G8U6封装可以做到4mm*4mm，AM1815封装 尺寸3mm*3mm。采用GD130+AM1815可以有效减小PCB设 计尺寸。
低成本GD130属于cortex-M3核的超值型MCU，价格甚至低于 一些M0核的MCU和8位机。而AM1815虽然可以做到极致低 功耗，但本身还是一颗RTC，价格也不贵。笔者曾经对比过 GD130+AM1815两颗加起来的价格，甚至低于很多主打超低 功耗的M3核和M0核的MCU。（未完待续）