智能硬件开发如何选择低功耗MCU

bit内核的STM32L系列相差无几。而32 bit MCU在休眠状态下的唤醒时间也能做到了10 μs以下，在休眠效率、快速响应方面有良好表现。

　　表1 典型低功耗内核架构的性能对比

注：(1)内核性能的测试结果(CoreMark Scores)以EEMBC组织公布的数据为准。

　　表2 典型低功耗MCU的能效对比

注： (1) 对于表1的MCU系列具体型号的测试报告，所挑选的型号片上配置相近，Flash容量均为64 kB;

(2) 常温条件+25 oC，所有外设关闭，程序从Flash运行;MCU供电电压除了PIC24的3.3 V、Nano120的3.6 V之外，其他均为3.0 V;各型号的测试结果均为当前主频下的最佳配置;

(3) 休眠功耗的测试标准：片内主时钟和所有外设关闭，RTC打开，保留RAM。

综合表1和表2可见，Cortex-M系列内核的32 bitMCU在功耗水平上已经做到与传统8 /16 bit MCU相当，而在运算效率上优势明显，更适合那些对任务和算法有较高要求的穿戴式医疗设备。

3 基于Cortex-M0+内核的MCU选型分析

3.1 Cortex M系列内核的对比

Cortex-M系列中低功耗成员有M3、M0和M0+，是ARM公司针对那些对成本敏感、同时对能效有较高要求的应用而设计的。当传统的8/16 bit MCU在性能、功能上表现越来越乏力时，ARM公司于2009年推出了低成本、低功耗、高能效的Cortex-M0内核。Cortex-M0内核以优异的表现击败了传统的8bit MCU，成功杀入低端的MCU市场。在这契机下，ARM公司于2012年相应适宜地推出M0的升级版——M0+，在能效和功能上作进一步的优化和增设，以超低的能耗提供更快的任务处理能力。

从表1和2的数据可知，三者内核性能的排序为M3》M0+》M0，运行功耗的排序为M3》M0》M0+，即M0+内核的能效高于 M0，运算性能仅次于M3。由于M0+在价格方面比M3有优势，故更适合于执行低成本、高能效的任务。综合可知，那些对功耗有苛刻要求、运算处理任务较复杂、且需要控制成本的设备选择M0+内核的MCU最为合适。

3.2 基于Cortex M0+内核的主流MCU系列

各大MCU生产厂商结合自身的优势对Cortex-M0+内核加以整合优化，在功耗、性能和外设方面各有所长。表3列举了市场上M0+内核的主流MCU系列，并结合穿戴式医疗设备的需求进行分析。

　　表3 基于Cortex M0+内核的主流MCU系列

注：(1) ST公司和NXP公司都建立了涵盖Cortex-M系列所有内核的产品线，Cortex-M系列MCU的中国市场在2012年达到1.68亿美元，其中ST以35%的市场份额居于首位，而NXP位居第二占有32%;

(2) Silicon Labs于2013年收购了专攻低功耗领域的Energy Micro，之后推出的Zero Gecko系列吸取了以往EFM32系列超低功耗的优点。

上述Cortex M0+内核的MCU 系列可为穿戴式医疗设备开发者提供多种选择，而具体的MCU型号要根据设备的实际需求来决定。在同一系列里，MCU的最高主频、内核效率、功耗状况都是一致的，具体型号之间的差别在于片上资源。如表4所示，STM32L0系列分为3条主要的产品线，差异就体现在一些特殊的集成外设，如DAC、USB控制器和LCD控制器。恰当地选用这些高集成度的MCU有助于减少外部芯片的个数，可降低系统成本和功耗。因此，片上集成资源的种类、数量、功耗和性能，都是决定MCU选型的重要参考因素。

　　表4 STM32L0系列的3条产品线

3.3 MCU系统的低功耗策略

Cortex M0+内核的MCU 系列兼具低功耗、高性能和灵活的休眠模式，为穿戴式医疗设备的开发提供了优良的平台和电气基础。然而，如何在保持高性能的情况下，将任务的整体平均功耗降到最低，将是设备开发者的重要任务。MCU系统的低功耗策略决定了设备的性能和续航时间，策略的制定需要从以下四个方面入手：

(1) 合理地控制MCU的时钟系统，针对特定的任务，选择适合系统运行的时钟频率，迅速完成复杂的任务争取更多的休眠时间;

(2) 选择恰当的休眠模式和休眠时间;

(3) 进入休眠模式时， 将未用到的外设以及时钟关闭;

(4) 优化任务的时间片，将平均功耗降到最低。

图1 展示了基于表3的Zero Gecko系列设计的动态心电记录仪的低功耗策略，MCU系统任务的理论耗电流如图2所示。其中，MCU主要在三个模式之间切换：运行模式 1(EM0_1)，运行模式2(EM0_2)，深度睡眠模式(EM2)。平时MCU工作在EM2，高频时钟和外设关闭，耗电流为IEM2;当定时器发生中断时，MCU从EM2中唤醒，将进入EM0_1以f1主频高速运行，此时耗电流为IEM0_1，同时启动A/