MCU低功耗设计（三）产品

引言：

能耗对电池供电的产品来说是一个重大问题，一旦电能耗尽设备将“罢工”。在《MCU低功耗设计（一）理论》中，我们介绍了节能的原理；在《MCU低功耗设计（二）实践》中，实测了STM8L151C8的低功耗值。

本文介绍无线通信产品的低功耗设计，首先实测MCU与射频芯片I/O设置的功耗，然后测试射频芯片不同模式下功耗，其次使用Contiki系统的energest模块实时跟踪能耗值，最后总结低功耗设计和展望无线组网中低功耗特征。Let’sgo!

一、 无线通信产品简介

iWL881A无线通信模块是“长沙市锐米通信科技有限公司(www.rimelink.com)”的LoRa长距离低功耗产品（如下图），它内嵌高效强大的物联网操作系统Contiki，支持星型/树型/MESH网络，与公司的集中器和云服务器组成“端管云”系统。典型应用场景为：居民抄表（水/电/气）、路灯控制、工厂采集、安全报警等。

该款微功耗无线通信产品应用场景基本由电池供电，因此低功耗设计成了首个“主战场”。MCU选用了ST公司超低功耗处理器STM8L151C8，射频芯片（RF）使用Semtech公司SX1278，该芯片基于LoRa扩频通信原理，在同等条件下可以取得比FSK调制近4倍的距离。关于LoRa通信原理，请参考作者的博文《LoRa无线通信设计（一）原理》。

MCU与RF通过SPI总线连接，此外还有一些控制引脚，SX1278硬件原理图如下：RF通过DIO0～5引脚给MCU发通知信号，NSS / SCK/ MISO / MOSI是SPI总线，NRRST是MCU复位RF的引脚。

二、 静态低功耗

1.MCU引脚配置

真正做产品的低功耗，第一件事情是正确配置I/O引脚，单个I/O口的耗能达到mA级。换句话说，如果不小心漏掉或错配置一个I/O引脚，那么它将无情地“吞噬”你苦心经营MCU低功耗模式而得到的成绩。

MCU的I/O引脚大致分成4类：未连接、接3.3V、IC输入MCU输出、IC输出MCU输入。接下来，我们进行一系列实验，看看这4类引脚该如何配置。

实验1：接3.3V的I/O口，需要设置成Output, high level，是push-pull还是open-drain合适呢？选择5个上接3.3V的I/O引脚实验结果如下：

push-pull：0.4 uA

open-drain：29.3 uA

结论：对于接3.3V的I/O，节能模式下需要设置成 Output, push-pull, highlevel。

实验2：将36个悬空的I/O口，设置成如下6种模式，各能耗数据如下：

Input, floating： 536 uA

Input, pull-up： 0.4 uA

Output, open-drain, low level： 0.4 uA

Output, open-drain, high-impedance level：530 uA

Output, push-pull, low level： 0.4 uA

Output, push-pull, high level： 0.4 uA

结论：悬空I/O引脚可以设置为：(1)Input, pull-up; (2)Output, push-pull, high(low) level。

实验3：将6个连接RF（RF为输入方向）的I/O口，设置成如下6种模式，能耗如下：

Input, floating： 489 uA

Input, pull-up： 482 uA

Output, open-drain, low level： 660 uA

Output, open-drain, high-impedance level：494 uA

Output, push-pull, low level： 661 uA

Output, push-pull, high level： 574 uA

结论： 外部IC为输入的引脚，节能模式下需要设置成：Input, pull-up。

实验4：将9个连接RF（RF为输出方向）的I/O口，设置成如下2种模式，能耗如下：

Input, floating： 430 uA

Input, pull-up： 574 uA

结论： 外部IC为输出的引脚，节能模式下需要设置成：Input, floating。

MCU引脚配置基本原则总结如下：

实际开发中，我们可以先用Excel表列举出MCU引脚的配置需求，针对上述4种类型，借鉴“地铁线路”颜色（英国人的发明）标识，如：

2.RF工作模式

对于无线通信产品，贪婪地“吞噬”电能是射频模块（R