MCU低功耗设计（三）产品

F），我们先看看SX1278官方宣称的能耗值：

实际产品中，MCU+RF的整机功耗如下呢？我们继续看实验数据：

实验5：MCU配置所有I/O引脚为低功耗模式，通过SPI总线设置RF进入Sleep模式，MCU关闭SPI时钟和恢复SPI总线引脚到低功耗模式，进入Halt。

结果：整机功耗=0.6 uA。

在《MCU低功耗设计（二）实践》中，我们知道MCU进入Halt模式，功耗为0.4 uA；再加上RF在Sleep模式下的0.2 uA，一共0.6 uA。

实验6：MCU配置所有I/O引脚为低功耗模式，通过SPI总线设置RF进入Standby模式，MCU关闭SPI时钟和恢复SPI总线引脚到低功耗模式，进入Halt。

结果：整机功耗=1.493 mA。

这个1.493 mA的功耗，就是RF在Standby模式下的功耗，因为此时MCU功耗仅0.4 uA，几乎可以忽略了。

实验7：MCU配置所有I/O引脚为低功耗模式，通过SPI总线设置RF进入Receive模式（该模式可以长久保持），MCU关闭SPI时钟和恢复SPI总线引脚到低功耗模式，进入Halt。

结果：整机功耗=15.97 mA。

当RF处于Receive侦听模式下功耗大到近16 mA，这个数据远大于MCU全速运行的功耗（约5 mA）。

实验8：MCU配置所有I/O引脚为低功耗模式，通过SPI总线设置RF进入Transmit模式，MCU执行WFI(Waitfor Interrupt)指令节能，当发送结束后MCU唤醒，循环发送数据帧。分别测试发送功率为：+20dBm on PA_BOOST和+7dBm on RFO_LF下的功耗值：

结果：+20dBm on PA_BOOST=123mA, +7dBm on RFO_LF =11mA

发射功率大的惊人吧，尤其是开启功放和调整到最大功率+20dBm时，电流达到123 mA。

三、 动态低功耗

法国SigFox和俄罗斯的一些公司经常标称抄表无线产品用2节普通AA电池可以工作10年，开始听到觉得人家要么吹牛，要么技术太高了让国人自惭形秽。人家是如何实现的呢？我们一起来看看。

从上面的实验得知，当无线产品处于Sleep模式下功耗仅0.6uA，Receive模式下功耗16mA，TX模式下功耗100mA（超长距离）。任何一种无线通信节能技术的核心是尽可能地Sleep，这样将带来极低的整机平均功耗。

看一个实例，在大多数能耗表计的无线抄读要求：大约15分钟发送一次数据帧，约100ms；4秒内能唤醒，即每400秒需要一次5ms的接收侦听；其他时间都处于Sleep休眠。以15分钟（900秒）为单位，能耗如下：

发送：100ms * 100mA= 10mA.s

接收：(900 / 4) *5ms * 16mA = 18mA.s

休眠：898s * 0.6uA= 0.54mA.s

平均功耗：(10mA.s +18mA.s + 0.54mA.s) / 900s = 0.0317mA

设2节AA电池总电能为3000mAH，能功耗的时间为：3000mAH / 0.0317mA = 94637H=10.8年。

从上述实例可以看出，要尽可能地延长无线通信产品的寿命需要以下设计原则：

l尽可能地Sleep，且Sleep下功耗尽可能地低；

l减少侦听的时间；

l提高通信成功率，尽可能地避免冲突重传。

实现上述设计，需要优秀的网络协议栈，特别是RDC（Radio Duty Cycle）层算法要合理；而协议栈和软件运行的基础是操作系统，印证了智能产品设计“三分硬件，七分软件”的规律。

iWL881A选用了功耗强大的物联网操作系统Contiki和Rime无线通信协议栈，产品的动态功耗使用Contiki的energest模块来跟踪。

Contiki系统为方便跟踪节能设计了energest模块，它能跟踪组件运行时间。它的数据结构如下图所示，energest_total_time记录组件总运行时间，energest_current_time记录组件开启时刻，energest_current_mode记录组件当前是否开启，时间的单位为rtimer_clock_t。

energest数据结构

当一个组件开启时调用ENERGEST_ON()，当该组件关闭时调用ENERGEST_OFF()。这2个动作的时序逻辑如下图所示。

energest时序逻辑

当用户需要统计组件运行时间，首先调用energest_flush()函数，它将所有组件的运行时间结算到当前时刻；然后调用energest_type_time()函数，取出对应组件的运行时间；最后可以根据组件的功率换算成消耗电能。

iWL881A使用Contiki的energest模块可以实时打印能耗跟踪信息：

CPU=5977ms, RF_TX=179ms,RF_RX=1512ms, IRQ count=30303

CPU=6023ms, RF_TX=181ms,RF_RX=1507ms, IRQ count=30304

CPU=5984ms, RF_TX=180ms,RF_RX=1497ms, IRQ count=30303

上述时间是300秒内的统计值，它说明：CPU大约6000 / 1000 / 300 * 100%=2%占空比，RF的发射大约180 / 1000 / 300 * 100%=0.06%的占空比，RF的接收大约1500 / 1000 / 300 * 100%=0.5%的占空比，中断次数约30300 / 300=101次（测试系统包含100Hz的“心跳”时钟）。

四、 组网低功耗

无线产品在