如何成为电池供电的消费类设备和物联网端点应用的最佳选择

根据 Microchip Technology 对 PIC24FJ1024GA606T 的性能评定，工作频率为 32 MHz 时可达 16 MIPS。对于 16 位内核而言，这一指标着实令人印象深刻。该内核具有 32 位微控制器的许多功能，例如同时支持分数运算的 17 位 × 17 位硬件乘法器以及 32 位/16 位硬件除法器。对于需要对传感器数据进行计算的物联网端点而言，这些功能相当管用。此外，该架构还可以同时读写数据存储器，却丝毫不影响性能。

虽然 PIC24FJ1024GA606T 具有 USB OTG 等多种标准外设，但在电池供电应用中其功耗相当低。所需的供电电压仅为 2.0 V 至 3.6 V，微控制器以 32 MHz 的工作频率全速运行时电流消耗最大值为 7.7 mA，换作是 32 位内核则极难实现这一指标。通过固件可以控制核心和外设时钟。目前有两种使器件进入低功耗模式的汇编指令：IDLE 指令使 PIC24 内核停止运行，但外设可以继续工作；SLEEP 指令将停止除看门狗（可选）和外部中断检测外所有器件的操作。空闲模式下，最大电流仅为 2.8 mA，而休眠模式下，最大电流范围为 10 至 45 ?A，具体取决于外设配置。在最低功耗模式，即休眠模式下，仍保存随机存取存储器 (RAM) 中的内容，PIC24F 的消耗电流低至 190 nA。

为了获得更高的性能，Microchip Technology 在 dsPIC? 系列中推出高端 16 位微控制器。Microchip 的 dsPIC33EP512GP506T 是其中一款 16 位 70 MIPS 微处理器，具有 512 KB 的闪存。dsPIC 的内核寄存器与 PIC24 大致相同，只是增加了支持数字信号处理 (DSP) 指令的寄存器，包括两个 40 位累加器且支持 32 位乘法。如需对 PIC24 进行系统内升级，PIC24 微控制器大多可以进行引脚兼容的 dsPIC 升级，因而使用同一块印刷电路板亦可提高性能。

当然，性能越高，功率也就越大。这款 dsPIC33 的供电电压为 3.0 至 3.6 V，运行速度达 70 MIPS 时，最大电流为 60 mA。

降低功耗，提高性能

Texas Instruments 的 MSP430FR599x 微控制器系列采用该公司的铁电随机存取存储器 (FRAM) 程序存储器，实现更高的读/写性能，而功耗较之闪存微控制器更低。MSP430FR5994IPNR 16 位微控制器是该系列产品之一，时钟频率达 16 MHz，具有 256 KB 的 FRAM。MSP430FR 微控制器内核的性能增强功能包括双向关联缓存（由四个行宽为 64 字节的缓存块组成），从而实现更高的 FRAM 性能；32 位硬件乘法器可提高数学密集型操作的性能；以及独立于 MSP430 主内核的低能耗加速器 (LEA) 协处理器。该 LEA 可执行 256 点复数快速傅立叶变换 (FFT)、有限冲激响应 (FIR)滤波器和矩阵乘法。根据 TI 的介绍，矩阵乘法的运算速度比 Arm? Cortex?-M0+ 最多快 40 倍。该 LEA 可提高传感器融合操作、图像增强和超声波传感器数据处理的性能。面对这些应用时，开发人员通常都优先考虑 32 位内核，而非超低功耗的 16 位微控制器。

MSP430R 的编程模型非常简单（图 2），共有 16 个 16 位寄存器 R0 至 R15：R0 是程序计数器，R1 是堆栈指针，R2 是状态寄存器，R3 是常数发生器（用于立即操作数），R4 至 R15 是通用寄存器。其他寄存器配置则采用内存映射方式，与多数 32 位内核类似。

Texas Instruments 的 MSP430 微控制器寄存器组示意图 

图 2：MSP430 微控制器寄存器组配置与其他基于寄存器的 16 位内核类似。其他寄存器配置则采用内存映射方式。（图片：Texas Instruments）

提高了性能，却丝毫没有增加功耗。待机模式下，TI 的 MSP430FR5994 以实时时钟 (RTC) 运行，电流消耗仅为 350 nA。关断模式下，电流消耗仅为 45 nA。这一指标低于目前市面上任何一款 32 位微控制器，甚至低于多数 8 位微控制器。

MSP430FR5994IPNR 的工作电压范围为 1.8 至 3.6 V。固件以 FRAM 运行而缓存命中率为零时，MSP430FR 的电流消耗仅为 3 mA。若从缓存运行代码，则电流消耗仅为 790 ?A。结合 LEA，这款 16 位微控制器可提供极高的处理性能和极低的功耗。

通过 TI 的 MSP-EXP430FR5994 LaunchPad? 可轻松开发 MSP430FR5994 系列的低功耗应用。该 LaunchPad 开发套件包含了开发人员着手 MSP-EXP430FR5994 微控制器编码和固件调试所需的一切（图 3）。

TI 的 MSP-EXP430FR5994 LaunchPad 图片  

图 3：TI 的 MSP-EXP430FR5994 LaunchPad 具有开发人员着手 MSP-EXP430FR5994 16 位 FRAM 微控制器编码和固件调试所需的一切。（图片：Texas Instruments）。  

该 LaunchPad 具有两个按钮、两个 LED 和一个 microSD 卡插槽。为了证明 MSP430FR5994 微控制器的低功耗性能，该 LaunchPad 具有 0.22 F 的超大电容为 LaunchPad 供电。将 LaunchPad 接入外部电源并将跳线 J8 设置为“充电”，即可为电容充电。只需 2 至 3 分钟就可将电容完全充满。三分钟后，将跳线 J8 设置为“使用”，移除外部电源，MSP430 即可运行数分钟，具体视应用而定。  

此外，该 LaunchPad 还可用于测量 MSP430 及其应用的电流消耗。J101 隔离块具有包括 3 V 电源跳线 3V3 在内的七根跳线。移除跳线 3V3，即可通过这两个引脚测量应用的电流。该 LaunchPad 还支持 TI 的 EnergyTrace? 技术，可以连接计算机使用 Texas Instruments 的 EnergyTrace 图形用户界面 (GUI)，使开发  人员能够实时观测 MSP430 微控制器和应用的功耗数据，从而微调应用以实现最低功耗。   

例如，实时电流监控和记录可以显示 MSP430 微控制器的电流消耗偶尔出现激增。电流激增会降低电池质量，缩短电池寿命。电流激增可能缘于片上外设的错误配置、外部电感或电容负载，甚至是由于固件试图同时启动所有功能。通过电流监控和记录，开发人员可以明确应该如何调整固件，从而控制尖峰电流。  

总结  

对于许多低功耗、中等性能的电池供电嵌入式应用而言，开发人员可以选择合适的 16 位微控制器，而非 32 位内核。如上所述，在许多应用中，16 位微控制器的功耗比 32 位内核低得多，却仍然可以实现所需的性能。