应对嵌入式系统中的低功耗设计挑战
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作。
பைடு நூலகம்
时 间受 限 于 低 功 耗 要 求 ； 串行 通 信 接 口 ‘ 需 要 烦 琐 的 协 议 修 改 ，以 弥 补 单 片 机 （ Ｍ ＣＵ ）在 深 度休 眠 模 式 时 的 “ 死 区
（ ｄ ｅ ａ ｄ ｔ ｉ ｍｅ ）”通信 故障 。同时 ，由
于 电流 消 耗 限 制要 求 减 少 工 作 模 式 处 理
和功耗之 间寻 求平衡 ，达到这种平衡意
味 着 需 要 在 产 品性 能 和 可靠 性 之 间 进 行
・ “ 适 应 未 来 ” 的 设 计原 则 ，可 用 于 产 品 重 用 、特 性 扩 展 。
取 舍 。 其 中 ，有 三 个 领 域 将 影 响 性 能 ：
模拟 感应 、通信和算法处理 。具 有模拟
块 可以 在不到 ５ ０ ｍ ｓ 内执 行 ｌ ６ 位 转换 。
感应 固件 模块 不 需 要 为 判 别 用 户是 否 按 键 而 持 续 执 行 转 换 。相 反 ，固件 能够 利 用 Ｍ Ｃ Ｕ片 上 实 时 时 钟 特 性 周 期 从 深 度
应对嵌入式系统中的低功耗设计挑战
Ｓ ｉ ｌ ｉ ｃ ｏ ｎ Ｌ ａ ｂ ｓ 高 级应 用 工 程 Ｉ Ｊ ｉ ￣ Ｐ ａ ｒ ｋ ｅ ｒ Ｄｏ ｒ ｒ ｉ ｓ 在 嵌 入 式 系 统 开 发 过 程 中 ，优 先 考 虑 降 低 功 耗 迫 使 工 程 人 员必 须 在 性 能 ・ 用 户接 Ｖ Ｉ ，包 含 ４ 个 电容感应按
・ 制 定 对 电流 消 耗 需 求 的准 确估 计
时间 ，所以某些算法特性比较缺乏 。
通 过 为 高性 能 、低 功 耗 应 用 选 择 合 适的３ ２ 位 Ｍ Ｃ Ｕ，工 程 人 员可 以 缓 解 以 上 问 题 带 来 的 影 响 甚 至 完 全 避 免 这 些 影 响 。 此 外 ，工 程 人 员通 过 利 用 Ｍ Ｃ Ｕ能 力 的 特 定 固件 优 化 来 降低 电 流 消 耗 ，以 保 证性 能 和 可 靠 性 。
电容 感应 输 入 的 设 计 缺 乏稳 固 的 抗 干 扰
或 抗 潮 湿 能 力 ，这 是 因为 传 感 器 的 扫 描
创 建 电 量 预 算 低 功 耗 应 用 中 运 行 的Ｍ Ｃ Ｕ遵 循 一
些基本原则 （ 见 图１ ）。
粗略估计 。 创 建 初 步 的功 耗 预 算 可 从 下 面 几 个 关键 方 面 帮 助 设 计 人 员 。 ・ 帮 助 设 计 人 员 选 择 适 合 设 计 需 求 的 电 池 型 号 或 类 型 ，这 将 有 助于 硬 件 设 计 ，并 可 在 开 发 过 程 中节 省硬 件 修订 工
的任务 ，需要Ｍ Ｃ Ｕ工 作循环和资 源去
完成 。
电容感应中使用实时时钟
Ｓ ｉ Ｍ３ Ｃ ｘ ｘ ＭＣ Ｕ上 的 电容 式 感 应 模
个典型Ｐ Ｍ９ 复 位 流 程 图。
选择最佳的３ ２ 位 ＭＣ Ｕ 为嵌入式 系统选择 ３ ２ 位 Ｍ Ｃ Ｕ时 ， 设 计 人 员必 须 深 入 理 解 产 品规 格 。大 多
警 引起 复 位 ，那 么 固件 可能 仅 仅 需 要 初
要在特定 的时 间或 某时 间范围内采样 。 ・稳 固性增 强的算法过滤 电容 感应
输 出 并 防 止 错 误 的触 摸 判 别 一 处 理 相 关
始化 电容 感应 模块 ，执 行计划的转换 。
如 果 处 理 过 程 判 定 用 户 没 有 触 摸 到 任 一 电极 ，则 可 以快 速 返 回 到低 功 耗 ＰＭ９ 状 态 ，避 免 执 行 大 量 代 码 ， 图 ３ 显 示 了 一
图１ ＭＣ Ｕ ￣ Ｅ 功 耗运行示例
使设计人 员能够做 出明智决定 ，为设计
选择最合适的ＭＣ Ｕ。
遥 控 器应 用 示 例 的 功 能 框 图 如 图 ２
所示 。
・ 尽 可 能 使 Ｍ Ｃ Ｕ处 于 其 最 低 功 耗 、深 度 休 眠 模 式 ； ・ 当执 行 任 务 时 ，固件 应 处于 最 低 功耗操作状态 ；
键 ；
系结 构 ，划 分 成 功 能 模 块 ，并 设 法 确 定 哪 些 模 块 是 处 理 相 关 ，哪 些 模 块 是 时 间 相 关 。此 外 ，设 法 评 估 每 个 固 件 模 块 执 行 时 间和 频 率 是 有 益 的 ，基 于 这 些 评 估 值 ，设 计 人 员能 够 生 成 平 均 电 流 消 耗 的
・ 处 理 相 关 的任 务 ，例 如 执 行 数 字
嵌 入 式 设 计 示 例 ：基 于 红 外 线 （ Ｉ Ｒ） 的
滤 波 算 法 ，应 当使 用 最快 时 钟 速 率 ，以 满足所有其他设计需求 ； ・ 时 间 相 关 的 任 务 ，例 如 以 预 定 义
图２ 基于Ｉ Ｒ 的遥 控 器 的基 本 功 能模 块
的波特率通过 串 口接收数据 字节 ，在设 计中使用最慢时钟速率。
设 计 人 员 应 当 打 破 系 统 固 件 的 体
控 一时 间相 关 的 任 务 ， 电容 传 感 模 块 需
Ｍ Ｃ Ｕ包括 电源管理模块 、片上１ ６ 位电容
数 字 转换 器 、多 串行接 口和 代码 ／ ＲＡＭ／ 特 性 集 ，在 更 高 级 应 用 中 ，为 适 应 未 来 和 重复 使用 提供 足 够 的性 能 余量 。
遥 控 器
・Ｉ Ｒ串行 接 口一 时 间相 关 的 任 务 ，
在低功耗优化的嵌入式 系统 中，具
备 以 下 特 征 的遥 控 器 即是 一 个 好 范 例 。 ・ 串行 按 Ｉ ： １ ，具 有 板 级 Ｉ Ｒ收 发
器；
串行 接 Ｉ ＝ Ｉ 将 运 行 在 既定 的波 特 率 下 。 ・Ｉ Ｒ命 令 分 析 器 处 理 相 关 的解 释 器算法 。 ・ 电容 传 感 器 检 测 感应 电极 上 的 触
பைடு நூலகம்
时 间受 限 于 低 功 耗 要 求 ； 串行 通 信 接 口 ‘ 需 要 烦 琐 的 协 议 修 改 ，以 弥 补 单 片 机 （ Ｍ ＣＵ ）在 深 度休 眠 模 式 时 的 “ 死 区
（ ｄ ｅ ａ ｄ ｔ ｉ ｍｅ ）”通信 故障 。同时 ，由
于 电流 消 耗 限 制要 求 减 少 工 作 模 式 处 理
和功耗之 间寻 求平衡 ，达到这种平衡意
味 着 需 要 在 产 品性 能 和 可靠 性 之 间 进 行
・ “ 适 应 未 来 ” 的 设 计原 则 ，可 用 于 产 品 重 用 、特 性 扩 展 。
取 舍 。 其 中 ，有 三 个 领 域 将 影 响 性 能 ：
模拟 感应 、通信和算法处理 。具 有模拟
块 可以 在不到 ５ ０ ｍ ｓ 内执 行 ｌ ６ 位 转换 。
感应 固件 模块 不 需 要 为 判 别 用 户是 否 按 键 而 持 续 执 行 转 换 。相 反 ，固件 能够 利 用 Ｍ Ｃ Ｕ片 上 实 时 时 钟 特 性 周 期 从 深 度
应对嵌入式系统中的低功耗设计挑战
Ｓ ｉ ｌ ｉ ｃ ｏ ｎ Ｌ ａ ｂ ｓ 高 级应 用 工 程 Ｉ Ｊ ｉ ￣ Ｐ ａ ｒ ｋ ｅ ｒ Ｄｏ ｒ ｒ ｉ ｓ 在 嵌 入 式 系 统 开 发 过 程 中 ，优 先 考 虑 降 低 功 耗 迫 使 工 程 人 员必 须 在 性 能 ・ 用 户接 Ｖ Ｉ ，包 含 ４ 个 电容感应按
・ 制 定 对 电流 消 耗 需 求 的准 确估 计
时间 ，所以某些算法特性比较缺乏 。
通 过 为 高性 能 、低 功 耗 应 用 选 择 合 适的３ ２ 位 Ｍ Ｃ Ｕ，工 程 人 员可 以 缓 解 以 上 问 题 带 来 的 影 响 甚 至 完 全 避 免 这 些 影 响 。 此 外 ，工 程 人 员通 过 利 用 Ｍ Ｃ Ｕ能 力 的 特 定 固件 优 化 来 降低 电 流 消 耗 ，以 保 证性 能 和 可 靠 性 。
电容 感应 输 入 的 设 计 缺 乏稳 固 的 抗 干 扰
或 抗 潮 湿 能 力 ，这 是 因为 传 感 器 的 扫 描
创 建 电 量 预 算 低 功 耗 应 用 中 运 行 的Ｍ Ｃ Ｕ遵 循 一
些基本原则 （ 见 图１ ）。
粗略估计 。 创 建 初 步 的功 耗 预 算 可 从 下 面 几 个 关键 方 面 帮 助 设 计 人 员 。 ・ 帮 助 设 计 人 员 选 择 适 合 设 计 需 求 的 电 池 型 号 或 类 型 ，这 将 有 助于 硬 件 设 计 ，并 可 在 开 发 过 程 中节 省硬 件 修订 工
的任务 ，需要Ｍ Ｃ Ｕ工 作循环和资 源去
完成 。
电容感应中使用实时时钟
Ｓ ｉ Ｍ３ Ｃ ｘ ｘ ＭＣ Ｕ上 的 电容 式 感 应 模
个典型Ｐ Ｍ９ 复 位 流 程 图。
选择最佳的３ ２ 位 ＭＣ Ｕ 为嵌入式 系统选择 ３ ２ 位 Ｍ Ｃ Ｕ时 ， 设 计 人 员必 须 深 入 理 解 产 品规 格 。大 多
警 引起 复 位 ，那 么 固件 可能 仅 仅 需 要 初
要在特定 的时 间或 某时 间范围内采样 。 ・稳 固性增 强的算法过滤 电容 感应
输 出 并 防 止 错 误 的触 摸 判 别 一 处 理 相 关
始化 电容 感应 模块 ，执 行计划的转换 。
如 果 处 理 过 程 判 定 用 户 没 有 触 摸 到 任 一 电极 ，则 可 以快 速 返 回 到低 功 耗 ＰＭ９ 状 态 ，避 免 执 行 大 量 代 码 ， 图 ３ 显 示 了 一
图１ ＭＣ Ｕ ￣ Ｅ 功 耗运行示例
使设计人 员能够做 出明智决定 ，为设计
选择最合适的ＭＣ Ｕ。
遥 控 器应 用 示 例 的 功 能 框 图 如 图 ２
所示 。
・ 尽 可 能 使 Ｍ Ｃ Ｕ处 于 其 最 低 功 耗 、深 度 休 眠 模 式 ； ・ 当执 行 任 务 时 ，固件 应 处于 最 低 功耗操作状态 ；
键 ；
系结 构 ，划 分 成 功 能 模 块 ，并 设 法 确 定 哪 些 模 块 是 处 理 相 关 ，哪 些 模 块 是 时 间 相 关 。此 外 ，设 法 评 估 每 个 固 件 模 块 执 行 时 间和 频 率 是 有 益 的 ，基 于 这 些 评 估 值 ，设 计 人 员能 够 生 成 平 均 电 流 消 耗 的
・ 处 理 相 关 的任 务 ，例 如 执 行 数 字
嵌 入 式 设 计 示 例 ：基 于 红 外 线 （ Ｉ Ｒ） 的
滤 波 算 法 ，应 当使 用 最快 时 钟 速 率 ，以 满足所有其他设计需求 ； ・ 时 间 相 关 的 任 务 ，例 如 以 预 定 义
图２ 基于Ｉ Ｒ 的遥 控 器 的基 本 功 能模 块
的波特率通过 串 口接收数据 字节 ，在设 计中使用最慢时钟速率。
设 计 人 员 应 当 打 破 系 统 固 件 的 体
控 一时 间相 关 的 任 务 ， 电容 传 感 模 块 需
Ｍ Ｃ Ｕ包括 电源管理模块 、片上１ ６ 位电容
数 字 转换 器 、多 串行接 口和 代码 ／ ＲＡＭ／ 特 性 集 ，在 更 高 级 应 用 中 ，为 适 应 未 来 和 重复 使用 提供 足 够 的性 能 余量 。
遥 控 器
・Ｉ Ｒ串行 接 口一 时 间相 关 的 任 务 ，
在低功耗优化的嵌入式 系统 中，具
备 以 下 特 征 的遥 控 器 即是 一 个 好 范 例 。 ・ 串行 按 Ｉ ： １ ，具 有 板 级 Ｉ Ｒ收 发
器；
串行 接 Ｉ ＝ Ｉ 将 运 行 在 既定 的波 特 率 下 。 ・Ｉ Ｒ命 令 分 析 器 处 理 相 关 的解 释 器算法 。 ・ 电容 传 感 器 检 测 感应 电极 上 的 触