可穿戴設(shè)備無(wú)疑是今年年初美國(guó)賭城消費(fèi)電子展(CES)的重頭戲之一，不過(guò)有分析人士認(rèn)為，“CES 2014：智能穿戴有熱點(diǎn)無(wú)亮點(diǎn)”，原因在于沒(méi)有一款產(chǎn)品能讓消費(fèi)者一見(jiàn)鐘情。這算是給可穿戴設(shè)備潑了冷水嗎?其實(shí)，情況并沒(méi)有這么糟糕。榮獲“CES 2014創(chuàng)新設(shè)計(jì)與工程獎(jiǎng)”的Magellan Echo智能運(yùn)動(dòng)手表就是一個(gè)亮點(diǎn)，因其創(chuàng)新設(shè)計(jì)及優(yōu)異續(xù)航力(可以在單節(jié)CR2032紐扣電池供電條件下運(yùn)行長(zhǎng)達(dá)11個(gè)月)而脫穎而出。

這聽(tīng)起來(lái)有點(diǎn)不可思議，在單節(jié)CR2032紐扣電池供電條件下運(yùn)行長(zhǎng)達(dá)11個(gè)月!并且性能還遠(yuǎn)超過(guò)其他同類設(shè)備，也就意味著Echo并不是通過(guò)犧牲性能而換取超低功耗。莫非是能量不守恒了?當(dāng)然不是!Silicon Labs(芯科實(shí)驗(yàn)室有限公司)在中國(guó)的核心代理商世強(qiáng)產(chǎn)品經(jīng)理Steven Zhang向我們揭開(kāi)了極長(zhǎng)電池續(xù)航背后的秘密。

EFM32——全球最高能效32位Cortex-M MCU是幕后英雄

“基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的32位Giant Gecko MCU在運(yùn)動(dòng)手表Echo的能效方面扮演著極其關(guān)鍵的角色。通過(guò)優(yōu)化Giant Gecko MCU的五種不同能耗模式以及利用MCU的低功耗傳感器接口(LESENSE)和外設(shè)反射系統(tǒng)(PRS)實(shí)現(xiàn)他們的超低功耗目標(biāo)。這些特性使得節(jié)能且自治的外設(shè)可以在沒(méi)有CPU參與的情況下處理定時(shí)和傳感器控制。” Steven解釋道。

Giant Gecko MCU屬于 Silicon Labs 的壁虎系列，在超低功耗 MCU 的陣營(yíng)中，小壁虎的名頭可是響當(dāng)當(dāng)?shù)?。不過(guò)，大家有沒(méi)有思考過(guò)，類似這樣的一個(gè)電子產(chǎn)品，為什么叫了一個(gè)小動(dòng)物的名字?

圖1. EFM32為什么叫小壁虎?

原來(lái)，在自然界中，壁虎的能量消耗僅為和它同樣大小的哺乳動(dòng)物的10%。而與現(xiàn)今市場(chǎng)上排在前10位的其他低功耗微控制器的性能比較后證明， EFM32 微控制器消耗的能量?jī)H為其他同類8-bit、16-bit 或32-bit 微控制器的四分之一。這等同于使典型的3V紐扣電池的壽命延長(zhǎng)了至少300%或者說(shuō)是7年?？傊珽FM32 MCU就像這可愛(ài)的小壁虎一樣，在微控制器領(lǐng)域，堪稱省電的王者。

低功耗等于高能效嗎?

為了實(shí)現(xiàn)高能效的目標(biāo)， EFM32 打破了微控制器的設(shè)計(jì)慣例，采用了截然不同的設(shè)計(jì)方式。

“目前業(yè)界有太多的號(hào)稱業(yè)界最低功耗的 MCU ，但是EFM32并沒(méi)有強(qiáng)調(diào)低功耗，而是主打最高能效的概念，這是因?yàn)榈凸牟⒉坏扔诟吣苄?，而我們的最終目的是要實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)電池續(xù)航，高能效才是實(shí)現(xiàn)這一最終目標(biāo)的關(guān)鍵。” Steven指出。

功耗和能耗是兩個(gè)截然不同的概念，功耗只是表征某一個(gè)時(shí)間點(diǎn)的瞬間電流的大小，而能耗等于功耗和時(shí)間的乘積，如下圖2所示。一個(gè)系統(tǒng)是否省電，就要看它的整體能耗是否足夠低。

圖2. 功耗和能耗的關(guān)系。

工作模式功耗，待機(jī)模式功耗，占空比是決定MCU能效的三個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。 一個(gè)系統(tǒng)的總能耗等于工作模式能耗和待機(jī)模式能耗的和。實(shí)際應(yīng)用中，待機(jī)模式的能耗都會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于工作模式的能耗，而一般的MCU，在這兩種模式下的能耗，基本上是固定的，而為了省電，我們最常采用的方法，就是在保證產(chǎn)品正常功能的前提下，盡量縮短工作模式的占空比。那么，有沒(méi)有更好的方法呢?

如下圖3所示，這里有四種顏色的框，分別代表四個(gè)不同的 MCU 在執(zhí)行同一段功能程序時(shí)的功耗情況。從圖中可以看到，綠色框表示的MCU所代表的工作曲線很特別，不僅在睡眠模式的功耗更低，執(zhí)行速度和喚醒時(shí)間更快，特別是在工作模式下的功耗還多次出現(xiàn)大幅度的降低，而其他三個(gè)MCU在工作模式的整個(gè)過(guò)程都是一個(gè)平行的曲線，功耗基本上是固定的，從整體能耗來(lái)看，綠色的MCU很明顯比其他3個(gè)MCU更省電。這就是綠色框表示的EFM32所能夠帶來(lái)的高能效的結(jié)果。

圖3. 四個(gè)不同的MCU在執(zhí)行同一段功能程序時(shí)的工作曲線

EFM32高能效的10 個(gè)因素

Silicon Labs 節(jié)能型 EFM32 32位微控制器優(yōu)于現(xiàn)有的低功耗 MCU ——在此，我們著重強(qiáng)調(diào)實(shí)現(xiàn)這一性能的 10 個(gè)因素。如下圖4所示，這10個(gè)因素包括：1.極低的工作模式功耗;2.減少處理時(shí)間;3.快速喚醒時(shí)間;4.超低待機(jī)電流;5.外設(shè)自主操作;6.PRS——外圍反射系統(tǒng);7.設(shè)計(jì)良好的能耗模式;8.節(jié)能外圍設(shè)備;9.LESENSE——低功耗傳感器接口;10.Simplicity Studio 和高級(jí)能耗監(jiān)控模塊。

圖4. 32 位微控制器EFM32的 10 大技術(shù)特點(diǎn)。

“在這10個(gè)因素中，PRS是 EFM32 非常有特色的外圍反射系統(tǒng)。無(wú)需使用 CPU，微控制器中的外圍反射系統(tǒng)即可直接將一個(gè)外圍設(shè)備與另一個(gè)外圍設(shè)備連接。在 CPU 處于睡眠狀態(tài)時(shí)，外圍設(shè)備可通過(guò)此系統(tǒng)產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)，其他與之對(duì)應(yīng)的外圍設(shè)備可接受此信號(hào)并立即對(duì)此做出反應(yīng)。” Steven指出。

設(shè)計(jì)良好的能耗模式也是EFM32在高能效上的一大創(chuàng)新。如下圖5所示為EFM32的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。如圖中右上角所示，有表示“0、1、2、3、4”五種不同顏色的環(huán)，它們分別代表 EFM32 的5種能量模式，不同顏色下有對(duì)應(yīng)的功能模塊可以被使用，并且模式的覆蓋率可以向下兼容。比如在EM2模式下，只有圖中淺藍(lán)色，深藍(lán)色，黑色的環(huán)可以被使用，而EM4模式下，只有黑色。

圖5. EFM32內(nèi)部架構(gòu)

EFM32 微控制器的這 5 個(gè)節(jié)能模式，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)者提供設(shè)計(jì)靈活性以優(yōu)化應(yīng)用，從而獲得最高的性能和最長(zhǎng)的電池壽命。

世強(qiáng)提供EFM32產(chǎn)品支持，助力物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用

32位的 EFM32 擊敗現(xiàn)有的MCU成為世界上最為節(jié)能的微控制器，其設(shè)計(jì)的初衷就是節(jié)能省電，主要針對(duì)電池供電的產(chǎn)品應(yīng)用，比如智能表計(jì)、智能家居、安防系統(tǒng)、醫(yī)療保健，以及便攜手持系統(tǒng)如RFID等，尤其是對(duì)電池供電的年限要求苛刻的應(yīng)用，例如要求至少3年，5年甚至10年電池不可更換。

圖6. EFM32的市場(chǎng)應(yīng)用。

Silicon Labs在2013年收購(gòu)了Energy Micro公司，這對(duì)Silicon Labs來(lái)說(shuō)，是具有里程碑的意義的。這項(xiàng)收購(gòu)大幅擴(kuò)展了 Silicon Labs 的單片機(jī)系列產(chǎn)品，并增加了將近250種采用ARM的EFM32 Gecko單片機(jī)產(chǎn)品。而作為Silicon Labs的核心代理商世強(qiáng)，自然也受益于此次收購(gòu)，增強(qiáng)了其在超低功耗MCU產(chǎn)品上的實(shí)力。

圖7. 世強(qiáng)提供豐富的EFM32產(chǎn)品選擇和技術(shù)支持。

如上圖7所示為EFM32 MCU的Roadmap，按內(nèi)核分為3大類：M0+、M3、M4。其中以M3的系列最為豐富，從低端到高端有4個(gè)系列，包括：Tiny，Gecko，Leopard，Giant。高端還可以支持TFT和USB功能，最大flash可以支持1Mb。最小封裝有QFN24。

“從M0+到M4，所有型號(hào)的EFM32 MCU都是軟件兼容的，不同型號(hào)之間，相同后綴名可以pin-to-pin兼容，所以對(duì)于后續(xù)平臺(tái)的升級(jí)非常方便。” Steven最后還強(qiáng)調(diào)，“世強(qiáng)將為您提供EFM32產(chǎn)品選擇和相關(guān)技術(shù)支持，可以完全解除您的后顧之憂，助您一臂之力。”