智能控制/感測網路的超低功耗MCU應用
智能控制/感測網路的超低功耗MCU應用
2013/11/12-DIGITIMES企劃 針對智能控制與無線感測連網需求下，以多重電壓操作模式、快速甦醒RF傳輸，高效率週邊自主控制的設計下，MCU可以僅憑鋰電池供電，也能維持3～20年長時間運作；提供業界完整的MCU IDE整合開發環境、點出不合理功耗線型圖所經過的程式碼片段，更有助於協助業界開發極低功耗的智能控制應用，並部署可長可久的感測網路…..
智能控制與感測網路╱節點的建構要件
從各種監控攝影機、LED照明、氣象紀錄儀、洗衣機、智能電錶、冰箱、條碼機、醫療儀器等的智能控制應用，進而擴大到智能家居(Smart Home)、智能工廠甚至智能城市(Smart City)。
「在瑞典有個城鎮，家家戶戶都安裝了智能電錶，使得整個城鎮連成一個智能電網，不僅大大降低耗電量，所節省的電費利益也回饋到城鎮居民上」。芯科實驗室(Silicon Labs)資深應用工程師劉斐中認為：「要做到這樣的智能控制應用，最主要的關鍵，就是選擇極低功耗的微控制器、鋰電池等能源儲存裝置、馬達控制、ZigBee/藍牙/WiFi等RF無線射頻技術、雲端運算，以及感測器等產業規格化的技術。」
每一個感測節點(Sensor node)，基本架構上由一個MCU連接電力供應裝置(電池、太陽能、壓電裝置)，一個到多個感測器，傳送訊息的RF發送器，以及顯示LCD顯示器。感測節點需具備：1.超長電池供電。感測點常被安置在難易接觸的位置，為了降低安裝與頻頻更換電池的維護成本，規格上被要求僅以電池就能運作3～20年。2.低成本；感測網路的成敗，決於佈設節點的多寡。每個感測點成本又以MCU為大宗。3.區域自主運算(Local processing)，可將監測資料先行處理，剔除掉誤判、雜訊後再上傳，減少無謂的網路封包傳輸與電力消耗。4.支援各種感測器的界接技術。5.RF射頻連網技術。6.其它像安全編碼、小尺寸、安全的韌體載入更新機制。
滿足長供電、低成本、自主處理、介接感測器的MCU技術
MCU總耗能，是工作電壓與運作時間的乘積(Energy=Power x Time)後的連續積分。「能把X軸(工作電壓)壓低，Y軸運作時間縮短，兩者成績(功耗)自然就越小。因此延長電池供電壽命的關鍵，在於極小化所有工作模式下的能源耗損。」劉斐中表示：「芯科推出的EFM32 Zero Gecko微控制器，具備五種操作模式，從1～24MHz的EM0全速模式下，單位耗能為110 μA/MHZ，總耗能為150μA～2.64mA；EM1睡眠模式時降至50 μA/MHZ。在EM2深度睡眠模式下，僅需0.9 μA功耗做為維持RTC、RAM/CPU狀態回存、POR重置電壓、BOD壓降偵測等需求，EM3停止模式下更降到僅0.6 μA；到EM4關機模式下，總功耗降到20 nA。多節電模式的搭配下，可以設計彈性化且節能的監控系統。」
EFM32 Zero Gecko也設計了匯流排能自主運作的週邊反射系統(Peripheral Reflex System,PRS)，當MCU進入睡眠模式下，各週邊單元像是ADC、VDAC、IDAC、Opamp等可以配對、自主性擷取與傳遞資料。「像是類比數位轉換器(ADC)仍可以12bit@每秒1M取樣速率進行訊號擷取訊號轉換，功耗僅350 µA；而另一端低功耗9600Baud/s的UART串列週邊，僅耗費150nA，就能達到每秒傳輸一筆溫度監測值，而此時MCU仍處於睡眠的低功耗模式。」
感測網節點效益跟節點數的平方成正比，若感測節點成本能越壓低，佈設出來的節點感測效益就會越大。而在佈設的無線感測網路中，一個閘道點(Gateway)會連接1～10個集線點(Hub)，每個集線點又連接1～10個感測節點，故隸屬於一個閘道節點底下的無線感測網路，總共會連接超過100～1,000組感測晶片。
高指令效率的Cortex-M0+核心，可以將執行功耗極小化。「以16位元乘法為例，傳統8bit MCU需耗費29個指令週期；即便16bit MCU也需4個週期，但Cortex-M只須一個指令週期」。劉斐中提到：「但透過RF傳送一筆25bytes資料，約耗費72μJ(微焦耳)的能量，相當於EFM32 Zero Gecko MCU執行220,000個指令週期，由此可見區域自主處理(Local Processing)的重要性。」
對於許多溫度、濕度、環境光源、動作偵測器、開關門偵測、定位偵測、化學合成、煙霧偵測器等，EFM32 Zero Gecko MCU內部整合了許多與類比感測器介接的線路。至於無線RF射頻連線能力(RF Connectivity)，則需考量到MCU是否可以快速喚醒並啟動RF迅速作用，同時考量到BOM物料成本，設計的PCB層數，天線設置是否方便，以及電池供電壽命；最後則是外搭獨立收發晶片或採用整合型Wireless SoC單晶片(MCU+ RF)的選擇。
其它因素像是另類電池搭配(Exotic battery)，系統尺寸設計是否能融入、沒入監控的環境內，是否能藉由無線傳輸方式來做韌體更新(Over-the-air；OTA)，以及是否有安全編碼過的啟動載入程式與以及雙向資料，最後則是MCU實體晶片能否防止被竄改，以及傳輸資料╱程式碼的編碼防護等問題。
系出Cortex-M的EFM32微控制器家族
芯科以EFM32 MCU家族，做為智能控制與無線感測的應用。目前EFM32 MCU家族時程藍圖上，有採用Cortex-M0+的Zero Gecko、採用Cortex-M3的Tiny(LCD)、Gecko(LCD)、Leopard(USB/LCD/TFT)、Giant(USB/LCD/TFT)系列，以及採用Cortex-M4的Wonder(USB/LCD/TFT/DSP with FPU)系列MCU等7大MCU產品線，一共有86種型號，以及有24/32/64QFN、48/64/100QFP、48/112/120BGA等 9種封裝腳位版本。
EFM32系列的Zero Gecko，採用24MHz的32位元ARM Cortex M0+處理器核心，具備2～4KB SRAM及4～32KB Flash的容量配置。極小的晶片外觀╱封裝尺寸(QFN24, 5mm x 5mm)，具備週邊自主(PRS)的匯流排設計，內建AES編╱解碼引擎，超低耗能的UART串列傳輸介面，ADC/DAC/Comparator等類比界接電路，以及EM0/EM1/EM2/EM3/EM4多達五種節能電壓操作模式。
「我們來檢視EFM32 Zero Gecko，符合感測節點MCU的條件列表。它具備：1.長效供電。僅110μA/MHz單位MHz耗電量，睡眠模式低於1μA，2μs快速喚醒時間，以及PRS週邊自主設計。2.低成本：量購單價僅0.49美元。3.Cortex-M0+架構輕易處理區域自主處理。4.感測器界接：具備12位元ADC、電流DAC、PRS、低耗能UART串列埠設計。5.小尺寸：僅24pinQFN, 5mm x 5mm外觀。6.具備硬體AES編碼引擎。7.RF連接性：低功耗UART、PRS與2μs快速喚醒時間。以上皆符合了讓感測節點能長期、低成本且安全運作的需求。」
芯科提供對免費的Simplicity Studio整合開發工具，可以在Windows、Linux與Mac/OS X作業系統下執行，提供韌體函式庫，樣板原始碼，應用程式說明，程式碼產生器、除錯器，以及像energyAware Profiler、energyAware Designer、energyAware Battery等耗能分析工具。劉斐中現場示範，當安插入評估板後，進入Simplicity Studio整合開發環境，系統會以隨時亦動態折線圖方式，呈現量測過程的功耗曲線，並於自動在功耗曲線高標、低標之處標記上紅點；點選那些紅點，就會即時切換至參考到的程式碼、函式片段，可協助開發者完成最佳化節能的開發工作。
EFM32ZG-STK初始開發套件，內建EFM32ZG MCU實體晶片，提供128x128點矩陣LCD、USB接頭、除錯介面、擴充接頭、電容式觸控按鈕、LED燈號、使用者按鍵、電源選擇鈕、CR2032鋰電池插頭，以及內建SEGGER J-Link硬體除錯器；包含免費的Simplicity Studio開發套件、技術文獻等軟體工具，整個初始開發套件僅89美元。
益登科技(EDOM) 為Silicon Labs全產品代理商，EFM32系列MCU完整產品，原廠也提供專屬網站，供用戶下載相關產品規格，技術文件，設計應用範例，相關電路與BOM表參考檔案。
DIGITIMES中文網 原文網址: 智能控制/感測網路的超低功耗MCU應用 http://www.digitimes.com.tw/tw/dt/n/shwnws.asp?cnlid=13&cat=10&id=0000356650_DTZ5GXP26C0F16LO99JNC#ixzz2kODDGIDb
