選用低功耗RF/MCU　能量採集應用節能更出色

此外，對於同樣的能量採集器而言，新建置的應用能夠比先前的應用提供更強大的能力。因此，能量採集已在越來越多的應用中，成為感測器節點供電之可行方案，其可在本地端處理採集資料，之後回傳到集中器。

圖1為一個嵌入式能量採集系統，當中的組成元素如能量採集器，是任何能量採集設計中都必要的。

圖1　能量採集感測器節點設計架構

表1彙整常見的潛在能量採集來源。在此範例中，以使用太陽能採集器為例，除了能量採集源之外，相關應用中也需要某種形式的能量儲存裝置，其中最常見的是電容組或者小型可充電電池。儲能設備也是必須的，因為採集器須持續不斷的採集能量，而應用本身可能僅會在極短的時間內處於工作模式，大部分時間則處於休眠模式。

除了這些應用組成元素外，開發人員還要面臨如何選擇元件，並達成符合預期可用能量的設計。在此處有一些關鍵因素須考慮，所選擇的元件要能夠在極低待機電流下工作，在工作模式時功耗也要能達到最低；此外，必須能夠在工作模式和待機模式之間快速切換，因為元件從待機模式轉換到工作模式所需的時間越長，所耗費之能量越多。

RF元件選用標準取決於待機/傳輸模式功耗

選擇能量採集器設計中RF元件時，一個關鍵元素是要選擇合適的通訊協定，此協定要能夠提供足夠的頻寬以傳輸所需資料，並且盡可能將整體功耗降到最低。ZigBee和藍牙(Bluetooth)都是低功耗和電池供電型應用的良好選擇，但是更輕量級的無線連接技術或許才是能量採集器的最佳選擇，因此簡單、專用的Sub-GHz解決方案非常適合能量採集型應用需求。假設該設計是要進行本地端訊號處理，而僅須進行少量資料傳輸時，那麼RF元件在大部分時間裡將處於待機模式，僅在須要傳輸少量預處理(Pre-processed)資料時才被喚醒，因此要考慮的兩個重要參數是待機模式功耗和傳輸模式功耗。

基於以上原因，高效能的Sub-GHz收發器將是理想的選擇，如Si4464元件的待機模式電流僅50奈安培(nA)，當在非收發模式下可最大幅減少能量消耗，而且從待機模式切換到運行模式時，喚醒時間僅需要450微秒。這種等級的無線能效使得開發人員能夠最小化應用中RF元件的功耗，並且專注於存取和管理資料。

感測器節點將提供本地化的資料處理，降低整體RF網路的資料傳輸流量，目前市面上實現這種目標的理想選擇是採用安謀國際(ARM)Cortex-M4核心的MCU，不僅擁有大量專用的數位訊號處理器(DSP)功能，相較於不具備DSP能力的MCU，其能夠在更短的時脈週期內完成訊號處理。

具備DSP功能　MCU能快速完成訊號處理

圖2顯示基於Cortex-M3核心的MCU和基於Cortex-M4核心的MCU在執行相同常式實現512點快速傅立葉變換(FFT)時所消耗的時間(在兩種核心下，CPU時脈速率是相同的)。 Cortex-M4核心的處理時間遠低於Cortex-M3核心的處理時間，這是由於Cortex-M核心的DSP效能更高。

圖2　512點FFT在Cortex-M3核心和Cortex-M4核心上運行所需的時間對比。

然而，僅靠核心並不是獲取最佳效能的唯一因素，還須考慮諸如訊號採集所需的功耗(以及所使用的技術)、MCU周邊之間的互動，以使MCU能夠在更長的時間內保持於低功耗模式。

優化訊號採集功耗方式各異

考慮到訊號採集任務，最佳化效能可以經由多種方式實現。假設要獲取的是類比訊號，就可以採用類比數位轉換器(ADC)或者專用介面實現訊號採集。圖3中圖形化顯示這些過程。首先最常用的做法是，利用計時器觸發ADC採樣，並將所獲取的採樣資料傳輸到DMA，在1kSPS採樣速率下，功耗為165微安培(μA)。

圖3　MCU上的低功耗ADC工作原理

第二種方法是在同樣採樣速率下改善功耗。其方法是在待機狀態時讓MCU進入功耗模式2(Energy Mode 2, EM2)，一直到被中斷喚醒為止(中斷可來自多種觸發源，包括EM2的可用計時器)。EM2的待機功耗為900奈安培，但是MCU只需要2微秒就能恢復全速運行狀態。因此，超低功耗模式帶來的時間成本，EM2切換回全速運行狀態所帶來的功耗，兩者間達到很好的平衡。

這種情況下，同樣實現1kSPS採樣速率時，功耗降低到60微安培，與第一種方法相較下，功耗顯著下降。此方法可能是最合適的方法，因為許多嵌入式應用都是靠中斷驅動的，然而，根據應用對特殊情況的要求，還可利用其他方法來進一步降低功耗。

第三種方法(可視此方法為一個「優化迴圈」)仍然採用EM2，但本次並非等待中斷，而是使用等待事件(Wait For Event, WFE)指令，該指令是Cortex-M指令集的一部分，使MCU能夠對外部或者內部事件進行回應，類似於中斷觸發。

然而在這種情況下，不是從主迴圈中進入中斷，而是MCU直接從EM2中喚醒並開始執行下一條指令，免除了中斷延遲。雖然這種方法並不適合所有應用，但採用此方法可以降低功耗，同樣1kSPS採樣速率時，功耗不到20微安培。

為了判斷採用何種方法更適合所需應用，進行一次詳細分析是必要的；若要達到所需的最低功耗，則須評估取樣速率大小，以及MCU在各種模式下的功耗。

圖4對比了分別採用上述三種方法時，功耗和取樣速率的情況。圖中交叉點表示--為了實現最佳功效，可以從一種方法轉向另一種方法。

圖4　功耗與取樣速率對比圖

LESENSE協助MCU處於低功耗模式

除了使用ADC進行訊號採集之外，選擇的MCU還可以使用額外的專用周邊。以EFM32 Wonder Gecko MCU為例，可以選擇使用低功耗感測器介面(LESENSE)採集訊號，並且僅在需要MCU進行處理時才喚醒MCU。圖5為LESENSE的工作原理，範例中以類比訊號輸入為例。

圖5　LESENSE的運行原理

處理此種訊號的一個標準方法是對輸入進行測量，並且不斷檢查是否通過預設的臨界值，但是這種方法效率極低。採用自主感測器介面如LESENSE，MCU能夠保持在低功耗模式(例如ADC技術範例中用到的EM2)，僅當跨越臨界值時才喚醒MCU；或者，更有用的是能夠記錄跨越臨界值的次數，例如五次之後才喚醒MCU，這種方法是一種更加節能的解決方案。

舉例來說，MCU被LESENSE周邊喚醒時，它能知道下一步具體要做什麼，以直接管理應用的對應部分。圖6顯示了如何使用諸如LESENSE之MCU周邊來為能量採集應用帶來顯著差異。

圖6　LESENSE實現節能的情形

在兩種應用範例中，都是以5Hz的頻率透過LESENSE周邊採集訊號，第一個範例中，每次訊號採集後都會喚醒MCU，由此可以看出，能量儲存裝置的能量在很短暫的時間內就被耗盡了，然後MCU則進入到Reset模式。

範例二中，LESENSE範例配置為經由五次訊號採集後才喚醒MCU。在這兩個範例中，採集和傳輸到MCU的資料量都是相同的，但在範例二中的MCU並沒有進入Reset模式，應用依舊維持正常運行狀態。因此，透過智慧使用MCU資源，可以獲得更加節能的解決方案。

從現有的能量源中，雖然為嵌入式應用所採集的能量並無顯著的增加，但近年來，關鍵系統元件例如MCU和射頻辨識(RFIC)對能量的需求已顯著下降，由此可知，IC元件正朝向更節能的方向發展，使其可在更多智慧和實用嵌入式系統中採用能量採集供電。

隨著物聯網市場的快速成長，設計出自主性運行的感測器節點已刻不容緩，雖然目前市場上RF和MCU解決方案具有多種選擇，但是要在由能量採集供電的嵌入式設計中提供真正所需的MCU和RF元件、而時間又是棘手的因素時，很明顯並沒有哪一種元件能夠滿足所有需求。然而，在建立節能型系統方面，某些元件與其他元件相較時，的確能提供較為明顯的優勢。

(本文作者為芯科實驗室微控制器暨無線產品資深行銷經理)