全新 SimpleLink MCU 无线平台支持超低功耗小型电池应用

全新的SimpleLink™ CC26xx/CC13xx超低功耗平台适用于Bluetooth® Smart、6LoWPAN、ZigBee®、频率不到1GHz的ZigBee RF4CE™，在打造和设计时充分考虑到了低功耗。确保我们的解决方案能量消耗尽可能降低，从而支持更长的电池寿命、型号更小的电池乃至适合无电池应用的能量收集功能 —— 我们已察看了对实现这些目标而言至关重要的方方面面。

应用

与流行看法相反的是，无线电收发器本身很难成为无线微控制器（MCU）整体功耗的主要影响因素。由于各种技术都在进步，因此即使在较小的传感器中对计算能力的需求也越来越多；随着标准的演变，无线协议栈会带来更大的开销。

在SimpleLink CC26xx产品系列中，有两种非常节能的MCU可提供给应用。

ARM® Cortex®-M3

ARM Cortex-M3是CC26xx器件内部的主系统中央处理器（CPU）。一种测定MCU性能的方法是使用基准工具。比较流行的基准之一是来自嵌入式微处理器基准协会（EEMBC）的CoreMark。CoreMark是一种简单却绝对尖端的基准，其设计目的是测试嵌入式设备中所用处理器内核的效率。它不依赖于系统，因此无论用什么平台（例如降序/升序、高端或低端处理器等），它的功能都是相同的。该基准还展示了MCU内核的能效。

 

 

 

 

表1：CC26xx的不同CoreMark得分（电压为3.0V、频率为48MHz时在CC2650-7ID上测定）

表1中的得分能让有效使用过程中的平均功耗非常低。以最高速度（此时频率为48MHz）运行ARM Cortex-M3时，该CPU运行消耗的电流小于3mA，优于任何在低效内核或较低位CPU时钟内运行的无线MCU。较之具有类似MCU的任何竞争产品，CC26xx CoreMark的电源效率（CoreMark/ mA）都是最佳的，这使它成为现今可提供的最节能微控制器。

传感器控制器

独特的超低功耗传感器控制器是一个与模数转换器（ADC）、模拟比较器、SPI/I2C及电容式触控板等外设相耦合的16位CPU。其设计目的是当系统的其它部分处于待机状态时可自主运行。该传感器控制器允许以功耗非常低的方式用接口与外部模拟或数字传感器连接。

 

 

图1：当系统的其它部分处于待机状态时，该超低功耗传感器控制器引擎可自主运行

很多时候，唤醒整个系统来执行次要任务是不节能的，因为这会带来大量开销。在许多用例中均有需要按一定时间间隔运行的任务，它们的占空比较之实际射频（RF）或主要活动的占空比更大。

需每秒使ADC运行10次以准确获得心率的心率监测器可作为一个例子。在这个实例中，唤醒整个系统来执行每秒10次的无线传输任务是很不节能的。使用SimpleLink超低功耗CC26xx平台，每当进行第10次ADC采样时，人们都可让该传感器控制器执行所有的ADC测量任务并唤醒ARM Cortex-M3，以便对该数据作进一步的可选处理和分组RF传输。

 

 

图2：该传感器控制器可显著降低平均功耗

在这个例子中，该传感器控制器能以小于3uA的平均电流消耗每秒执行10次ADC读取任务。用ARM Cortex-M3执行相同的任务将需要10倍的功耗。

 

 

表2：该传感器控制器在主时钟内运行时的能效

该传感器控制器可直接靠预分频（24MHz）的时钟运行，这使它能收集数据并对该数据进行简单的处理。

无线电器件

传统上，由无线解决方案的高发送和接收电流引起的峰值消耗会对可能使用的电池产生限制或显著缩短电池寿命。因为CC26xx的峰值电流非常低，仅为6mA左右（0dBm的输出），所以这再也不会对传统的CR2032电池产生任何限制，甚至允许使用型号更小的电池。从平均功耗的视角看，无线电器件不再是功耗的主要影响因素，人们对它的担忧减少了，因此再也没必要放弃输出功率来降低峰值功耗了。

睡眠和关机

在任何电池供电型应用中，射频（接收/发送）占空比及其参数均可决定电池寿命。在传输之间，使待机电流能有多低就有多低以便电池中有足够的电来供有效使用至关重要。CC26xx采用超低泄漏的静态随机存取存储器（SRAM），该SRAM可被存满（20KB），另外还能在待机时让实时时钟（RTC）运行，并使寄存器和CPU的状态被保持，消耗的电流却低至1uA。在关机时，CC26xx可通过外部输入输出（IO）事件来唤醒，同时汲取的电流低至150nA。

CR2032的保质期正在延长，一些供应商现在声明电池寿命可长达10年。从220mAh的CR2032汲取的平均系统电流必须低于2.5uA，以达到10年的寿命【2】。如果一个系统的基极电流大于此，用户就不能让电池达到最长的潜在寿命，无论用户实现的有效占空比有多小。

平均电流如何影响电池寿命

电池使用寿命主要与平均功耗有关。这将在很大程度上取决于用例，但现在有一种来自EEMBC的可用基准，被称为ULPBench™ —— 该基准可对产品说明书参数进行规范，并可提供一套方法以便公正可靠地测定MCU能效。ULPBench使用跨8位、16位和32位微控制器的一系列便携式通用工作负载，能采用MCU低功耗模式同时聚焦利用集成硬件功能的实际应用。最后，它还可分析有效条件和低功耗条件【3】的影响。

 

 

图3：CC26xx与竞争产品的ULPBench得分

查看平均电流的另一种常见方法是观察一项给定技术的具体用例。对Bluetooth Smart而言，一种方法是指出平均电流，同时在给定的时间间隔内保持两个设备之间的连接。

 

 

表3：CC26xx的平均得分（电压为3.0V时在CC2650-7ID上测定）

当查看无线事件的功率分布图时，所有已讨论过的内容都会显现出来。图4展示了具有唤醒、软件栈预处理、无线电事件（接收和发送）及后期处理/回到睡眠阶段功能的Bluetooth Smart的连接事件。

 

 

 

图4：Bluetooth Smart连接事件的功率分布图

关于如何为Bluetooth Smart应用计算平均电流和电池寿命的更多详情见【4】

参考：

【1】Cortex-M0+ 处理器