适用于工业物联网应用超低功耗的设计步骤

在当前竞争激烈的工业物联网 (IIoT) 环境中，新产品的快速上市时间至关重要。一切都需要快速完成，但我们还需要能够在未来几年内进行扩展并实现超低功耗。随着产品需求的规模和复杂性的增长，软件也在增长。

工业细分市场中的便携式应用要求低功耗、可靠和高性能。这类工业应用的例子包括条形码读码器、装运数据记录器、高速公路跟踪设备、降噪耳机、小型电机控制以及电池充电器。所有需要电池供电、零污染或移动性的设备都具有相似的设计要求。

设计人员如何应对这些挑战？新一代的稳定可靠、功能丰富且经济高效的单片机已经上市。本文将介绍最新的单片机特性和一些设计注意事项，以帮助设计人员应对工业应用中的这些要求。

使单片机在尽可能长的时间内保持在最低功耗状态是最大化电池寿命的主要目标。运行速度快、唤醒时间短也就意味着平均功耗低。单片机在高功率状态下完成工作的速度越快，保持低功耗状态的时间就越长。

设计高性能和稳定的工业应用的另一注意事项是单片机的振荡器特性，其重要性经常被低估。振荡器特性会影响许多方面，包括性能、系统成本、可制造性和可靠性。

新型单片机以更高的速度工作，并且能够在没有外部时钟源的情况下全速运行。还提供多种内部生成的时钟频率。这样软件可以随着电压下降而切换到较低频率，以保持在工作规范范围内，或者在连接电源后提高速度。

制造过程中另一个常见挑战是晶振有时不能可靠起振。造成这一问题的一些常见原因有元件质量变化、助焊剂残留和布线疏忽。选择高质量晶振以及实施某些布线和测 试技术（如负电阻测试）可以避免其中的很多问题，这些技术可从晶振和单片机制造商处获取。若允许配置晶振偏压也会有帮助，尤其是对于低频电路。这允许增加 偏压，以确保在各种条件下均能可靠起振，或者减少偏压以降低功耗。一些额外的工作将帮助制造团队避免这些类型的棘手问题。

一个可提高可靠性的出色特性是故障保护时钟监视器。它可以持续监视系统时钟转换。一旦错过几次转换，它会自动将时钟源切换到内部振荡器并中断CPU。这样单片机可保持关键功能并执行有序关闭。

尽管通过精心设计，低电压单片机可用于高可靠性应用， 但有时仍需要5V工作。它可以简化电路板布线、提高抗噪声能力并提高对传统设计的支持。但是，随着设计尺寸的减小，新的5V单片机的可用性也在降低。芯片 制造商意识到对这些器件的需求仍然很大，因而开发出了新的高电压工作技术，找到了使更小、更廉价的单片机以较高电压运行的新方法。这对于寻求5V工作优势 的设计人员来说是个好消息。

为了进一步提高抗噪声能力，端口和外设引脚使用多个输入缓冲器。不同的功能可能有不同的输入缓冲器类型，尽管它们在同一个引脚上复用。施密特触发器的输入可提供比同类TTL器件更宽广的输入阈值范围，并可提高系统的噪声容限。

较高的端口驱动能力是另一个重要的设计注意事项。这不仅仅是直接驱动LED。较高的端口驱动能力可以防止在熟知的容易引入噪声的电路（如开关式稳压器和高速PWM信号）附近产生无用耦合，但潜在的代价是会增大辐射噪声。端口引脚上的小型RC滤波器将有助于抵消这些效果，同时保持高驱动能力的优势。

假设我们正在开发一种全新的电池供电无线产品。你手头有规范，你得出的前三件事是：

1.我们需要与多个传感器进行交互。

2.应用复杂，使用状态多，无线电定时严格。

3. 低功耗至关重要。事实上，电池寿命将是我们产品的主要差异化因素。

有很多解决方案可以解决上述挑战，但有一些关键功能可以在开发此无线产品时节省大量精力。多线程和资源共享支持将简化分区和扩展应用程序逻辑。硬件驱动程序将加速与外围驱动程序的接口。集成电源管理将使应用程序能够自动进入低功耗模式。所有这些功能都可以在实时操作系统 (RTOS) 中找到。

使用现代 RTOS 意味着访问具有确定性行为的代码分区任务、广泛的驱动程序支持和高度集成的电源管理器。为目标设备量身定制的 RTOS 将意味着更少的时间浪费在执行平凡、重复的任务上，而将更多的时间花在实际应用上。

始终寻找新方法来加速我们的工业嵌入式应用程序开发。