設計新的電子設備通常歸結為權衡取舍。成本通常與性能不一致。在成本敏感的市場中，例如面向消費者的產(chǎn)品，選擇微控制器或微處理器作為嵌入式系統(tǒng)的核心可能是影響性能的最關鍵決策。通常存在會影響嵌入式系統(tǒng)整體性能的相互競爭的系統(tǒng)特性。對于這篇文章，讓我們考慮以下幾點：

電池壽命

響應能力

熱性能

無線信號范圍和速度

外部外圍組件提供的功能

低功耗設計對于電池供電設備或依賴能量收集技術的設備至關重要。一些初步問題應包括：

現(xiàn)場維護設備的可訪問性如何？可以更換電池嗎？

工作環(huán)境如何（溫度范圍、濕度范圍、暴露在陽光下、暴露在化學品中等）？

尺寸和重量限制是多少？

需要什么類型的通信？需要多久發(fā)送一次遙測數(shù)據(jù)？

預計有多少外部設備（傳感器、執(zhí)行器）會與我們的設備交互？它們的接口是什么？

了解“大局”要求后，就該建立粗略的功率預算了。首先，我們可以將所有外部設備的電流消耗相加。然后是時候查看滿足功能要求的可能的微控制器/微處理器并確定它們的效率了。通常，規(guī)格會詳細說明以 uA 為單位的效率，單位為 Hz 的時鐘速度。提前花時間研究和選擇合適的 MCU/MPU——無論是在功能還是性能方面——將大大有助于滿足設計的低功耗要求。一旦我們對預期的活動和空閑功耗有了很好的了解，我們就可以做一些“餐巾紙背面”的數(shù)學計算，查看各種電池選項，以估計電池充電將持續(xù)多長時間。大學教師' 不要忘記選擇正確的電池化學成分對于本次討論至關重要。例如，鎳鎘 (NiCd) 和鎳金屬 (NiMH) 電池在寒冷氣候下不能很好地保持電量。

解決了總體架構級問題后，就該關注優(yōu)化嵌入式系統(tǒng)功耗的設計級考慮因素了。硬件和固件需要考慮的一些設計經(jīng)驗法則包括：

選擇盡可能低的工作電壓。在最長的時間里，5V 是常態(tài)，然后是 3.3V。如今，2.7V 和 1.8V 的核心和內(nèi)存工作電壓并不少見。市場上的一些嵌入式組件低至 0.9V。

在不影響性能的情況下，將核心時鐘速率降低到可能的最低速度。

除了最小的工作電壓外，盡量選擇具有相同工作電壓的組件，以減少對 DC-DC 轉換器和布線多個電源軌的需求。

當心 LED 和液晶顯示器！它們很漂亮并且可以添加功能，但它們可能非常耗電（相對于它們的實用性）。明智地添加 LED。如果需要 LCD，請讓用戶能夠調(diào)節(jié)亮度。

電路拓撲結構和組件選擇會對您的功率預算產(chǎn)生重大影響。必要時，分壓器、上拉電阻器和下拉電阻器可以消耗電流。確保它們是必要的，并確定它們的大小以使其既有效又高效。

不要只是硬連線外圍設備以使其一直處于啟用狀態(tài)。取而代之的是，投入設計時間并預算 MCU 的 GPIO 引腳，以允許固件根據(jù)需要打開和關閉外圍設備。

避免在代碼中使用延遲或持續(xù)的傳感器輪詢；這會導致無用的時鐘周期，它們在功能上什么都不做，但仍然消耗能量。相反，使用任務調(diào)度程序和中斷。

選擇滿足但不超過要覆蓋的距離的通信協(xié)議。例如， Zigbee ?將比BLUETOOTH ?更高效。不需要時關閉收音機。不過請務必考慮打開收音機所需的時間。對于低功耗、低數(shù)據(jù)速率應用，這應該不是什么大問題。

不要讓 GPIO 引腳懸空。

對于帶有內(nèi)部上拉的 GPIO 引腳，如果不需要，請不要啟用上拉。

降低 I2C 和 SPI 等通信總線的時鐘速率。

模數(shù)轉換中使用的電阻器和電容器會消耗相當多的能量。降低 ADC 讀數(shù)的頻率，并在讀數(shù)之間關閉 RC 網(wǎng)絡。但一定要給電容器足夠的時間在讀取數(shù)據(jù)之前重新充電。

優(yōu)化功耗設計不僅僅可以延長電池壽命。更低的功率意味著更少的熱量，從而提高可靠性并降低熱引起故障的風險。最后，一定要驗證您的設計。無論是使用廉價的 USB 功率計、萬用表、焦耳示波器還是能量分析儀，花時間觀察設備在實驗室和現(xiàn)實環(huán)境中的功耗。為了使這更容易，請務必在電路板上放置測試點，以便可以測量電流和電壓。

審核編輯黃昊宇