一文了解BOM中不得不知的五條“軍規(guī)”

不知不覺，我們已經(jīng)處于物聯(lián)網(wǎng)的汪洋大海之中，大家公認的說法是，到2020年全球物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備接入總數(shù)將達到300-500億。面對這海量的設(shè)備，維護變成一個繁重的任務(wù)，這就要求互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備可靠“皮實”的同時，功耗足夠低，一塊電池（或者使用能量收集技術(shù)）能撐足夠久。因此“低功耗”三個字在物聯(lián)網(wǎng)用戶端設(shè)備的設(shè)計中，一直被擺在很高優(yōu)先級的位置上。這也讓開發(fā)者在元器件的選型上小心謹慎，銘記下面這些不得不守的“軍規(guī)”。

圖1，物聯(lián)網(wǎng)用戶端設(shè)備系統(tǒng)框圖

第一條：用一顆低功耗的MCU

從物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的系統(tǒng)框圖上來看，MCU處于核心的地位；而從功耗的角度來看，它也是耗電最大的“電老虎”。8-bit MCU功耗固然低，但畢竟性能有限，所以在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中32-bit MCU上位成了主角。目前在32-bit通用MCU領(lǐng)域，ARM Cortex-M系列架構(gòu)的CPU內(nèi)核占主流，從M0、M0+、M3、M4到M7，序號越大性能越高，功耗也越大。所以根據(jù)物聯(lián)設(shè)備的應(yīng)用場景，選擇一顆功耗性能比“剛剛好”的CPU內(nèi)核是首要準則。

不過決定MCU整體功耗的因素很多，除了CPU內(nèi)核自身的功耗，至少還要考慮三個因素：是否有多樣的電源管理模式設(shè)定，可以讓CPU內(nèi)核和無需工作的電路處于休眠狀態(tài)；是否有靈活的時鐘管理系統(tǒng)，按需對各個功能電路進行調(diào)度；是否有更智能而低功耗的外圍電路，能夠幫助CPU內(nèi)核分擔(dān)工作。其實這些因素核心的思路就是：無事休眠、按需激活、避免空耗。

要想全面了解MCU低功耗性能、做出正確判斷，除了吃透器件的Datasheet、經(jīng)驗設(shè)計積累外，目前也有第三方的評測可供參考，比如EEMBC聯(lián)盟為衡量嵌入式微控制器低功耗特性專門設(shè)計的ULPBench評分。雖然有人認為這一評分的結(jié)果值得商榷，但仍然不失為一把衡量MCU整體低功耗特性可參考的標尺。

表1，ULPBench中業(yè)界主流MCU產(chǎn)品得分

第二條：考慮集成化的傳感器

在傳感器的選型上，開發(fā)者通常有兩種選擇：分立的傳感器或集成化的傳感器。單獨來看，前者在成本和功耗上都更有優(yōu)勢，不過從系統(tǒng)整體功耗上看，集成傳感器件不失為一種不錯的選擇。因為在集成傳感器件中，通常會將信號調(diào)理電路（如ADC）整合進去，將預(yù)處理后的信號通過SPI或I2C等數(shù)據(jù)接口直接傳給MCU，減少MCU數(shù)據(jù)處理的負荷。有些傳感器件還會集成信號處理電路，如一個低功耗的CPU核，構(gòu)成功能更完整的傳感器中樞，簡單的計算自己做，進一步減少對主MCU的“打擾”。這些策略都會對系統(tǒng)總體能耗的降低有幫助。

第三條：選擇合適的無線互連協(xié)議

影響物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品功耗的另一個重要因素就是無線互連功能。目前市場上有太多的無線互連協(xié)議可供選擇，從私有的Sub-GHz協(xié)議，到眾所周知的Wi-Fi、BLE、ZigBee等開放標準，以及近年來快速發(fā)展的低功耗廣域網(wǎng)LPWAN協(xié)議（如LoRa、Sigfox、NB-IoT等）。無線通信的功耗會與網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模、拓撲結(jié)構(gòu)、可靠性、數(shù)據(jù)吞吐量等因素相關(guān)。通常來說，拓撲結(jié)構(gòu)越復(fù)雜、數(shù)據(jù)吞吐量越大的網(wǎng)絡(luò)，功耗也會更大，比如：星形WiFi網(wǎng)絡(luò)要比點對點通信的Sub-GHz無線通信功耗要高很多；同樣采用ZigBee協(xié)議，星形網(wǎng)絡(luò)肯定比Mesh網(wǎng)絡(luò)能耗更低。

因此物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備無線互連協(xié)議的選擇與應(yīng)用場景關(guān)聯(lián)度極高，開發(fā)者需要從現(xiàn)實的需求以及未來的擴展性方面通盤考慮，確定適合的無線技術(shù)，在此基礎(chǔ)之上再選擇低功耗性能最優(yōu)的元器件。

第四條：選用耗電少的電源管理器件

電源管理器件是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中必不可少的部分。不論是選用LDO線性穩(wěn)壓器還是DC-DC轉(zhuǎn)化器，抑或是能夠提供多軌電壓輸出的PMIC，高效率是當然的首選特性。此外，與物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品配套的電源管理器件，特別在與能量收集技術(shù)相關(guān)的應(yīng)用中，自身還需要具備低靜態(tài)電流的特性——如TI等公司相關(guān)產(chǎn)品標稱的靜態(tài)電流值可達到300nA左右——盡可能降低設(shè)備的待機功耗。

第五條：做好安全性功耗預(yù)算

2016年10月網(wǎng)絡(luò)黑客劫持了攝像頭等大量物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備，向北美網(wǎng)絡(luò)發(fā)起了大規(guī)模DDoS攻擊，這再次提醒人們物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備端的安全問題不容忽視。而對物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備來說，增強安全功能也意味著更大的功耗，比如如果MCU的內(nèi)部或外部沒有配置加密硬件，加解密工作就不得不耗費MCU的計算資源，產(chǎn)生更多的功耗。使用更可靠的非對稱加密算法，與對稱加密算法相比也需要更多的功耗。因此安全性關(guān)聯(lián)的功耗預(yù)算，也是必須考量的部分。

將以上幾個因素串聯(lián)起來，我們才可以為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備端的功耗描繪出一幅完整的圖景。在此基礎(chǔ)之上，錙銖必較，精心雕琢出禁得住市場和用戶考研的低功耗產(chǎn)品。

表2，主要無線互連協(xié)議比較