描述

這是一個(gè)舊項(xiàng)目的延續(xù)，該項(xiàng)目完成了溫度傳感器程序的基本設(shè)計(jì)，該程序?qū)?dāng)前空氣溫度顯示在電子墨水顯示屏上。如果你還沒(méi)有，我建議你回去看看。

第 2 部分側(cè)重于功率計(jì)算和節(jié)省。如第 1 部分所述，如果該項(xiàng)目要過(guò)渡到可穿戴設(shè)備，我需要確保我的電池管理效率很高。我想用 3V、320mAH 的紐扣電池長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行整個(gè)設(shè)備。為了實(shí)現(xiàn)合理的電池壽命，我必須實(shí)現(xiàn)一些內(nèi)置的省電技術(shù)。

功率測(cè)量

為了測(cè)量每個(gè)組件的功耗，我決定使用具有高增益的電流檢測(cè)放大器 (CSA)。我發(fā)現(xiàn) MAX9922 評(píng)估套件非常適合此應(yīng)用。我將感測(cè)電阻器從 0.1 歐姆更換為 1 歐姆。如果您不熟悉電流檢測(cè)放大器，基本概念是該檢測(cè)電阻上的電壓降將乘以增益（在本例中為 250），然后可以測(cè)量放大的輸出。通過(guò)增加檢測(cè)電阻，我實(shí)質(zhì)上縮小了該放大器的整體范圍，同時(shí)提高了輸出精度。我可以測(cè)量的最大電流僅為 11 mA，而不是使用 0.1 歐姆電阻器時(shí)的 110 mA。雖然精度急劇增加，因?yàn)楝F(xiàn)在 40 微安的變化將導(dǎo)致 10mV 的電壓增益，而不是 1mV。因?yàn)槲抑?a target='_blank' class='arckwlink_none'>微控制器最大只能拉大約 8 mA，所以我想盡可能精確。

由于我們正在測(cè)量電壓變化，我們可以將 CSA 的輸出連接到示波器并查看電流消耗模式，而不僅僅是像 DMM 上的瞬時(shí)值。這將使我們能夠檢測(cè)電流消耗的模式，并真正可視化這些節(jié)能技術(shù)。

值得一提的是，我的測(cè)量值以 mA 為單位。由于我知道每個(gè)組件上運(yùn)行的電流和電壓，我可以通過(guò) P = I * V 輕松計(jì)算功率。以下部分將逐個(gè)介紹每個(gè)組件并展示代碼優(yōu)化前后的電流消耗趨勢(shì)。最終（定量）結(jié)果可以在本文底部找到。

屏幕啟用

這些技術(shù)中的第一個(gè)是在不使用電子墨水的板載芯片時(shí)禁用它。芯片本身在轉(zhuǎn)換屏幕方面非常有用，但它也帶有一些我不想使用的額外功能。其中一項(xiàng)功能是輸出到“3V3”引腳的 LDO。我不需要調(diào)節(jié)的 3.3V 輸出，所以我想確保它盡可能長(zhǎng)時(shí)間處于非活動(dòng)狀態(tài)。

還有一個(gè)板載 SRAM 模塊，我選擇不使用。一旦芯片的使能引腳變?yōu)榈碗娖?，?SRAM 就會(huì)丟失其所有內(nèi)存，并且在處于活動(dòng)模式時(shí)會(huì)消耗相當(dāng)多的電流。我發(fā)現(xiàn) MAX32660 有足夠的內(nèi)存來(lái)容納多個(gè)完整的屏幕，因此屏幕模塊上不需要額外的內(nèi)存。

無(wú)需修改代碼，電流消耗遵循以下模式：

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電子墨水顯示電流消耗（始終有效）

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屏幕轉(zhuǎn)換時(shí)會(huì)出現(xiàn)較大的峰值，但在靜止期間消耗相對(duì)較低。為了禁用芯片并將屏幕設(shè)置為睡眠模式，請(qǐng)?jiān)谄聊徊皇褂脮r(shí)將啟用引腳（“EN”）設(shè)置為低電平。

這里你要小心一點(diǎn)，因?yàn)樵凇皍pdateScreen();”之后屏幕實(shí)際上還在轉(zhuǎn)換。命令被發(fā)送。在禁用啟用之前，我為此功能設(shè)置了延遲，以確保屏幕在切斷電源之前完成轉(zhuǎn)換。在屏幕轉(zhuǎn)換之間啟用設(shè)置較低時(shí)，新的電流消耗趨勢(shì)如下所示：

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電子墨水顯示電流消耗（過(guò)渡期間激活）

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通過(guò)在轉(zhuǎn)換之間禁用啟用，靜態(tài)電流消耗顯著下降。由于沒(méi)有使用 SRAM，并且在停機(jī)期間沒(méi)有更新屏幕，因此除了當(dāng)前節(jié)省之外沒(méi)有其他后果。您可以輕松地看到使能設(shè)置回活動(dòng)的點(diǎn)，并且屏幕開(kāi)始轉(zhuǎn)換。

溫度傳感器一鍵式

MAX30205人體溫度傳感器內(nèi)置低功耗模式。我可以發(fā)送一次性信號(hào)，而不是進(jìn)行連續(xù)的溫度測(cè)量。該信號(hào)將告訴傳感器記錄一個(gè)溫度讀數(shù)，將其存儲(chǔ)在溫度寄存器中，然后返回低功耗模式。我可以在需要轉(zhuǎn)換屏幕之前發(fā)送此信號(hào)，并盡可能長(zhǎng)時(shí)間地將傳感器保持在低功耗模式。

在不使用一次性功能的情況下，我當(dāng)前的消耗情況如下：

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溫度傳感器電流消耗（始終有效）

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傳感器始終處于活動(dòng)狀態(tài)，并持續(xù)測(cè)量溫度，無(wú)論微控制器是否讀取它。只需快速更改為使用這種一次性方法，我的新消費(fèi)模式就會(huì)更改為：

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溫度傳感器電流消耗（在溫度讀數(shù)期間有效）

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如您所見(jiàn)，平均電流消耗急劇下降。唯一保持活動(dòng)狀態(tài)的組件是指定的存儲(chǔ)單元、實(shí)時(shí)時(shí)鐘和喚醒定時(shí)器，以及電源排序邏輯。所有其他組件都已關(guān)閉，微型計(jì)算機(jī)基本上處于休眠狀態(tài)。

在這個(gè)項(xiàng)目中，我只需要實(shí)時(shí)時(shí)鐘和喚醒定時(shí)器，以及保持活躍的內(nèi)存。這樣，我可以在預(yù)定時(shí)間后喚醒系統(tǒng)，我所有的屏幕數(shù)據(jù)都將保存在內(nèi)存中。

在沒(méi)有啟用深度睡眠的情況下，我觀??察到了這種電流消耗特性：

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微控制器電流消耗（始終有效）

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控制器始終處于開(kāi)啟狀態(tài)，盡管它已準(zhǔn)備好從傳感器讀取數(shù)據(jù)并更新屏幕，但它僅每 10 秒更新一次。通過(guò)啟用深度睡眠功能并關(guān)閉所有不必要的組件，新特性如下所示：

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微控制器電流消耗（屏幕轉(zhuǎn)換期間激活 + 溫度讀數(shù)）

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節(jié)省的成本在控制器的占空比中清楚地顯示出來(lái)。當(dāng)沒(méi)有進(jìn)行測(cè)量并且屏幕沒(méi)有更新時(shí)，微控制器應(yīng)該處于可能的最低功耗狀態(tài)。睡眠周期可以輕松配置為用戶需要的長(zhǎng)短，也可以通過(guò) GPIO 信號(hào)啟用，而不是 RTC。

最終結(jié)果

在測(cè)量每個(gè)組件的電流消耗時(shí)，我決定取每個(gè)周期的平均電流消耗。使用這些信息，我可以根據(jù)屏幕更新之間的時(shí)間推斷電池應(yīng)該持續(xù)多長(zhǎng)時(shí)間。等待時(shí)間越長(zhǎng)，省電越多。消費(fèi)結(jié)果如下圖：

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當(dāng)前消費(fèi)結(jié)果

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然后，我將這些結(jié)果與 3V、320 mAH 紐扣電池相關(guān)聯(lián)。該表在技術(shù)上仍然不完整，因?yàn)槲倚枰獙?shí)現(xiàn)電源管理系統(tǒng)來(lái)為每個(gè)組件供電，但結(jié)果可以更深入地了解我們可以實(shí)現(xiàn)多少節(jié)省。

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基于更新屏幕更新時(shí)間的電池壽命

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可能的應(yīng)用和未來(lái)的工作

雖然系統(tǒng)尚未完全完成，但低功耗特性幾乎可以應(yīng)用于任何其他項(xiàng)目。任何不需要持續(xù)計(jì)算或溫度讀數(shù)的應(yīng)用都可以通過(guò)將微控制器置于深度睡眠模式來(lái)節(jié)省功耗。

在設(shè)計(jì)項(xiàng)目時(shí)，我想到了一個(gè)新生兒溫度傳感器。監(jiān)測(cè)嬰兒的體溫很重要，但不一定需要持續(xù)監(jiān)測(cè)。如今，大多數(shù)測(cè)量體溫的現(xiàn)代手表和其他可穿戴設(shè)備每隔幾秒測(cè)量一次，并持續(xù)記錄數(shù)據(jù)。這對(duì)于可能會(huì)在短時(shí)間內(nèi)看到溫度大幅波動(dòng)的用戶很有用，例如在寒冷的日子不穿夾克外出或鍛煉身體。然而，在嬰兒體溫的情況下，他們的環(huán)境不會(huì)發(fā)生劇烈變化。孩子的父母或監(jiān)護(hù)人很可能會(huì)采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣?lái)確保嬰兒穿著合適的衣服。在此應(yīng)用中，很可能每 5 分鐘測(cè)量一次溫度，

該項(xiàng)目合乎邏輯的下一步是移除電子墨水顯示屏，并用某種形式的無(wú)線通信（很可能是藍(lán)牙）取而代之，以便在溫度波動(dòng)較大時(shí)向父母或監(jiān)護(hù)人發(fā)出警報(bào)。這種修改還將使設(shè)備更小，這在可穿戴設(shè)備方面總是可取的。

其他可能的應(yīng)用可能是用于進(jìn)行定期測(cè)量的天氣傳感器。如果設(shè)置時(shí)間較長(zhǎng)，或者系統(tǒng)設(shè)置后難以訪問(wèn)，則可用于任何延遲啟動(dòng)應(yīng)用程序。在不損失周期性應(yīng)用的功能的情況下，將控制器置于深度睡眠模式非常有意義。

這些只是應(yīng)用程序的一些想法，顯然還有更多我沒(méi)有提到的用例。我希望你喜歡這些文章，并且你對(duì)這些很棒的功能有一些新的創(chuàng)造性用途。快樂(lè)黑客！