? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 怎樣把LoRa模塊功耗降到極致

一.?? 引言

能耗對于電池供電的產(chǎn)品來說是一個重大的問題，一旦電能耗盡設(shè)備將“罷工”，在某些場合電能意味著電子產(chǎn)品的生命。物聯(lián)網(wǎng)時代將會有越來越多電池供電的設(shè)備通過無線通信連接，降低能耗再次擺在工程師的桌面上 ---- 解決它！

銳米 LoRaWAN?模塊(簡稱模塊) RNDU470LAS (http://www.rimelink.com/pd.jsp?id=22#_pp=2_306) 不但具備空曠環(huán)境傳輸 6km 以上的超長距離優(yōu)勢，還將休眠能耗降低到極致(0.4uA，帶RTC為1.4uA)。這是怎么做到的呢？接下來，一步一步解密。

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二.?? 硬件設(shè)計

1.???選用低功耗器件

模塊 MCU 選用 STM8L151C8T6，它屬于超低功耗，不帶RTC休眠為 400nA，帶 RTC 下休眠為 1.4uA。該 MCU 擁有較大的RAM(4KB) 和自帶 EEPROM(2KB)，不用擴展外部存儲設(shè)備，進一步降低功耗和成本。

終端射頻芯片選用 SX1278，在休眠模式下，該芯片功耗低至忽略不計。

2.???盡可能快地讓射頻模塊休眠

SX1278屬于LoRa TM擴頻調(diào)制技術(shù)，它的遠(yuǎn)距離優(yōu)勢得益于調(diào)制增益，不是靠增大發(fā)射功率(那將消耗更多電能)。該射頻芯片的電流消耗如下：休眠<0.2uA，空閑=1.6mA，接收=12mA，發(fā)射(最大功率)=120mA.

終端MCU通過“中斷+定時器超時”方式控制SX1278，一旦射頻完成發(fā)送或接收，立即進入休眠模式。

3.???了解MCU的工作模式與功耗

降低MCU的功耗首先盡可能少地開啟外設(shè)，其次盡可能地讓其休眠。我們一起看看STM8L151C8T6不同工作模式下功耗。更多信息請鏈接?http://blog.csdn.net/jiangjunjie_2005/article/details/47700597

模式	等待		低功耗運行	低功耗等待	主動停止	停止
入口	WFI	WFE	軟件代碼	軟件代碼+WFE	HALT	HALT
晶振	開	開	LSI或LSE	LSI或LSE	LSI或LSE	關(guān)
CPU	關(guān)	關(guān)	開	關(guān)	關(guān)	關(guān)
外設(shè)	開	開	開	開	關(guān)，僅RTC開	關(guān)
喚醒	所有內(nèi)部和外部中斷，復(fù)位	所有內(nèi)部和外部中斷，復(fù)位，喚醒事件	軟件代碼，復(fù)位	內(nèi)部和外部事件，復(fù)位	外部中斷，RTC中斷，復(fù)位	外部中斷，復(fù)位
電壓調(diào)節(jié)器	MVR	MVR	ULP	ULP	CLK_ICKCR	ULP
程序執(zhí)行區(qū)	FLASH	FLASH	RAM	RAM	FLASH	FLASH
FLASH+E2	開	開	關(guān)	關(guān)	關(guān)	關(guān)
中斷	允許	允許	禁止	禁止	允許	允許
中斷服務(wù)后 返回狀態(tài)	AL=0：main AL=1：WFI	WFE	/	/	AL=0：main AL=1主動停止	AL=0：main AL=1：停止
事件處理后 返回狀態(tài)	/	Main	/	低功耗運行	/	/
RAM+寄存器	保留	保留	保留	保留	保留	保留
@3V/25℃	5.9uA		5.4uA	3.3uA	1.4uA	0.4uA
特殊事項	/	/	禁止ADC	/	清除外設(shè)懸掛中斷標(biāo)志位

上述低功耗運行模式對于開發(fā)者來說有點多，尤其剛接觸STM8L處理器。我們需要一般性的指導(dǎo)原則，下表2是來源于實踐的經(jīng)驗。

節(jié)能要求	應(yīng)用場合	睡眠時長	喚醒方式	恢復(fù)時長	運行模式
苛刻	CPU空閑，等待外部信號喚醒	長	外部中斷	≥2.8us	HALT
苛刻	CPU空閑，等待時鐘周期喚醒	長	RTC周期	≥2.8us	Active-halt
嚴(yán)格	CPU有持續(xù)、微負(fù)荷任務(wù)運行	/	/	≥2.8us	低功耗運行
嚴(yán)格	CPU短暫等待中斷發(fā)生	短	任意中斷	短	等待中斷
嚴(yán)格	CPU短暫等待事件發(fā)生	短	注冊事件	短	等待事件
需要	CPU有持續(xù)、輕負(fù)荷任務(wù)運行	/	/	/	調(diào)整主頻

4.???靜態(tài)配置MCU引腳

即使MCU和RF都進入休眠模式，如果沒有設(shè)置好MCU引腳，它們照樣會“偷偷”地消耗電能。以STM8L151C8T6為例，它一共有48個引腳，首先需要用Excel對其進行分類，如下例所示：

序號	引腳	功能	上電初始化	進入低功耗
1	PA0	仿真口	Output push-pull, high level, 2MHz	/
3	PA2	NC	Output push-pull, low level, 2MHz	/
5	PA4	CON1	Output push-pull, high level, 2MHz	Input pull-up
6	PA5	CON2	Input floating, external interrupt	/
9	GND	/	/	/

一般說來可以將引腳分成5類，可以借鑒“地鐵顏色區(qū)別”方法，設(shè)計如下圖例：

圖例	特性	低功耗配置模式
	MCU輸入：輸入，浮動	Input floating, no external interrupt
	MCU輸出：輸入，上拉	Input pull-up, no external interrupt
	3.3V引腳：輸出，上拉，高電平	Output push-pull, high level, 2MHz
	未接引腳：輸出，上拉，低電平	Output push-pull, low level，2MHz
	MCU電源與地引腳	/

三. 軟件設(shè)計

1.???動態(tài)切換MCU引腳

有2類MCU引腳：MCU輸出和MCU輸入，它們需要動態(tài)進行配置。具體地說，在進入低功耗模式時，將其分別配置成：輸入上拉和輸入懸浮；在退出低功耗模式時，將其配置成定義的功能狀態(tài)。在動態(tài)切換時需要考慮2點：

首先，動態(tài)切換引腳是需要時間的，以STM8L151C8T6為例，動態(tài)切換5個引腳需要477us，可見它一般用于休眠這種較長周期的節(jié)能模式，不適合空閑停止這種短暫節(jié)能模式。

其次，在實際開發(fā)中引腳的連接是變化的，換句話說，今天這個引腳是空閑，下次產(chǎn)品升級該引腳可能設(shè)計成特定功能。為減少軟件維護成本，需要設(shè)計一種優(yōu)秀的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它能描述MCU所有引腳，如果引腳功能改變，只需要修改數(shù)據(jù)定義，而不需要修改程序。

2.???一旦無事可干，MCU立即停止或休眠

在LoRa終端系統(tǒng)中MCU是能源的持續(xù)消耗者，軟件設(shè)計需要考慮盡可能快地讓MCU節(jié)能，STM8L151C8T6有如下2種節(jié)能模式。

短暫等待：如等待RF發(fā)送數(shù)據(jù)幀完畢，MCU執(zhí)行WFI指令，一旦RF完成發(fā)送，中斷將MCU喚醒繼續(xù)運行；

長期等待：如等待下一次主動上報數(shù)據(jù)幀，MCU執(zhí)行HALT指令，當(dāng)指定時間到達(dá)時，RTC中斷將MCU喚醒繼續(xù)運行。

3.???采用高效率算法

軟件算法效率越高，MCU計算時間更少，可以更快進入低功耗，也就更節(jié)能。在終端設(shè)計中有2個算法比較消耗時間：

CRC16：無線傳輸易受干擾，一般通信幀需要添加CRC16檢測正確性，我們采用查表的方法減少CRC16的計算時間。下載源代碼請鏈接：

http://www.rimelink.com/nd.jsp?id=33&_np=105_315

計算空中傳輸時間：該時間對于組網(wǎng)算法十分重要，它包含較多的浮點運算。所幸的是，大部分?jǐn)?shù)據(jù)幀長度是固定的，可以提前計算好；對于變化長度的數(shù)據(jù)幀，可以采用“命中算法”來提高效率，即保存本次長度與時間的值，如果下次長度相同直接返回該時間值。下載源代碼請鏈接：

http://www.rimelink.com/nd.jsp?id=33&_np=105_315

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4.???Contiki操作系統(tǒng)下進程低功耗設(shè)計

終端支持 LoRaWAN 算法，內(nèi)嵌多種無線通信健壯性技術(shù)，智能解決：通信碰撞、微弱信號、外界干擾、斷網(wǎng)繼連等挑戰(zhàn)。這樣一來，必然帶來軟件復(fù)雜度。

使用成熟穩(wěn)定的已有軟件庫是人們解決軟件復(fù)雜度的有效方法，因此，我們引入高效強大的Contiki物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)。

?這樣一來，終端系統(tǒng)低功耗設(shè)計需要兼顧：MCU運行模式、外設(shè)中斷、ContikiOS和進程。

上圖展示了系統(tǒng)低功耗設(shè)計的時序邏輯。我們看到一個基本的思想：當(dāng)所有的進程“同意休眠”，空閑時ContikiOS執(zhí)行HALT命令使MCU進入休眠狀態(tài)；當(dāng)RTC或EXT中斷喚醒MCU時，對應(yīng)的進程處理該邏輯，完成后“同意休眠”。

這種設(shè)計保證了系統(tǒng)只有一個HALT入口，同時復(fù)雜的邏輯交給不同的進程處理，降低了設(shè)計的復(fù)雜度。

為檢測是否“所有進程同意休眠”，我們設(shè)計了如下圖的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

數(shù)據(jù)AgrHalt的位寬與進程數(shù)目綁定，因此使用typedef定義該數(shù)據(jù)類型。

當(dāng)AgrHalt==0時，說明“所有進程同意休眠”，一旦ContikiOS進入空閑狀態(tài)，它將調(diào)用HALT()命令，使MCU進入Active-HALT狀態(tài)；

當(dāng)AgrHalt != 0時，說明“某進程還有活要干”，此時ContikiOS進入空閑狀態(tài)后，它調(diào)用WFI()命令，使MCU進入WFI狀態(tài)。

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5.? ?產(chǎn)品超低功耗實測

下圖是銳米 LoRaWAN?節(jié)點休眠功耗的實測，請參考《ArduinoLoRa 休眠極限 1.4uA》??https://blog.csdn.net/jiangjunjie_2005/article/details/103685860

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的怎样把LoRa模块功耗降到极致的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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