[经验分享] RSL10的低功耗模式

cruelfox 2021-6-28 00:36 楼主

　　使用BLE的MCU，要想尽量减小电能消耗，必然要使用低功耗模式。因为BLE的无线收发电路工作电流是最大的，但是一般在应用时候工作的时间很短，其余时候处于关闭状态。于是当CPU不需要活动的时候，就要尽可能减小CPU、总线、RAM等常规部件的电流，主要通过关闭相关的时钟。然后，当需要无线功能工作的时候，由定时器将系统唤醒。

　　RSL10有两种低功耗模式：Standby 和 Sleep. 注意！这跟常见的MCU比如STM32里面的用词不一样（对于STM32，Sleep模式指CPU用WFE/WFI指令进入空闲状态；Standby模式是只有极少数模块能活动的模式）。对于RSL10, ARM Cortex-m3 CPU用WFI指令的空闲状态并没有给出特定名称，这是默认就使用了的。Standby模式和Sleep模式都要使用 BLE_Power_Mode_Enter() 函数来进入，当系统有事件触发时，将被唤醒然后继续执行。Standby 模式下RSL10工作电流大约是 30uA. 而 Sleep 模式下就只有不到一个uA了。Sleep 模式才是RSL10最省电的模式。

　　大赛提供的 QFN EVB (有Arduino接口那个) 有单独的电流测试跳线，可以测出RSL10实际的电流。SENSE-GEVB 小圆板，因为上面带了很多传感器，所有传感器的待机电流就大约20uA了，会拖累整个系统的功耗。COIN-GEVB 小圆板，带了一个温度传感器，其待机电流在 2uA 左右，也比 RSL10 的最低电流大。

　　如果要保持 BLE 连接（处于CONNECTED状态下），或者持续广播（ADVERTISING状态），Standby模式和Sleep模式都需要靠 baseband timer 唤醒——这个是自动设置的，我们写(或改)程序也不用管。此外，还可以用 Kernel 分配的 Timer 来指定一个时间之后唤醒，做任何想做的事情；还可以用某些GPIO引脚唤醒功能，借助外部电路唤醒。

　　Sleep 模式虽然电流可以降到最低，但是因为绝大部分硬件都掉电了，唤醒之后要重新初始化，所以延迟大；初始化时候也要消耗电力，是额外开销。

　　因为唤醒后短时的电流会比较大，特别是无线部分工作的时候，没有专门的工具是不好测量这个电流的。我为了测试平均电流，就用了一只2200uF的电解电容并联在板子(COIN-GEVB)的电源端，然后电源经过串接数字万用表(uA档)和电阻(可以接电压表、示波器)接上去。经过电容储能，将短时的大电流分散，万用表就能测得差不多了。

　　以下是 COIN-GEVB 板子，3.3V电源，Sleep 模式电流测试，包含了温度传感器的2uA贡献。

　　实测，COIN-GEVB 在 1.5秒的间隔下广播，平均工作电流 8.8uA. 比想象的高一点儿。

　　作为从设备，在连接状态下，连接间隔 0.5秒时，平均工作电流 13.3uA.

　　使用了 400ms 的 Kernel Timer 间歇唤醒之后，1.5秒广播模式和0.5秒间隔的连接模式，平均电流分别是 15.1uA 和 20.9uA. 因为唤醒多了，电流消耗增加。

　　我的项目要使用加速度传感器做连续的运动检测，原先设想的是直接用 SENSE-GEVB，现成的BHI160. 然而这货太高级了，自己带CPU，耗电也大（测demo就知道了）。我后来就放弃它了，用了 COIN 板子，外接了一个从废手环上拆的 ROHM KX023, I2C接口。按照 50Hz 的数据转换速率（不能再低了），因为KX023内部最多缓存41个采样，必须最长每隔0.8秒访问一次加速度计，把数据取走。KX023 在 50Hz 数据率下电流大约 11uA. 和 RSL10 是在同一个量级。

　　在 1.5秒间隔广播模式下，并且每 400ms 唤醒读取 KX023 的数据，整个系统电流达到了 40.5uA. 对比前值，增加部分除了 KX023 本身的电流，还有 I2C 访问期间系统的电力消耗。因为 I2C 读写时候，RSL10 需要等待，故提高 I2C 的频率以缩短操作时间是可以节省电力的。因为 KX023 是支持 3.4MHz I2C 的，应当支持1MHz 的 Fast-mode plus. 我把 SCL 频率从 500kHz 提升到 1.05MHz，系统电流改善到了 32.8uA.