嵌入式笔记：嵌入式系统中的电源管理与低功耗设计

本文最后更新于：2024年6月30日 晚上

嵌入式笔记：嵌入式系统中的电源管理与低功耗设计

引言

在嵌入式系统开发中，电源管理和低功耗设计是确保设备长时间稳定运行的关键。随着物联网设备和便携式电子产品的普及，低功耗设计变得尤为重要。本篇博客将详细介绍嵌入式系统中的电源管理策略、低功耗设计原则、具体的实现方法和实际应用实例，同时提供相应的业务代码示例，帮助读者更好地理解和应用这些技术。

1. 电源管理概述

1.1 电源管理的重要性

电源管理在嵌入式系统中起着至关重要的作用，主要体现在以下几个方面：

  • 延长电池寿命：对于电池供电的嵌入式设备来说，电源管理可以有效延长设备的运行时间。通过降低功耗，可以减少电池的放电速率，从而延长设备的使用寿命。
  • 降低能耗：减少系统的功耗不仅有助于环保，还能降低运营成本。特别是在大规模部署的物联网设备中，降低每个设备的功耗可以显著减少整体能耗。
  • 提高系统可靠性：通过合理的电源管理，可以减少热量产生，进而提高系统的稳定性和可靠性。过高的功耗会导致设备发热，从而影响系统性能和寿命。
  • 满足设计规范：许多嵌入式系统，特别是便携式设备，需要满足严格的功耗规范和标准。有效的电源管理有助于确保设备符合这些规范。

1.2 电源管理的主要策略

电源管理主要包括以下几种策略：

  • 动态电压与频率调节（DVFS）：通过调节处理器的电压和频率，达到降低功耗的目的。在处理器负载较轻时，可以降低频率和电压，以减少功耗。在处理器负载较重时，可以提高频率和电压，以提高性能。
  • 电源域控制：将系统划分为多个电源域，根据需要对不同电源域进行独立控制。例如，可以在不需要使用某个外设时关闭其电源域，以节省功耗。
  • 睡眠模式与待机模式：在不需要工作时，将系统置于低功耗的睡眠模式或待机模式。这些模式可以显著降低系统的功耗，但需要考虑唤醒时间和响应速度。
  • 硬件加速：利用硬件加速器执行特定任务，减少处理器负担，从而降低功耗。例如，使用专用的加密芯片进行加密运算，而不是使用通用处理器进行软件加密。
  • 高效电源转换：使用高效的电源转换器，如DCDC转换器，减少电能损耗，提高电源使用效率。
  • 电源监测与管理：通过实时监测电源使用情况，动态调整电源策略，以优化功耗。

2. 低功耗设计原则

低功耗设计需要从硬件和软件两个方面进行考虑。以下是一些常见的低功耗设计原则：

2.1 硬件设计原则

  • 选择低功耗器件：在硬件设计时，选择低功耗的微控制器、传感器和其他外设。例如，选择具有低功耗模式的微控制器、使用低功耗传感器等。
  • 优化电路设计：通过优化电路设计，减少电路中的能量损耗。例如，减少电路中的电阻和电感、优化PCB布局以减少信号干扰等。
  • 使用电源管理芯片：利用专用的电源管理芯片（PMIC）进行电源管理，提高系统效率。PMIC可以集成多种电源管理功能，如电源转换、充电管理、电池监测等。
  • 减少不必要的电源消耗：关闭或断电不使用的模块和外设，避免不必要的电源消耗。例如，在不需要使用显示屏时关闭其电源，在不需要使用无线通信模块时关闭其电源等。
  • 优化电源路径：确保电源路径的最小损耗，减少电源转换过程中的能量损耗。例如，选择高效的电源转换器，减少电源路径中的电阻和电感等。

2.2 软件设计原则

  • 减少处理器负载：通过优化代码，减少处理器的负载，降低功耗。例如，优化算法以提高执行效率，减少不必要的计算和操作等。
  • 利用低功耗模式：在不需要工作时，将处理器和外设置于低功耗模式。例如，在不需要处理任务时将处理器置于睡眠模式，在不需要使用某个外设时关闭其电源等。
  • 中断与事件驱动：采用中断和事件驱动机制，避免不必要的轮询操作，降低功耗。例如，使用中断机制来响应外部事件，而不是通过轮询机制来检测外部事件。
  • 减少内存访问：减少频繁的内存访问，以降低功耗。例如，将常用的数据保存在寄存器中，减少对外部存储器的访问等。
  • 优化任务调度：通过合理的任务调度，减少处理器的工作负载，提高系统效率。例如，合理安排任务的执行顺序，避免不必要的任务切换等。
  • 减少通信功耗：优化通信协议，减少通信过程中的功耗。例如，选择低功耗的无线通信协议，减少通信数据量和通信频率等。

3. 低功耗设计的实现方法

3.1 动态电压与频率调节（DVFS）

DVFS是一种通过调节处理器电压和频率来降低功耗的方法。在处理器负载较轻时，可以降低频率和电压，以减少功耗。在处理器负载较重时，可以提高频率和电压，以提高性能。以下是一个基于STM32微控制器的DVFS实现示例：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
#include "stm32f4xx.h"

// 初始化系统时钟
void SystemClock_Config(void) {
    // 配置系统时钟为100MHz
    RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct = {0};
    RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct = {0};

    RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSE;
    RCC_OscInitStruct.HSEState = RCC_HSE_ON;
    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_ON;
    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLSource = RCC_PLLSOURCE_HSE;
    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLM = 8;
    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLN = 400;
    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLP = RCC_PLLP_DIV4;
    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLQ = 7;
    if (HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct) != HAL_OK) {
        // 初始化错误处理
    }

    RCC_ClkInitStruct.ClockType = RCC_CLOCKTYPE_HCLK | RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK | RCC_CLOCKTYPE_PCLK1 | RCC_CLOCKTYPE_PCLK2;
    RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_PLLCLK;
    RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1;
    RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV2;
    RCC_ClkInitStruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1;
    if (HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_3) != HAL_OK) {
        // 初始化错误处理
    }
}

// 调整系统频率
void SetSystemFrequency(uint32_t frequency) {
    // 根据需求调整系统频率
    // 示例：设置系统频率为50MHz
    RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct = {0};
    RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct = {0};

    RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSE;
    RCC_OscInitStruct.HSEState = RCC_HSE_ON;
    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_ON;
    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLSource = RCC_PLLSOURCE_HSE;
    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLM = 8;
    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLN = 400;
    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLP = RCC_PLLP_DIV8; // 修改PLL倍频因子
    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLQ = 7;
    if (HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct) != HAL_OK) {
        // 初始化错误处理
    }

    RCC_ClkInitStruct.ClockType = RCC

_CLOCKTYPE_HCLK | RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK | RCC_CLOCKTYPE_PCLK1 | RCC_CLOCKTYPE_PCLK2;
    RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_PLLCLK;
    RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1;
    RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV2;
    RCC_ClkInitStruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1;
    if (HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_3) != HAL_OK) {
        // 初始化错误处理
    }
}

int main(void) {
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();

    // 设置系统频率为50MHz以降低功耗
    SetSystemFrequency(50000000);

    while (1) {
        // 主循环
    }
}

3.2 电源域控制

电源域控制是一种将系统划分为多个电源域，并根据需要对不同电源域进行独立控制的方法。在一些复杂的嵌入式系统中，可以通过电源域控制来管理不同模块的电源状态，从而实现低功耗设计。以下是一个基于TI的MSP430微控制器的电源域控制示例：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
#include "msp430.h"

// 初始化电源域
void PowerDomain_Init(void) {
    // 配置电源域
    // 示例：使能电源域1，禁用电源域2
    PMMCTL0_H = PMMPW_H; // 解锁PMM寄存器
    PMMCTL0_L = PMMPW_L; // 锁定PMM寄存器
    PMMCTL0 &= ~PMMPW;   // 禁用电源域2
    PMMCTL0 |= PMMPW;    // 使能电源域1
}

// 切换电源域状态
void PowerDomain_Switch(uint8_t domain, uint8_t state) {
    // 根据需求切换电源域状态
    if (domain == 1) {
        if (state == 1) {
            // 使能电源域1
            PMMCTL0_H = PMMPW_H; // 解锁PMM寄存器
            PMMCTL0_L = PMMPW_L; // 锁定PMM寄存器
            PMMCTL0 |= PMMPW;    // 使能电源域1
        } else {
            // 禁用电源域1
            PMMCTL0_H = PMMPW_H; // 解锁PMM寄存器
            PMMCTL0_L = PMMPW_L; // 锁定PMM寄存器
            PMMCTL0 &= ~PMMPW;   // 禁用电源域1
        }
    } else if (domain == 2) {
        if (state == 1) {
            // 使能电源域2
            PMMCTL0_H = PMMPW_H; // 解锁PMM寄存器
            PMMCTL0_L = PMMPW_L; // 锁定PMM寄存器
            PMMCTL0 |= PMMPW;    // 使能电源域2
        } else {
            // 禁用电源域2
            PMMCTL0_H = PMMPW_H; // 解锁PMM寄存器
            PMMCTL0_L = PMMPW_L; // 锁定PMM寄存器
            PMMCTL0 &= ~PMMPW;   // 禁用电源域2
        }
    }
}

int main(void) {
    WDTCTL = WDTPW | WDTHOLD; // 停止看门狗

    PowerDomain_Init();

    // 切换电源域状态
    PowerDomain_Switch(1, 1); // 使能电源域1
    PowerDomain_Switch(2, 0); // 禁用电源域2

    while (1) {
        // 主循环
    }
}

3.3 睡眠模式与待机模式

睡眠模式和待机模式是降低系统功耗的常用方法。当系统处于不活动状态时，可以进入睡眠模式或待机模式，以减少功耗。以下是一个基于AVR微控制器的睡眠模式示例：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
#include <avr/io.h>
#include <avr/sleep.h>
#include <avr/interrupt.h>

// 初始化睡眠模式
void SleepMode_Init(void) {
    // 配置睡眠模式
    set_sleep_mode(SLEEP_MODE_PWR_DOWN);
}

// 启用睡眠模式
void Enter_Sleep(void) {
    sleep_enable();
    sei();  // 使能中断
    sleep_cpu();  // 进入睡眠模式
    sleep_disable();
}

// 中断服务程序
ISR(INT0_vect) {
    // 处理中断
    // 在这里添加中断处理代码
}

int main(void) {
    // 配置外部中断
    EIMSK |= (1 << INT0);  // 使能外部中断0
    EICRA |= (1 << ISC01); // 配置中断触发方式（下降沿触发）

    SleepMode_Init();

    while (1) {
        Enter_Sleep();
    }
}

4. 实际应用实例

4.1 物联网设备

在物联网设备中，电源管理和低功耗设计尤为重要。物联网设备通常需要长时间运行，并且往往依赖电池供电。以下是一个物联网温湿度传感器的设计示例：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
#include <Wire.h>
#include <LowPower.h>
#include <DHT.h>

#define DHTPIN 2     // 传感器连接到的引脚
#define DHTTYPE DHT11   // DHT11 类型传感器

DHT dht(DHTPIN, DHTTYPE);

void setup() {
  Wire.begin();
  dht.begin();
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  // 读取温度和湿度
  float h = dht.readHumidity();
  float t = dht.readTemperature();

  // 打印温度和湿度
  Serial.print("Humidity: ");
  Serial.print(h);
  Serial.print(" %\t");
  Serial.print("Temperature: ");
  Serial.print(t);
  Serial.println(" *C");

  // 进入低功耗模式，睡眠8秒
  LowPower.powerDown(SLEEP_8S, ADC_OFF, BOD_OFF);
}

在这个示例中，传感器每8秒读取一次温度和湿度数据，然后进入低功耗模式，以节省电能。

4.2 便携式医疗设备

便携式医疗设备通常需要长时间运行，并且对功耗有严格要求。以下是一个便携式心率监测设备的设计示例：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
#include <Wire.h>
#include <LowPower.h>
#include <PulseSensor.h>

#define PULSE_PIN A0   // 心率传感器连接到的引脚

PulseSensor pulseSensor;

void setup() {
  Wire.begin();
  pulseSensor.analogInput(PULSE_PIN);
  pulseSensor.begin();
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  // 读取心率数据
  int myBPM = pulseSensor.getBeatsPerMinute();

  // 打印心率数据
  Serial.print("Heart rate: ");
  Serial.print(myBPM);
  Serial.println(" BPM");

  // 进入低功耗模式，睡眠8秒
  LowPower.powerDown(SLEEP_8S, ADC_OFF, BOD_OFF);
}

在这个示例中，设备每8秒读取一次心率数据，然后进入低功耗模式，以延长电池寿命。

4.3 智能家居设备

智能家居设备需要长期稳定运行，同时具备低功耗特性。以下是一个智能灯光控制设备的设计示例：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
#include <Wire.h>
#include <LowPower.h>
#include <IRremote.h>

#define RECV_PIN 11   // 红外接收器连接到的引脚

IRrecv irrecv(RECV_PIN);
decode_results results;

void setup() {
  Wire.begin();
  irrecv.enableIRIn(); // 启用红外接收器
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  // 检测红外信号
  if (irrecv.decode(&results)) {
    Serial.println(results.value, HEX);
    irrecv.resume(); // 接收下一个红外信号
  }

  // 进入低功耗模式，睡眠1秒
  LowPower.powerDown(SLEEP_1S, ADC_OFF, BOD_OFF);
}

在这个示例中，设备每秒检测一次红外信号，然后进入低功耗模式，以节省电能。

结论

电源管理和低功耗设计在嵌入式系统开发中具有重要意义。通过动态电压与频率调节、电源域控制、睡眠模式与待机模式等方法，可以有效降低系统功耗，延长电池寿命，提升系统可靠性。实际应用中，可以根据具体需求选择合适的电源管理策略和低功耗设计方法。希望本篇博客对你了解电源管理与低功耗设计有所帮助。如果你有任何问题或建议，请随时在评论区留言。

嵌入式笔记
#笔记 #嵌入式 #功耗
嵌入式笔记：嵌入式系统中的电源管理与低功耗设计
https://jinbilianshao.github.io/2023/09/20/嵌入式笔记：嵌入式系统中的功耗优化与低功耗设计策略/
作者
连思鑫
发布于
2023年9月20日
许可协议