TI 微控制器（MCU）MSP430如何讓低功耗與高性能兼得

西北望msm66g9f 2019-12-17

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隨著現在和未來的產品變得越來越智能，我們發(fā)現需要處理的數據也日益增多,。為了收集這些數據,，廠商們部署了傳感器網絡來記錄多個位置的事件，并為眾多用例從不同的數據源收集許多不同類型的數據,。

通過檢測門窗打開等事件,，家庭安防傳感器能夠為居民們帶來安全感。工業(yè)泵上的傳感器發(fā)出的數據可以幫助工廠所有者及早檢測到警示信號,，從而防止出現故障并降低隨著時間的推移而產生的維護成本,。來自基于分布式網格的傳感器網絡的數據甚至可以用來應對地質事件，讓應急人員有更多的時間采取行動,。在大多數情況下,，必須將系統(tǒng)中記錄的這類數據發(fā)送給中央節(jié)點，用于處理,、分析和制定決策,。要維持這個恒定的數據流，需要耗費大量的能源和時間,。通過加入局部智能功能將單個傳感器轉換為智能傳感器節(jié)點,，便可借助更先進的局部處理或邊緣處理技術縮短整個系統(tǒng)的響應時間,，提高效率。

也可以將在系統(tǒng)邊緣執(zhí)行的推理計算傳達給中央節(jié)點,。這樣可以減少所需的無線傳輸次數,，并在發(fā)生關鍵系統(tǒng)事件時實時做出決策。例如,，當驅動系統(tǒng)內某個齒輪的輪齒出現磨損和斷裂時,，該系統(tǒng)的頻率特征即會發(fā)生變化。通過檢測并分析這些變化,，系統(tǒng)可以確定是否關閉電機,，直到能夠檢查電機并在必要時讓技術人員進行維修為止。如今,，這一智能功能通常作為低端數字信號處理器 (DSP) 或高性能微控制器 (MCU) 實施,。這兩種選項各有利弊，不過即便是低端 DSP,，通常也能輕松提供傳感器節(jié)點所需的性能,。很多低端 DSP 需要利用外部模數轉換器 (ADC) 或外部存儲器來收集和存儲數據。

這些額外的組件導致總應用成本和功耗的無謂開銷迅速增加,。如前所述,，考慮到很多樓宇的門窗數量數不勝數，家庭安防系統(tǒng)是一個很好的示例,。盡管添置多個昂貴的玻璃破碎檢測系統(tǒng)非常有用,，但很多消費者并不愿意為此買單。這些基于DSP 的系統(tǒng)利用快速傅里葉變換 (FFT) 來執(zhí)行聲音振動數據分析,，以確定窗戶是否破損,。此外，這些系統(tǒng)的功耗也相對較高,，因此除非每個傳感器都永久連接到電源,，否則需要定期更換電池。

而對于微控制器,，邊緣處理通常是一項挑戰(zhàn),，因為它們的計算能力非常薄弱。例如,，執(zhí)行通過 C 代碼實施的 FFT 時所花費的時間要比使用具有專用硬件外設的 DSP 長得多,。由于 MCU 較長時間內都在活動模式下運行,，此時間差值不但會造成效率低下,，更為重要的是，還可能導致在時間緊急的情況下無法及時得到結果,。

這一固有的時間間隔降低了物聯(lián)網 (IoT) 的可行性,，因為此概念以兩個理念為基石：

1. 中央樞紐能夠與所連接的數十億個設備通信并處理來自這些設備的數據

2. 所連接的設備足夠智能,，能夠提供簡單的最終用戶體驗

電池壽命也是一個關鍵的考慮因素，因為每天充電一次以上會導致消費者失去興趣,。如今,，通過允許便攜式設備只監(jiān)聽特定的代碼字或短語，以使系統(tǒng)能夠開始將數據傳輸到中央服務器進行高級分析,，并將分析結果回傳到所連接的設備,，這一問題已經解決。這是這些類型的高級處理應用常用的一種技術,，但電源的低效讓我們不得不考慮用戶可以接受的充電間隔是多長,。

根據具體的應用，每天充電一次是可以忍受的,，不過消費者明顯更喜歡充電一次即可連續(xù)使用一周甚至更久的解決方案,。我們再來考慮一下玻璃破碎檢測器和電機監(jiān)控器。在一家擁有數千個電機的大型工廠中,，哪怕每隔一周為電池充一次電也是一個不切實際的解決方案,。最終，將 MCU 的低功耗優(yōu)勢與DSP 的增強性能相結合,，可讓推理邊緣計算的智能程度和數據處理能力實現重大突破,。但這需要更先進的硬件。

老問題,，新辦法

想象一下,，如果 MCU 具備數字信號處理引擎和專用硬件加速器的某些預處理能力。這些 MCU 可以迅速喚醒以篩選數據或執(zhí)行 FFT,，但也可以在待機模式下利用比較器和ADC 來了解何時喚醒,。這樣不僅可在各種工業(yè)和消費性應用中獲得實時結果，還能降低系統(tǒng)功耗,，讓電池壽命達到數年之久,，而不是數天。

盡管如今的某些 MCU 支持多種 DSP 加速器,，但它們傾向于將中央處理單元 (CPU) 的能力發(fā)揮到極致,，這樣就導致會消耗大量的能源。MCU 中新加入的使能 DSP 協(xié)處理器（例如MSP430? MCU 平臺上引入的低功耗加速器 (LEA)）以節(jié)能和具有成本效益的方式提升了性能水平,，從而彌補了 MCU 與低端 DSP 之間的差距,。專用硬件中具有 LEA 模塊的 MCU 可執(zhí)行 DSP 功能，因此允許硬件進入低功耗模式,，從而降低系統(tǒng)總體功耗并執(zhí)行更復雜的推理計算,。這樣，應用將：

A.更多地處于低功耗模式下,，從而有效降低總體應用功耗,；或者B.專注于計算,，以提高應用的頻率。

C.允許應用執(zhí)行其他功能,，例如在 IoT 應用中與主節(jié)點進行無線通信,。

隨著時間的推移，為使互聯(lián)設備越來越普及,，特別是考慮到更加智能的 MCU 能夠以低成本,、高能效的方式讓互聯(lián)設備快速、方便地為用戶提供數據,，所有這些選項都變得至關重要,。

基于 FFT 的應用，沒有 LEA 模塊

基于 FFT 的應用,，使用 LEA 模塊

LEA 模塊是位于各個 MSP430 器件內的矢量數學引擎,。此模塊可執(zhí)行信號處理、矩陣乘法以及在應用程序運行時通常需要耗費大量時間和能源進行計算的其他運算,。LEA 模塊是一個低功耗協(xié)處理器,，在運行時無需任何 CPU 干預，可執(zhí)行運算并在執(zhí)行完功能后觸發(fā)中斷,。LEA 模塊基于在配置期間提供的命令運行,，這些命令根據配置用作內存輸入或輸出緩沖器和運算類型的指針。專門為 MSP430 MCU 打造并優(yōu)化的 MSP DSP 庫讓這些命令變得簡單易用,，能夠讓程序員實現所選 DSP 應用,。當器件上具有 LEA 模塊時，編譯器除了使用已實施的 MSP C 代碼優(yōu)化技術以外,，還會自動使用此模塊來優(yōu)化性能,。

具有 LEA 的 MSP430FR5994 MCU