TI 微控制器（MCU）MSP430如何让低功耗与高性能兼得

只看该作者 · 2020-12-30 16:01

随着现在和未来的产品变得越来越智能，我们发现需要处理的数据也日益增多。为了收集这些数据，厂商们部署了传感器网络来记录多个位置的事件，并为众多用例从不同的数据源收集许多不同类型的数据。

只看该作者 · 2020-12-30 16:04

通过检测门窗打开等事件，家庭安防传感器能够为居民们带来安全感。工业泵上的传感器发出的数据可以帮助工厂所有者及早检测到警示信号，从而防止出现故障并降低随着时间的推移而产生的维护成本。来自基于分布式网格的传感器网络的数据甚至可以用来应对地质事件，让应急人员有更多的时间采取行动。

只看该作者 · 2020-12-30 16:05

在大多数情况下，必须将系统中记录的这类数据发送给中央节点，用于处理、分析和制定决策。要维持这个恒定的数据流，需要耗费大量的能源和时间。通过加入局部智能功能将单个传感器转换为智能传感器节点，便可借助更先进的局部处理或边缘处理技术缩短整个系统的响应时间，提高效率。

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也可以将在系统边缘执行的推理计算传达给中央节点。这样可以减少所需的无线传输次数，并在发生关键系统事件时实时做出决策。例如，当驱动系统内某个齿轮的轮齿出现磨损和断裂时，该系统的频率特征即会发生变化。通过检测并分析这些变化，系统可以确定是否关闭电机，直到能够检查电机并在必要时让技术人员进行维修为止。如今，这一智能功能通常作为低端数字信号处理器 (DSP) 或高性能微控制器 (MCU) 实施。这两种选项各有利弊，不过即便是低端 DSP，通常也能轻松提供传感器节点所需的性能。很多低端 DSP 需要利用外部模数转换器 (ADC) 或外部存储器来收集和存储数据。

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这些额外的组件导致总应用成本和功耗的无谓开销迅速增加。如前所述，考虑到很多楼宇的门窗数量数不胜数，家庭安防系统是一个很好的示例。尽管添置多个昂贵的玻璃破碎检测系统非常有用，但很多消费者并不愿意为此买单。这些基于DSP 的系统利用快速傅里叶变换 (FFT) 来执行声音振动数据分析，以确定窗户是否破损。此外，这些系统的功耗也相对较高，因此除非每个传感器都永久连接到电源，否则需要定期更换电池。

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而对于微控制器，边缘处理通常是一项挑战，因为它们的计算能力非常薄弱。例如，执行通过 C 代码实施的 FFT 时所花费的时间要比使用具有专用硬件外设的 DSP 长得多。由于 MCU 较长时间内都在活动模式下运行，此时间差值不但会造成效率低下，更为重要的是，还可能导致在时间紧急的情况下无法及时得到结果。

只看该作者 · 2020-12-30 16:08

这一固有的时间间隔降低了物联网 (IoT) 的可行性，因为此概念以两个理念为基石：
1. 中央枢纽能够与所连接的数十亿个设备通信并处理来自这些设备的数据
2. 所连接的设备足够智能，能够提供简单的最终用户体验

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电池寿命也是一个关键的考虑因素，因为每天充电一次以上会导致消费者失去兴趣。如今，通过允许便携式设备只监听特定的代码字或短语，以使系统能够开始将数据传输到中央服务器进行高级分析，并将分析结果回传到所连接的设备，这一问题已经解决。这是这些类型的高级处理应用常用的一种技术，但电源的低效

让我们不得不考虑用户可以接受的充电间隔是多长。

只看该作者 · 2020-12-30 16:09

根据具体的应用，每天充电一次是可以忍受的，不过消费者明显更喜欢充电一次即可连续使用一周甚至更久的解决方案。我们再来考虑一下玻璃破碎检测器和电机监控器。在一家拥有数千个电机的大型工厂中，哪怕每隔一周为电池充一次电也是一个不切实际的解决方案。最终，将 MCU 的低功耗优势与DSP 的增强性能相结合，可让推理边缘计算的智能程度和数据处理能力实现重大突破。但这需要更先进的硬件。

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老问题，新办法
想象一下，如果 MCU 具备数字信号处理引擎和专用硬件加速器的某些预处理能力。这些 MCU 可以迅速唤醒以筛选数据或执行 FFT，但也可以在待机模式下利用比较器和ADC 来了解何时唤醒。这样不仅可在各种工业和消费性应用中获得实时结果，还能降低系统功耗，让电池寿命达到数年之久，而不是数天。

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尽管如今的某些 MCU 支持多种 DSP 加速器，但它们倾向于将中央处理单元 (CPU) 的能力发挥到极致，这样就导致会消耗大量的能源。MCU 中新加入的使能 DSP 协处理器（例如MSP430™ MCU 平台上引入的低功耗加速器 (LEA)）以节能和具有成本效益的方式提升了性能水平，从而弥补了 MCU 与低端 DSP 之间的差距。专用硬件中具有 LEA 模块的 MCU 可执行 DSP 功能，因此允许硬件进入低功耗模式，从而降低系统总体功耗并执行更复杂的推理计算。

只看该作者 · 2020-12-30 16:17

这样，应用将：
A.更多地处于低功耗模式下，从而有效降低总体应用功耗；或者B.专注于计算，以提高应用的频率。
C.允许应用执行其他功能，例如在 IoT 应用中与主节点进行无线通信。

只看该作者 · 2020-12-30 16:18

随着时间的推移，为使互联设备越来越普及，特别是考虑到更加智能的 MCU 能够以低成本、高能效的方式让互联设备快速、方便地为用户提供数据，所有这些选项都变得至关重要。

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LEA 模块是位于各个 MSP430 器件内的矢量数学引擎。此模块可执行信号处理、矩阵乘法以及在应用程序运行时通常需要耗费大量时间和能源进行计算的其他运算。LEA 模块是一个低功耗协处理器，在运行时无需任何 CPU 干预，可执行运算并在执行完功能后触发中断。LEA 模块基于在配置期间提供的命令运行，这些命令根据配置用作内存输入或输出缓冲器和运算类型的指针。专门为 MSP430 MCU 打造并优化的 MSP DSP 库让这些命令变得简单易用，能够让程序员实现所选 DSP 应用。当器件上具有 LEA 模块时，编译器除了使用已实施的 MSP C 代码优化技术以外，还会自动使用此模块来优化性能。

只看该作者 · 2020-12-30 16:25

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MSP430F599x 微控制器是采用这种新型 LEA模块外设的领先器件。这些高性能的 16 位 MCU 具有屡获殊荣的超低功耗架构、最大 256KB 的嵌入式铁电随机存取存储器 (FRAM) 以及多种灵活高效的外设，构成了一个适用于很多数字信号处理应用的绝佳 MCU 平台。

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MSP-EXP430FR5994 MCU LaunchPadTM 开发套件
作者：Dave Smith，德州仪器(TI)产品营销工程师、Evan Wakefield，德州仪器(TI)新产品应用工程师

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