基于FRAM技術(shù)的MSP430微控制器能量采集

對于很多人來說，第一次接觸能量采集可能是在早期使用太陽能便攜式計(jì)算器的時候，雖然如今這種類型的計(jì)算器已不再是主流，但是它所使用的技術(shù)和理念仍然應(yīng)用于我們的日常生活中。目前，我們在許多的應(yīng)用中都能看到能量采集的身影，例如傳感器節(jié)點(diǎn)、風(fēng)力渦輪機(jī)和室內(nèi)供能應(yīng)用等。不過，即使對于這項(xiàng)技術(shù)的討論較之前已經(jīng)有了很大的發(fā)展，當(dāng)涉及到能量采集時，開發(fā)人員仍然面臨著與數(shù)十年前一樣的挑戰(zhàn)。

為了在不帶來負(fù)面影響的情況下產(chǎn)生出所需的能量，通常需要一塊物理尺寸很大的太陽能板和一套巨大的熱能采集裝置，或者是通過設(shè)備發(fā)出不同頻率范圍的振動來獲得能量，而一切都是由所使用的系統(tǒng)決定。因此，在很多情況下，這個系統(tǒng)的成本甚至?xí)^取代傳統(tǒng)電源所帶來的優(yōu)勢。當(dāng)然，如果由于某些因素必須忽略這些限制的話，也會有例外的情況。例如，在電力線無法到達(dá)的偏遠(yuǎn)地區(qū)，風(fēng)能或太陽能采集可以為電池供電系統(tǒng)提供一個可行的替代能源，盡管這種方法的初始成本會比較高。

下面讓我們來看一看目前能量采集解決方案所面臨的幾個重大挑戰(zhàn)。

圖1—經(jīng)簡化的通用框圖

首先，通過上方的簡化通用框圖可以看到，這個系統(tǒng)由輸入和輸出組成，其中包括傳感器、按鈕、LED、顯示屏、發(fā)聲器以及目前越來越普遍的無線連通性。這個典型物聯(lián)網(wǎng)(IoT)架構(gòu)的邊緣節(jié)點(diǎn)可以通Wi-Fi®、Bluetooth®、NFC / RFID或是其它專有接口進(jìn)行通信。這些無線連接所需的電能低至數(shù)uA，而最高也只需要幾十或幾百mA，在數(shù)十毫秒的時間內(nèi)即可為相關(guān)的RF IC和子系統(tǒng)供電。

圖2—常見RF電能使用量圖表

在很多應(yīng)用中，設(shè)計(jì)人員希望將傳感器或其它數(shù)據(jù)存儲在非易失性存儲器中，因?yàn)榧词乖陔娏χ袛鄷r，也可以恢復(fù)采集到的數(shù)據(jù)。所以，諸如EEPROM或FLASH等現(xiàn)存的通用存儲器技術(shù)在這些能量受限的情況下并不總是最佳選擇。

幸運(yùn)的是，技術(shù)的發(fā)展方向正讓能量采集系統(tǒng)變得可行。其中一項(xiàng)技術(shù)集成就是TI的鐵電隨機(jī)訪問存儲器或FRAM微控制器(MCU)系列。FRAM技術(shù)將SRAM存儲器的很多優(yōu)勢結(jié)合在一起，而同時又具有FLASH存儲器的非易失性。一個關(guān)鍵優(yōu)勢就是超低功耗非易失性FRAM的寫入，與FLASH不同的是，這些寫入無需預(yù)擦除周期，從而節(jié)省了時間和電能。另外一個優(yōu)勢就是FRAM單元的固有低壓寫入，傳統(tǒng)閃存或EEPROM技術(shù)需要一個集成電荷泵來完成預(yù)擦除周期，而這通常需要5-10mA的電流，運(yùn)行時間則需要數(shù)百毫秒，在需要頻繁非易失性寫入的應(yīng)用中，這個額外的能耗會消耗可觀的電池電量或采集得來的能量。

購買一次性電池的開銷雖然不是很高，不過它們所造成的影響極其深遠(yuǎn)。全球每年新電池的銷售量在數(shù)十億節(jié)，而其中只有一小部分是可回收的，這就產(chǎn)生了大量的填埋垃圾。一次性電池的另外一個缺點(diǎn)就是，無論是電池本身或是整個系統(tǒng)，都需要在某些情況下的某個時刻進(jìn)行替換，而這就產(chǎn)生了潛在的挑戰(zhàn)。試想一下，如果電池被安裝在部署于海洋底部或山頂?shù)南到y(tǒng)中，我們應(yīng)該如何替換呢?事實(shí)上，電池更換的開銷可能非常巨大。雖然可充電電池能夠減少替換電池的數(shù)量，不過，就可充電電池本身而言，它們不一定會能夠解決電池更換所帶來的所有挑戰(zhàn)。當(dāng)我們使用能量采集對可充電電池進(jìn)行充電時，這些電池的確能夠帶來利益。

目前，太陽能、熱能、運(yùn)動能(振動或其它動力學(xué)效應(yīng))和RF等能源已經(jīng)被廣泛接受。其它能源也正處于開發(fā)過程中，例如有可能從人類血液中發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)采集能量，或者是從植物和樹木內(nèi)部的此類反應(yīng)中采集能量。

在理想情況下，這些能源將是綿延不斷的，不過實(shí)際情況并非如此。以太陽能采集裝置為例，飄動的云彩也許會遮住太陽光，而室內(nèi)設(shè)施的燈光也不可能永遠(yuǎn)開啟?；谡駝拥牟杉b置通常在一個共振頻率附近運(yùn)行，從而限制它們的運(yùn)行范圍，而熱能采集裝置會在無法保持合適的溫差時損失效率或完全停止運(yùn)行。歸根結(jié)底，我們不能依賴這個能源保持連續(xù)的7x24小時運(yùn)行，所以我們需要冗余結(jié)構(gòu)。在某些情況下，這個結(jié)構(gòu)有可能是第二采集能源或是一節(jié)可充電電池。即使是太陽能計(jì)算器都包含一塊CR2025電池，以便在辦公室光線較暗時作為太陽能的備用能源。

處理電力損耗成為一名能量采集節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)人員的主要考慮因素?，F(xiàn)代微控制器在通電時通過啟動順序運(yùn)行，這往往需要幾毫秒并且會消耗寶貴的電能。如果電力中斷，大多數(shù)微控制器需要重啟，并且在每次電力恢復(fù)時運(yùn)行這個啟動代碼。

FRAM存儲器本身是Compute Through Power Loss(CTPL)這款高度創(chuàng)新型軟件實(shí)用工具的使能器件。我們甚至可以將CTPL看成是一種非易失性中斷處理例程，在這個例程中，當(dāng)檢測到電力損耗時(通常使用一個比較器或ADC輸入)，關(guān)鍵參數(shù)和微控制器狀態(tài)就被保存至非易失性存儲器(NVM)。在出現(xiàn)電力中斷的情況下，F(xiàn)RAM所具有的優(yōu)勢將顯露無疑，因?yàn)樵O(shè)計(jì)人員可以直接從中斷的位置繼續(xù)工作而不是從頭開始。

憑借128KB FRAM MSP430? 微控制器的低成本MSP430FR6989 MCU Launchpad? 開發(fā)套件能夠進(jìn)行簡單演示。

通過將FRAM技術(shù)、Compute Through Power Loss代碼和Energy Harvesting BoosterPack? 插入式模塊組合在一起，我們?yōu)楹芏嗄芰坎杉瘋鞲衅鞴?jié)點(diǎn)打下了良好基礎(chǔ)。bq25570所提供的電源備妥信號可以作為Compute Through Power Loss激活的觸發(fā)信號，從而在電力中斷后節(jié)省了時間和寶貴的電能。