基于STC單片機(jī)的超低功耗LoRa發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)

王先武，何純靜

（空軍通信士官學(xué)校，遼寧大連，116600）

1 STC單片機(jī)的低功耗模式

STC系列單片機(jī)工作電壓較寬，加密能力較強(qiáng)， 不需任何外圍器件，串口下載調(diào)試方便。片內(nèi)FLASH ROM、EEPROM、ADC、PWM、SPI、UART、時(shí)鐘、復(fù)位等資源豐富。本設(shè)計(jì)選用的STC15子系列支持的工作電壓范圍為5.5～3.8V，可與La-01射頻模組（典型工作電壓3.3V）相匹配，采用兩節(jié)電池（3V）供電。

STC系列單片機(jī)支持三種省電模式，分別是低速模式、空閑模式和掉電模式。其中的低速模式通過對(duì)主時(shí)鐘進(jìn)行分頻，降低時(shí)鐘頻率的方式實(shí)現(xiàn)，不常采用。這兩種方式常用于實(shí)現(xiàn)低功耗設(shè)計(jì)。

1.1 空閑模式

空閑模式是指主時(shí)鐘和CPU停止工作的狀態(tài)。此時(shí)外部中斷、外部低壓檢測(cè)電路、定時(shí)器、A/D轉(zhuǎn)換、串行口等仍正常運(yùn)行。在空閑模式下，RAM、堆棧指針（SP）、程序計(jì)數(shù)器（PC）、程序狀態(tài)字（PSW）、累加器（A）等寄存器都保持原有數(shù)據(jù)。I/O口保持著空閑模式被激活前那一刻的邏輯狀態(tài)，所有的外圍設(shè)備都能正常運(yùn)行。STC15系列單片機(jī)芯片手冊(cè)給出的空閑模式的靜態(tài)電流是1.8mA。

1.2 掉電模式

當(dāng)單片機(jī)進(jìn)入掉電模式時(shí)，外部晶振停振、CPU、定時(shí)器、串行口全部停止工作，只有外部中斷繼續(xù)工作。使單片機(jī)進(jìn)入休眠模式的指令將成為休眠前單片機(jī)執(zhí)行的最后一條指令，進(jìn)入休眠模式后，芯片中程序未涉及的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和特殊功能寄存器中的數(shù)據(jù)都將保持原值。

掉電模式可由外部中斷或者硬件復(fù)位等方式喚醒。需要注意的是，使用中斷喚醒單片機(jī)時(shí)，程序從原來停止處繼續(xù)運(yùn)行，當(dāng)使用硬件復(fù)位喚醒單片機(jī)時(shí)，程序?qū)念^開始執(zhí)行。STC15系列單片機(jī)芯片手冊(cè)給出的掉電模式的靜態(tài)電流為小于0.1μA，與實(shí)測(cè)值相當(dāng)。

1.3 低功耗設(shè)置

控制單片機(jī)進(jìn)入空閑模式和休眠模式的是電源管理寄存器PCON。這個(gè)寄存器的最低兩位IDL和PD分別用來設(shè)定是否使單片機(jī)進(jìn)入空閑模式和掉電模式。將IDL/PCON.0位置1，單片機(jī)進(jìn)入空閑(IDLE)模式。將PD/PCON.1位置1，單片機(jī)進(jìn)入掉電(Power Down)模式。

STC系列單片機(jī)的省電模式可通過外部中斷、CCP中斷、內(nèi)部掉電喚醒計(jì)時(shí)器、串口輸入等方式喚醒。本設(shè)計(jì)通過使發(fā)射機(jī)在短時(shí)發(fā)射后，即時(shí)進(jìn)入掉電模式的策略，最大程度地降低靜態(tài)功耗，并采用外部中斷方式喚醒，重新啟動(dòng)發(fā)射。

可將CPU從休眠模式喚醒的外部管腳有：外部中斷0、外部中斷1、定時(shí)器0、定時(shí)器1、RxD、PWM0/PCA0/P3.7、PWM2/PCA2/P2.0、PWM3/PCA3/P2.4。各中斷可獨(dú)立喚醒單片機(jī)。喚醒后，CPU將繼續(xù)執(zhí)行進(jìn)入空閑模式語句的下一條指令。外部RST引腳復(fù)位時(shí)，單片機(jī)也可喚醒，從用戶程序的0000H處開始正常工作。本機(jī)通過外部中斷1，以下降沿觸發(fā)方式實(shí)現(xiàn)喚醒。

2 LoRa射頻模組的低功耗模式

LoRa技術(shù)指的是SEMTECH公司的LoRa專利擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)。借助基于LoRa專利擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)的LoRa調(diào)制解調(diào)器，LoRa射頻芯片的靈敏度可達(dá)-148dBm，功率輸出可達(dá)+22dBm，具有超高靈敏度和極低功耗，同時(shí)具有良好的選擇性和抗阻塞特性，在解決通信距離與功耗的矛盾方面實(shí)現(xiàn)了突破。用于長距離通信，能夠最大限度降低系統(tǒng)中可移動(dòng)終端的功耗。

LoRa射頻芯片一般支持的工作頻率范圍為137～ 1020MHz，最大帶寬為500Kbps，支持的調(diào)制方式包括FSK/ MSK /OOK/LoRa，其中LoRa模式下的接收靈敏度最高可達(dá)-148dbm。

2.1 LoRa射頻芯片

LoRa射頻芯片主要分為節(jié)點(diǎn)芯片和網(wǎng)關(guān)芯片兩類。節(jié)點(diǎn)芯片包括SX127x/6x、SX128x和 LLCC68三個(gè)系列。其中LLCC68支持的速率較高，但傳輸距離較小，主要針對(duì)室內(nèi)定位等應(yīng)用。SX128x系列工作于2.4G頻段，與WiFi等的應(yīng)用場(chǎng)景類似。

SX127x/6x系列則面向長距離、低功耗應(yīng)用，可最大程度地發(fā)揮LoRa擴(kuò)頻技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。其中SX126x是SX127x的升級(jí)產(chǎn)品，其速率更高、功率更大、功耗更低、尺寸更小。兩代芯片可以互相通信，但二者軟件、硬件均不完全兼容，尤其是軟件代碼，需要較大修改才可實(shí)現(xiàn)移植。

網(wǎng)關(guān)芯片也可分為SX1301、SX1302兩個(gè)系列。其中1301（1308）為第一代，提供8個(gè)上行信道和1個(gè)下行信道。SX1302為第二代，提供16個(gè)上行信道（含8個(gè)模擬信道）和2個(gè)下行信道。

需要注意的是，SX1301本身并不具備射頻收發(fā)功能，所以一般還要外接一個(gè)以上SX1257（或SX1255）射頻前端芯片，共同構(gòu)成網(wǎng)關(guān)。

本設(shè)計(jì)采用SX1278芯片，其可在3.3V供電的條件下，實(shí)現(xiàn)最大+20dbm(100mW) 的輸出功率，此時(shí)的工作電流小于125mA。

2.2 LoRa射頻模組

本設(shè)計(jì)所采用的 LoRa模組（Ra-01）由安信可科技設(shè)計(jì)開發(fā)的純射頻模組。工作頻段 410MHz～525MHz，調(diào) 制 方 式 FSK、GFSK、MSK、GMSK、LoRa及 OOK，工作電壓為 3.3V，最大輸出功率+20dBm，最大工作電流為 125mA。接收狀態(tài)下具有低功耗特性，接收電流為 12.15mA，待機(jī)電流為 1.6mA，接收靈敏度優(yōu)于-140dBm。

該模組支持SPI 接口，半雙工方式，帶 CRC的256 字節(jié)的數(shù)據(jù)包引擎，采用小體積雙列郵票孔貼片封裝，帶屏蔽，焊接天線。

2.3 LoRa射頻模組的低功耗設(shè)置

LoRa射頻模塊的工作模式有8種，分別是休眠模式、待機(jī)模式、FSTx模式、FSRx模式、TX模式、RX鏈接模式、RX單一模式和CAD模式。通過變更RegOpMode寄存器的值，就可以在各種模式之間進(jìn)行切換。本機(jī)LoRa射頻單元的功耗高低主要與TX模式的工作電流和休眠模式下的靜態(tài)電流有關(guān)。

TX模式即發(fā)射模式。此模式激活后，射頻模塊先后打開發(fā)送所需要的各個(gè)單元，打開功率放大器（PA），發(fā)送數(shù)據(jù)包，發(fā)送結(jié)束后自動(dòng)切換回待機(jī)模式。SX1278射頻芯片最大功率發(fā)射時(shí)的電流約為125mA。

休眠模式為低功耗模式，在這種模式下，僅SPI和配置寄存器可以訪問，而LoRa FIFO則不能訪問。休眠模式下的工作電流小于0.1μA。

3 超低功耗LoRa發(fā)射機(jī)實(shí)現(xiàn)策略

LoRa終端的功耗決定于各單元的靜態(tài)功耗。降低功耗的策略主要是通過軟件編程，使各單元工作于第一時(shí)間進(jìn)入靜態(tài)功耗低的工作模式。其中，接收端的省電策略主要是CAD前導(dǎo)碼檢測(cè)、定時(shí)接收和短時(shí)窗口接收三種方式；發(fā)射端的省電策略是降低占空比，終端MCU通過“中斷+定時(shí)器超時(shí)”方式控制射頻模組，發(fā)射后即進(jìn)入掉電模式；收發(fā)一體終端則綜合運(yùn)用上述兩種省電策略。

3.1 工作模式優(yōu)化

LoRaWan推薦的LoRa終端工作模式共分為三種，第一種叫Class A，A可理解為All，是所有LoRaWAN節(jié)點(diǎn)都必須支持該工作方式。第二種叫Class B，B可理解為Beacon，周期性地接收數(shù)據(jù)。第三種叫Class C，C可理解為Continuously，Class C工作方式的節(jié)點(diǎn)幾乎是持續(xù)不斷地打開接收窗口。其中，功耗最低的是Class A模式，特點(diǎn)是一次啟動(dòng)工作流程包括一次發(fā)射和兩個(gè)接收窗口。然后進(jìn)入省電模式，直至兩次啟動(dòng)。

本文所實(shí)現(xiàn)的超低功耗LoRa發(fā)射機(jī)除了采用類似LoRaWan推薦的Class A類終端工作模式外，但根據(jù)工作場(chǎng)景需要，沒有開啟接收窗口，并對(duì)硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行了極限優(yōu)化，進(jìn)一步降低了功耗。

3.2 硬件設(shè)計(jì)優(yōu)化

典型的LoRa終端的應(yīng)用電路由射頻模組、LDO供電電路、主控MCU、輸入輸出電路以及電源濾波電容等組成。在典型電路在基礎(chǔ)上，本機(jī)主要進(jìn)行了以下幾方面優(yōu)化。

3.2.1 選用低功耗器件

首先是采用純射頻模組。純射頻模組的好處可自選主控MCU，且支持二次開發(fā)。其次是選用低功耗MCU。如前所述，STC單片機(jī)具有較低的掉電電流，同時(shí)還可根據(jù)需要，確定FLASH和片內(nèi)EEPROM空間，無需擴(kuò)展外部存儲(chǔ)設(shè)備，進(jìn)一步降低功耗。此外，還要選用優(yōu)質(zhì)電容，用于各單元電源濾波和退耦。

3.2.2 減少供電電路和外設(shè)器件

為進(jìn)一步降低功耗，可去除LDO供電電路，以3～3.7V電池供電；也可去除射頻模組側(cè)的電源濾波電容。本機(jī)的外部設(shè)備只有兩個(gè)功能指示燈和一只用于喚醒并啟動(dòng)發(fā)射的按鍵。優(yōu)化后的LoRa發(fā)射終端電路如圖1所示。

圖1 LoRa發(fā)射終端電路

3.3 軟件設(shè)計(jì)優(yōu)化

3.3.1 配置MCU端口

LoRa終端主控MCU的I/O端口模式需要進(jìn)行動(dòng)態(tài)切換。在MCU進(jìn)入低功耗時(shí)，應(yīng)將主控MCU的端口設(shè)置為省電模式；而在退出低功耗時(shí)，再將其配置成所需模式。一般來說，輸出和輸入端口應(yīng)分別配置成輸出上拉和輸入懸浮模式。

由于動(dòng)態(tài)切換需要一定時(shí)間，所以只適用于占空比較小的情況，不適合快速切換。復(fù)雜應(yīng)用開發(fā)還應(yīng)注意采用合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，便于通過修改數(shù)據(jù)來改變MCU端口模式。

本機(jī)涉及的P1和P3端口工作模式寄存器無需動(dòng)態(tài)切換，保持0X00即可。

3.3.2 進(jìn)入休眠或掉電模式

對(duì)于射頻單元，在進(jìn)入低功耗模式時(shí)，應(yīng)該確保LoRa芯片進(jìn)入休眠模式。如果忘記關(guān)閉RF開關(guān)，通常會(huì)有百微安量級(jí)的漏電。如果LoRa芯片采用有源晶振，需要拉低有源晶振的供電引腳。

對(duì)于主控MCU，則應(yīng)該關(guān)閉所有外設(shè)，包括串口、ADC、定時(shí)器等，然后再使MCU進(jìn)入掉電模式。

本機(jī)相關(guān)代碼及說明如下：

P11 =1;P34=0;//設(shè)置端口電平降低功耗

SX1276LoRaSetOpMode(Sleep_mode);//LoRa模組進(jìn)入休眠模式

PCON |= 0x02; //MCU進(jìn)入掉電模式

_nop_();_nop_(); //喚醒后,首先執(zhí)行此語句,然后再進(jìn)入中斷服務(wù)程序

進(jìn)入休眠或掉電模式，對(duì)降低功耗有不同的貢獻(xiàn)。以下給出了幾種情況下的實(shí)測(cè)結(jié)果。

圖2為靜態(tài)工作電流（LoRa模組及MCU均不休眠或掉電），其平均值為24.23 mA。

圖2 LoRa終端靜態(tài)工作電流（無休眠）

圖3 為LoRa模組進(jìn)入休眠模式時(shí)的工作電流，其平均值為19.85 mA，與無休眠相比降低4.38mA。

圖3 LoRa休眠狀態(tài)下的工作電流

圖4為MCU進(jìn)入掉電模式的工作電流，其平均值為11.77 mA，與無休眠相比降低12.46mA。

圖4 MCU休眠狀態(tài)下的工作電流

3.3.3 提高算法效率

在各種單片機(jī)控制系統(tǒng)中，MCU一般都要持續(xù)耗能。因此相應(yīng)的省電策略就是通過軟件設(shè)計(jì)優(yōu)化，使MCU盡早進(jìn)入省電模式。有效的做法是在發(fā)送完成后，直接令MCU進(jìn)入掉電模式。需要再次發(fā)射時(shí)，再通過外部中斷或RTC中斷實(shí)現(xiàn)喚醒。此外，對(duì)于CRC16計(jì)算等的代碼段要充分優(yōu)化，減少運(yùn)行時(shí)間。本機(jī)通過查表簡化了CRC16計(jì)算。

提高代碼效率可使整機(jī)工作電流顯著降低。圖5顯示MCU零代碼情況下的工作電流的9.33mA，與靜態(tài)工作電流24.23 mA相比，降低14.9mA。由于不同工程的代碼復(fù)雜度差異，提高代碼效率對(duì)靜態(tài)工作電流的貢獻(xiàn)也有較大差異。

圖5 MCU零代碼情況下的靜態(tài)工作電流

4 仿真計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果分析

4.1 系統(tǒng)廣播時(shí)間

系統(tǒng)的廣播時(shí)間（Time on Air，TOA）用Tpacket表示，可根據(jù)Semtech給出的公式計(jì)算。這里將其整合為以下兩式：

為了實(shí)現(xiàn)較高靈敏度并降低功耗，本機(jī)采用信號(hào)帶寬BW=125kHz，最小載荷 PL=3，最大擴(kuò)頻因子SF=12，隱式報(bào)頭IH=1，最快數(shù)據(jù)率 CR= 4/5，啟用檢驗(yàn)CRC=1，最短前導(dǎo)碼npreamble=2，并根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)開啟低速優(yōu)化DE=1。

由此計(jì)算得出的TOA為：

這與實(shí)測(cè)結(jié)果（使用EK850低功耗測(cè)試儀測(cè)量，發(fā)射機(jī)供電電壓為3V，下同）相接近（見圖1）。

其中，圖6 記錄了兩次發(fā)射過程。圖中峰值為115mA，對(duì)應(yīng)于發(fā)射電流。其持續(xù)時(shí)間對(duì)應(yīng)于系統(tǒng)的廣播時(shí)間Tpacket，實(shí)測(cè)值與理論值相近。最小電流為0.74μA，對(duì)應(yīng)于待機(jī)電流。

圖6 發(fā)射機(jī)實(shí)時(shí)功耗

4.2 平均功耗與待機(jī)時(shí)間

根據(jù)上述TOA計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果，按照最大發(fā)射功率為+20 dBm、發(fā)射頻度為每小時(shí)發(fā)射一次進(jìn)行仿真計(jì)算，得出的功耗如圖7所示。

圖7 發(fā)射機(jī)平均功耗

圖中給出的發(fā)射時(shí)工作電流為115mA（圖中藍(lán)線），每小時(shí)發(fā)射一次的平均電流為16.31μA（圖中紅線）。對(duì)于發(fā)射時(shí)長占比更低的系統(tǒng)，若按照每天發(fā)射一次測(cè)算，則可計(jì)算出平均工作電流為0.78μA（含MCU掉電電流0.1μA），低于電池的自放電電流。

系統(tǒng)的待機(jī)時(shí)間可根據(jù)電池容量和平均工作電流來測(cè)算。采用容量500mAh的堿性電池供電時(shí)，若每小時(shí)發(fā)射一次，系統(tǒng)的待機(jī)時(shí)間為3.10年。若每天發(fā)射一次，待機(jī)時(shí)間為77.94年。而按照每天發(fā)射一次的發(fā)射頻度和0.74μA的實(shí)測(cè)待機(jī)電流計(jì)算，系統(tǒng)的待機(jī)時(shí)間也超過了優(yōu)質(zhì)電池10年的保存期限。因此可以認(rèn)為，在這樣的使用頻度下，基本可以保證10年的待機(jī)時(shí)間。

5 結(jié)論

LoRa終端可以實(shí)現(xiàn)極低的靜態(tài)功耗。采用ST系列低功耗單片機(jī)加LoRa模組構(gòu)成的LoRa終端待機(jī)電流一般不低于3μA本機(jī)采用STC單片機(jī)加Ra-01模組構(gòu)成LoRa發(fā)射終端，工作于LoRaWan ClassA類終端模式以控制功耗，并通過對(duì)工作場(chǎng)景、硬件和軟件等的極限優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)一步降低靜態(tài)功耗，最終實(shí)現(xiàn)的靜態(tài)電流在1μA以下，從而使得LoRa終端的長時(shí)間工作甚至全生命周期免維護(hù)運(yùn)行成為可能。