超低功耗無線MCU的設計及應用

為滿足家居自動化和儀表對能效的需求，Silicon Laboratories (芯科實驗室有限公司，簡稱Silicon Labs)日前宣布推出業界最低功耗單芯片無線微控制器（MCU）。 Silicon Labs新推出的超低功耗Si10xx無線MCU（Si1000/1/2/3/4/5,Si1010/1/2/3/4/5）系列產品能充分滿足電池供電家居自動化系統、智能儀表、室內監測和安全系統對于功耗和RF的需求。

Si10xx系列產品在5mm×7mm大小的封裝內，集成了高性能、超低功耗的CIP-51TM內核8位單片機 C8051F9XX ，以及Silicon Labs固有的 EZRadioPRO 系列RF收發器,僅需要少量外圍元件及PCB面積就能組成高性能無線收發系統。其MCU包含高達25MIPS的處理器，64kB的Flash，低功耗電源處理模塊，豐富的數字外設如SPI、SMBUS、UART總線，PCA輸出陣列，多組定時器，以及模擬外設如具有300KSPS采樣速度的10位ADC模塊、溫度傳感器、比較器等等。而RF部分最高20DBM的發射功率，-121DBm的靈敏度，使系統擁有了高達的141DB 鏈路預算，從而達到了比同類產品幾倍的有效工作距離?？梢哉f，Si10xx系列產品提供了目前業界最高性能的單芯片無線MCU解決方案

高性能、資源豐富的MCU

Si10xx家族產品內建了低功耗混合信號片上系統型的MCU。具有優異的性能、豐富的資源及外設。見圖FIGURE1.1? 主要特性如下：

■單節/雙節電操作，內建DC-DC升壓型轉換器
■高速、流水線結構的與8051兼容的微控制器核（可達25MIPS）
■全速、非侵入式的在系統調試接口（片內）
■真10位、300ksps、23通道單端ADC，帶模擬多路器
■6位可編程電流基準
■高精度可編程的24.5MHz內部振蕩器（使用擴頻技術）
■64KB或32KB的片內FLASH存儲器
■4352字節片內RAM
■硬件實現的SMBus/I2C、增強型UART和兩個SPI串行接口
■4個通用的16位定時器
■具有6個捕捉/比較模塊和看門狗定時器功能的可編程計數器/定時器陣列（PCA）
■硬件實時時鐘（smaRTClock），工作電壓可低至0.9V
■硬件CRC引擎
■片內上電復位、VDD監視器和溫度傳感器

該MCU FLASH存儲器具有在系統重新編程能力，可用于非易失性數據存儲，并允許現場更新8051固件。用戶軟件對外設具有完全的控制，可以關斷任何外設以節省功耗。片內C2開發接口允許使用安裝在最終應用系統上的產品MCU進行非入侵式、全速、在系統調試，能夠在工業溫度范圍內用0.9~1.8V或者1.8~3.6V工作（即單節或者兩節 AAA電池）。



領先的RF收發系統

Si10xx家族產品同時集成了EZRadioPRO 系列RF收發器，擁有很寬的工作頻率范圍， 高靈敏度，多種調制方式，輸出功率大且可以很方便編程調節，發射功耗非常低,傳輸速率高,有141DB的LINK BUDGET 為業界領先！

>頻率范圍：240－960MHZ
>靈敏度：－121dBm
>FSK ,GFSK 和OOK
>20dBm(Si1010/1) (不需要外加PA ) ,+13 dBm(Si1012/3/4/5)
>18mA@+1dBm
>85mA@+20dBm
>Date rate =256kbps

為什么能夠超低功耗工作

該芯片由兩部部分組成，超低功耗MCU和射頻發射功耗低，是此芯片能超低功耗工作的根本原因，MCU 超低功耗的主要原因是：MCU供電是由DC-DC 和LDO組成供電系統MCU供電，這個系統有兩個好處，第一，它能實現單電池供電，可以節省一個電池出來，并聯給MCU供電，降低電池成本；第二，假設是雙電池供電，和市面上典型的其他低功耗MCU比較起來，它就有更大優勢，根據



在正常工作模式下，在F,C恒定時，我們給MCU供電電壓是電池電壓一半，此時功耗為市面上典型的其他低功耗MCU四分之一，除去DC-DC（效率比競爭對手效高25％）和LDO 上小部分功率消耗，總功率消耗比市面上的低功耗MCU 還要低很多，大大延長電池壽命，電池成本減少到原來的五分之一，而且MCU處于恒定供電電壓,在休眠狀態下，DC-DC能被關掉！以下為供電示意圖和市面上典型低功耗MCU功耗對比圖。

CMOS M U C供電圖

市面上典型的MCU 與 silicon-labs si10XX （集成F9XX MCU）功耗對比圖

MCU 超低功耗的另個一個原因：喚醒時間短，只需2us ! 另外內置低功耗的smaRTClock, 射頻發射電流非常低，在18mA@+1dBm。 故內核為C8051F9XX的silicon-si10XX比業界低功耗的XXMSP430X 功耗低了很多，以下是它們兩個之間的比較：



為什么選擇SI10XX產品

可以從以下幾個方面考慮：

■芯片功耗非常低；
■高性能無線收發系統；
■高精度的ADC(內建溫度傳感器)；
■內部有一個極低功耗32位smaRTClock 外設（實時時鐘），可以直接用0.9-3.6V的電池電壓工作，即使在器件進入最低功耗的掉電方式仍然能正常工作；
■應用電路簡單，外圍元件非常少，大大節省PCB面積，降低產品成本，下圖為電路參考設計圖。



應用領域



主要應用于上圖所示的四大領域：

■智能能源和控制: 能量監控,燈控,通道控制
■安全方面:安全面板,PIR /運動檢測 ,門窗傳感器
■測量方面:油,水測量,居家顯示,熱能管理。
■汽車電子 ：車庫門,遙控車鑰匙,TPMS 接收器

技術支持

為了提高采用Si10xx無線MCU進行智能家居與智能儀表產品開發的效率，Silicon Labs公司為MCU與系統設計、RF設計與優化，以及網絡軟件設計提供了豐富的軟硬件開發工具。這些工具包括：

■Si1000-DK和Si1010-DK開發套件
■用于EZRadioPRO無線產品的SDBC-DK3開發平臺
■無線開發套件（WDS），一套綜合性的工具軟件。利用它，即使很少或沒有RF設計經驗，也可以開發出可靠的、低成本的無線應用。
■EZMACPRO媒體訪問控制模塊（“無線網絡功能包”）
■完全兼容的無線M – Bus協議棧（EN：13757-4），符合歐洲通用儀表網

以上工具可由Silicon Labs授權代理商世強電訊處直接獲得，更多技術支持及產品信息請致電世強電訊。