超低功耗的32位微控制器，能否助力可穿戴設(shè)備突圍？

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現(xiàn)在，幾乎所有人都會(huì)談?wù)?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/%E5%8F%AF%E7%A9%BF%E6%88%B4%E8%AE%BE%E5%A4%87/">可穿戴設(shè)備。同時(shí)我們也發(fā)現(xiàn)并承認(rèn)，真正成熟的仍是功能相對(duì)基礎(chǔ)、結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的產(chǎn)品，例如現(xiàn)在比較熱門(mén)的智能手環(huán)。而對(duì)于需要滿足通訊、存儲(chǔ)以及高性能計(jì)算的可穿戴智能設(shè)備，它的創(chuàng)新過(guò)程則面臨著功耗、性能以及交互顯示等諸多設(shè)計(jì)難題。

日前，ST推出了最新超低功耗、基于ARM Cortex M0+內(nèi)核的STM32L0系列微控制器，面向工業(yè)、保健、消費(fèi)和射頻這四大目標(biāo)領(lǐng)域。

探尋可穿戴設(shè)備的突圍之道

熟悉ST微控制器產(chǎn)品的用戶應(yīng)該會(huì)知道，ST目前已經(jīng)發(fā)布了兩條低功耗的微控制器產(chǎn)品線，分別是STM8L系列和基于Cortex M3內(nèi)核的STM32L系列。而最新發(fā)布的基于Cortex M0+的低功耗系列，在性能和市場(chǎng)定位上有何特殊之處？

意法半導(dǎo)體STM32超低功耗系列微控制器市場(chǎng)經(jīng)理Hakim Jaafar表示,STM32L0采用110納米的工藝制程。好處在于這項(xiàng)工藝非常穩(wěn)定，并且是ST專有的超低功耗的工藝，為STM32L0搭建了一個(gè)可靠的技術(shù)實(shí)現(xiàn)平臺(tái)，將STM32超低功耗的基因傳承下去。

從上圖中可以看出，STM32L0系列的性能表現(xiàn)正好介于STM8L和STM32L1之間。意法半導(dǎo)體STM32超低功耗系列微控制器市場(chǎng)經(jīng)理Hakim Jaafar表示，ST對(duì)于STM32L0有著細(xì)致的產(chǎn)品發(fā)布規(guī)劃，將分為三步：

首先發(fā)布的是32-64K閃存容量的產(chǎn)品。之所以選擇從從中間容量開(kāi)始做，是因?yàn)楦鶕?jù)統(tǒng)計(jì)，80%的Flash應(yīng)用需求都集中在64K以下。所以，這樣的策略基本可以滿足主流的中間段需求、以及小部分低容量的需求。第二和第三階段，會(huì)分別發(fā)布64-192K和16-32K容量的產(chǎn)品。這樣一來(lái)，我們就可以去細(xì)化更大容量的產(chǎn)品，以及在32-64K基礎(chǔ)上細(xì)化出更小容量的產(chǎn)品。

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具體認(rèn)識(shí)STM32L0的低功耗特性，可以歸納為幾點(diǎn)：

寬工作電壓范圍：過(guò)去，當(dāng)某些產(chǎn)品線的電壓低于一定值后，主頻會(huì)降低，導(dǎo)致CPU的性能受限?，F(xiàn)在，STM32L0產(chǎn)品線已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)從1.71V-3.6V之間都可以全速在32MHz運(yùn)行。

寬工作溫度范圍：無(wú)論是工業(yè)領(lǐng)域中的傳感器，還是生活中豐富的可穿戴設(shè)備，都面臨著越來(lái)越高的環(huán)境溫度。比如，現(xiàn)在的LED控制板已經(jīng)直接裝到了燈泡中，而燈泡在運(yùn)行一段時(shí)間后的溫度便會(huì)超過(guò)105℃；再比如，很多時(shí)候設(shè)備在太陽(yáng)底下暴曬一會(huì)兒，溫度便可能超過(guò)85℃，如果遇到成百上千個(gè)傳感器之間互聯(lián)時(shí)，高工作溫度與低功耗還需要同時(shí)被滿足。所以，STM32L0為用戶提供了-40℃-125℃的工作溫度范圍，以保證設(shè)備在各種極端環(huán)境下的使用。

Hakim Jaafar透露說(shuō)，歸功于STM32的特殊工藝，STM32L0目前同行產(chǎn)品中唯一可以在125℃下面還保持工作的。

優(yōu)化的運(yùn)行模式：STM32L0在32MHz時(shí)運(yùn)行的功耗是139uA/MHz，并且可以在真實(shí)的應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)；在停止模式下，設(shè)備會(huì)進(jìn)入低功耗睡眠狀態(tài)，由于RAM本身無(wú)法供電，會(huì)導(dǎo)致其中保存的數(shù)據(jù)丟失。但是對(duì)于會(huì)戴著睡覺(jué)的智能手環(huán)來(lái)說(shuō)，我們并不希望發(fā)生在它身上?？紤]到這個(gè)問(wèn)題，STM32L0的設(shè)計(jì)攻破了可穿戴設(shè)備在低功耗運(yùn)行上的這一難點(diǎn)，使得RAM數(shù)據(jù)可以被全部保存下來(lái)，功耗保持在400nA。同時(shí)，3.5微秒內(nèi)，設(shè)備可以完成從睡眠到全速運(yùn)行狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。

低功耗外設(shè)：傳統(tǒng)的USB外設(shè)需要在外面添加振蕩器，STM32L0則在內(nèi)部集成了專門(mén)為USB使用的晶體振蕩器；傳統(tǒng)的ADC是12位的，而今天的STM32L0已經(jīng)還集成了世界功耗最低的ADC：在每秒100k次采樣率下，功耗為48μA。同時(shí)，內(nèi)置硬件過(guò)采樣功能可以將ADC的分辨率提高到16位。

Hakim Jaafar強(qiáng)調(diào)，STM32L0考慮的不僅是內(nèi)核的問(wèn)題，更重要的是整體的設(shè)計(jì)和規(guī)劃。因?yàn)樵趯?shí)際應(yīng)用中，設(shè)備對(duì)于低功耗和數(shù)據(jù)交換有著同時(shí)的需求。而對(duì)于傳統(tǒng)的MCU，當(dāng)CPU進(jìn)入低功耗睡眠模式后，外設(shè)也同時(shí)關(guān)閉了。而今天的STM32L0，已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)當(dāng)CPU關(guān)閉的時(shí)候，串口還可以繼續(xù)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。

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市場(chǎng)定位：差異化產(chǎn)品線之間的配合

ST大中華與亞太區(qū)微控制器市場(chǎng)及應(yīng)用總監(jiān)James Wiart表示，ST的微控制器產(chǎn)品進(jìn)入中國(guó)已經(jīng)快要9個(gè)年頭，而中國(guó)區(qū)的業(yè)務(wù)每年都會(huì)有大幅的上漲。根據(jù)IHS的報(bào)告，ST的MCU業(yè)務(wù)在中國(guó)的市場(chǎng)占用率毫無(wú)疑問(wèn)是第一名，并且實(shí)際的出貨量還要大于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。同時(shí)，中國(guó)區(qū)的增長(zhǎng)也強(qiáng)勁的帶動(dòng)著全球業(yè)務(wù)的提升。

對(duì)于當(dāng)下大熱的可穿戴設(shè)備，James Wiart表示ST在兩三年前已經(jīng)開(kāi)始了非常大的投入，從產(chǎn)品的研發(fā)到伙伴的合作，STM32的產(chǎn)品已經(jīng)應(yīng)用在了很多最新的智能設(shè)備中。例如Sony的Smartwatch、Nike的FuelBand以及HTC的Sense Hub。

ST中國(guó)區(qū)微控制器市場(chǎng)部高級(jí)經(jīng)理曹錦東補(bǔ)充說(shuō)，智能設(shè)備的核心離不開(kāi)專用的MCU，用來(lái)處理所有傳感器數(shù)據(jù)的采集與融合。應(yīng)用的需求也會(huì)體現(xiàn)在更高性能、更低功耗以及更低成本之間的最佳權(quán)衡，而STM32L0將面向?qū)Τ杀竞凸母鼮槊舾械?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/%E7%89%A9%E8%81%94%E7%BD%91/">物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中。另一方面，可穿戴設(shè)備以及廣泛的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備都會(huì)有不同層面的各種需求，ST不僅僅是通過(guò)STM32L這一條產(chǎn)品線實(shí)現(xiàn)，而是通過(guò)差異化的產(chǎn)品線來(lái)滿足差異化的需求。

此外，項(xiàng)目構(gòu)建中的時(shí)間成本問(wèn)題十分緊要，工程師在產(chǎn)品升級(jí)和替換中對(duì)引腳兼容的需求，也與ST的產(chǎn)品設(shè)計(jì)規(guī)劃不謀而合。目前，STM32在F0、F1、F3低功耗系列之間都堅(jiān)持采用同樣的封裝，以及腳對(duì)腳的兼容。

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四大目標(biāo)應(yīng)用中的產(chǎn)品策略

工業(yè)傳感器和表計(jì)是工業(yè)應(yīng)用里面的典型代表，目前它們最關(guān)鍵的要求就是數(shù)據(jù)的及時(shí)通訊、計(jì)量的準(zhǔn)確度和精確度。由此STM32L0內(nèi)置RTC的好處就體現(xiàn)出來(lái)了。相比傳統(tǒng)的RTC，它的精讀可以達(dá)到0.95ppm。

此外，STM32L0雙區(qū)閃存的設(shè)計(jì)，使得程序的運(yùn)行和程序的更新在兩個(gè)物理區(qū)分別進(jìn)行。這對(duì)于幾乎每天都需要進(jìn)行程序更新的設(shè)備來(lái)說(shuō)，帶來(lái)了客觀的便利。

在保健領(lǐng)域，手持式醫(yī)療設(shè)備是典型的代表。而對(duì)于數(shù)據(jù)計(jì)量的準(zhǔn)確和精確度的嚴(yán)苛要求，也體現(xiàn)了12-16位ADC的用途。

對(duì)于消費(fèi)電子產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，它最大的特點(diǎn)就是對(duì)低成本、小封裝的不盡追求。而STM32L0目前采用3x3mm和WLCSP封裝，是目前業(yè)界最小的。同時(shí)，將例如USB晶振、BCD以及LPM這樣的外部器件集成到內(nèi)部，也幫助用戶降低了成本。

在射頻方面，STM32L0采用硬件加密的AES 128位算法，確保了無(wú)線通訊中的最關(guān)鍵的安全加密問(wèn)題。同時(shí)，而STM32L0的超低功耗基礎(chǔ)，為需要電池供電的無(wú)線模塊保駕護(hù)“航”。

開(kāi)源化的軟硬件生態(tài)系統(tǒng)

相信很多人對(duì)于STM32的官方評(píng)估板和探索套件不為陌生，而有別于這幾樣傳統(tǒng)的工具，ST最新創(chuàng)建了一款名為Nucleo的評(píng)估板。不同之處是它保留了探索套件的靈活性，同時(shí)留有連接ARM、Arduino等開(kāi)源平臺(tái)的接口，用來(lái)助力加速智能硬件、開(kāi)源硬件領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)。

受益于傳統(tǒng)的STM32生態(tài)系統(tǒng)，STM32L0還有軟件上的支持—STM32Cube。它的ID可以來(lái)自于ARM、KEIL，也可以來(lái)自于IAR。同時(shí)，STM32Cube里有更多的選擇，可以有更多的靈活性。選定需要的MCU，對(duì)應(yīng)的Package便可以滿足該MCU的軟件庫(kù)需求。

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