低功耗MCU智能手表延長電池的實用壽命

延長電池使用壽命是智慧型手表的首要開發考量。為達成此一目標，設計人員須選用在工作/動態模式下功耗較低，且能同時維持高性能運作的微控制器(MCU)，并導入快速喚醒功能，以便讓MCU盡可能處于休眠或閒置模式，進一步降低系統總體功耗。

所謂的智慧型手表該如何定義呢?基本上，智慧型手表是設計成手表外型、可戴式的運算裝置，當和智慧型手機無線連結時，可提供更多的智慧型功能。一般常見的功能包括了日曆通知、電子郵件或簡訊提示。若是同時還內建感應器，如加速度計或溫度感測器等，智慧型手表就能夠幫助記錄與監控使用者的運動進度、表現和心跳率等。有些手表還能控制音樂、讀取簡訊，甚至能透過使用者手機的藍牙低功耗(Low Energy, LE)連結，直接透過手表接聽電話。

那麼，對智慧型手表的開發人員而言，什麼是關鍵的設計考量?在產品設計過程中，很容易會不自覺地想加進更多、更強大的功能。不過性能強大的手表應用程式，通常得搭配相對強大的處理器，而強大的處理器卻往往很耗電，導致具有加分效果的性能提升，就這樣被功耗抵銷掉。畢竟，就算其功能再強大，誰會愿意買一個每隔幾個小時就要充電一次的智慧型手表?

為了要延長電池的使用時間，最好的辦法就是在考慮系統的心臟，也就是中央微控制器(MCU)時，選擇在工作/動態模式下功耗較低的元件。

在系統設計上，必須讓智慧型手表的中央微控制器，能s夠在大部分時間維持在睡眠模式，而當系統必須被喚醒來執行任務時，能夠不影響系統表現，并在最短的時間內被喚醒。

工作/動態模式下維持低功耗

當然，設計人員希望能在不犧牲性能的前提下具有最低功耗的工作模式，然而如果只是一味降低在工作/動態模式下的功耗，也會因此降低了微控制器的運算速度，導致微控制器將花費更多時間處于工作模式，才能把任務執行完成并進入功耗更低的睡眠模式，最終反而會增加系統的平均功耗。另外大家都知道，系統的操作電壓越低，越能延長電池的壽命。有些微控制器宣稱工作電壓可低至1.8伏特(V)，但實際上，當其工作電壓在1.8V時，不僅運算速度降低，同時某些周邊功能可能無法正常運作，這些都不是真的能幫助系統降低功耗的技術。

目前市場上已有業者推出能在低功耗的情形下維持高性能運作的微控制器。如愛特梅爾(Atmel)的SAM4L微控制器系列，就能夠在不用改變產品規格的情況下，保持低至1.68V的工作電壓，并且維持最高性能，且其外圍周邊操作不受影響。根據費氏(Fibonacci)基準，該系列是市面上擁有最低工作/動態模式功耗(90μA/MHz)的ARM Cortex-M4微控制器。若再加以運用功率調節(Power Scaling)技術，可以進一步平衡最大時脈速度和功耗。

除此之外，如果設計人員選用的微控制器能夠提供不同的電壓調節器選擇，可進一步降低在工作/動態模式下的系統功耗。例如降壓或開關穩壓器能夠在操作電壓為2～3.6V時提供更高的功率，或是線性穩壓器在1.68～3.6V的范圍內運作，具有較高的抗噪性，而在小于2.3V范圍內調節器則可達到最高功率。