2013秋季研讨会讲义-修订版

Transcription

1 Silicon Labs Sub-GHz 无线产品

2 物联网 P2P Solutions Mesh Solutions 2

3 3 多种无线网络并存

4 无线应用 应用无限 单向 双向 星形网络 Metering 网状网络 应用 : 车库开门系统 RKE 气象站 玩具 应用 : 遥控 照明控制 监测 / 控制 抄表 应用 : 安防 抄表 电子标签 探测器 应用 : 智能能源 家居自动化 楼宇控制 4

5 Sub-GHz 无线产品市场 Sub-GHz Wireless SAM $400,000 $350,000 $300,000 $250,000 $200,000 $150,000 $100,000 Other Consumer Home Sec & Auto Metering Automotive 重点应用领域 : 家居安全和自动化 抄表 汽车 RKE 消费类 $50,000 $ 市场重点领域需求 Silicon Labs 产品 家居安全和自动化 (10% ~30% 年增长率 ) 家居安全和自动化系统 家居安全单元 双向链路 网络协议栈 可能需要验证码 照明控制 墙上插座 窗帘 / 风扇控制 无线 MCU EZRadio EZRadio 车库开门系统 验证码 EZRadio 汽车 远程无钥匙进入 (RKE) EZRadio 被动无钥匙进入 (PKE) 可能需集成低频通信电路 N/A 其它 健身产品 其它各类应用 通信距离 低成本 简单易用 低成本 EZRadio EZRadioPRO EZRadio 5

6 Silicon Labs 的 Sub-GHz 产品系列 EZRadio EZRadioPRO 最低成本 最高性能 最易使用 最可配置 最小尺寸 最低功耗 EZRadio: 适合大多数应用 EZRadioPRO: 适合抄表 远距离和窄带应用 6

7 低成本无线产品 EZRadio

8 EZRadio 系列 低 BOM 成本应用的简单设计 无外部元件 仅需很少的 RF 专业经验 最少的配置寄存器 自动天线调谐 快速设计周期 需求 最低 BOM 成本简单射频配置自动天线调谐低电流快速唤醒扩展的频率范围扩展的电压范围高链路预算 解决 8

9 EZRadio 产品 简单易用 可选择的配置 配置向导 引脚兼容 EZRadio 性能优异 更远的通信距离 更长的电池寿命 极佳的带外性能 成本低廉 低成本方案 小尺寸 低 BOM 9

10 EZRadio 的目标应用 车库开门系统 家居自动化和安防 照明控制 气象站 无线传感器 遥控无钥匙进入 门铃 便携式医疗设备 健身产品 消费类电子 遥控器 10

11 EZRadio 产品线概览 简化的 RF 配置 同类最低成本 最小尺寸 PA 输出 最大速率 工作频率 灵敏度 内部 MCU TRX Si dbm 500 kbps 主要频段 MHz -116 dbm TX Si dbm 100 kbps 主要频段 MHz MIPS 8 kb OTP 4 kb RAM RX Si4355 Si kbps 120 kbps 主要频段 MHz 主要频段 MHz -116 dbm -113 dbm 11

12 Si4010 针对 EZRadio 接收器的无线 MCU 发射器方案 特性 : 8051 MCU: 24 MIPS, 5/9 GPIO 8 kb OTP/4 kb RAM/128-bit EEPROM 频率范围 = MHz 电源 = V 最大输出功率 = +10 dbm 调制方式 = FSK/OOK 自动天线调谐 集成温度传感器 无晶体操作,±150 ppm (0 70 C) 128-bit AES 加速器 待机电流 = <10 na 发射电流 = dbm 最大速率 = 100 kbps 封装 = 3 mm x 3 mm MSOP/8.65 mm x 3.9 mm SOIC 12 客户受益 : 低 BOM 成本 ( 无晶体, 无天线匹配 ) 低电流消耗 ( 长电池寿命 ) 高输出功率 ( 远距离 ) 小尺寸 配置简便 完整的应用电路

13 Si4010 同类最佳 Si4010 (TX + MCU) Silicon Labs 竞争产品 最大输出功率 (dbm) 发射电流 (ma) 待机电流 (na) 内部 RF 振荡器 Yes No 内部 MCU Yes No 自动天线调谐 Yes No 13 主要优势 集成 8051 MCU 显著减少 BOM 自动天线调谐更长的电池寿命小尺寸高性价比

14 Si4010 替换基于 SAW 发射器 传统的基于 SAW 的发射器 Silicon Labs Si4010 方案 Si4010 很多分立元件 仅工作在一个频率 很差的频率精度 ~ ±500 ppm 只有 OOK 调制 性能一致性差 对元器件误差敏感 产能低 单芯片方案 支持 MHz 频率精度 ±150/250 ppm FSK/OOK 调制 自动天线调谐 最大化发射距离 提供一致的输出功率 减小人手效应 提高产能 14

15 Si4010 SoC 系统架构 系统特性 : 电源电压 1.8 ~ 3.6 V 工作温度 -40 ~ +85 C 掉电模式电流 < 10 na 无晶体操作, ± 250 ppm 工业 / 汽车 AEC-Q 脚 MSOP/14 脚 SOIC 发射器特性 : 频率范围 MHz +10 dbm 最大输出功率 19.5 db 范围 0.25 db 补偿 自动天线调谐 符号率高达 100 kbaud FSK/OOK 调制 微控制器特性 : 8051 MCU ( 指令优化 ) 4 kb RAM/8 kb NVM 128 位 EEPROM ROM 内嵌功能 128 位 AES 加密 片内调试器 C2 15

16 Si4010 低功耗示例 电池类型电池寿命计算条件发射电流 CR mah +10 dbm 发射功率 1 kbaud 数据率, 曼彻斯特编码 100 比特包, 重复 3 次 每天 50 次按键,5 年 14.2 ma OOK 方式 19.8 ma FSK 方式 结果 仅用 52% OOK 方式 仅用 71% FSK mode 16

17 Si4455 EZRadio 收发器 产品特性 : 频率范围 = MHz / MHz / MHz 17 电源电压 = V 最大功率 = +13 dbm 灵敏度 = -116 dbm (434MHz, 2.4kbps,, f = 30 khz) 调制方式 = (G)FSK / OOK 待机电流 = 50 na 发射电流 = 18 ma (@+10 dbm) 接收电流 = 10 ma 最大速率 = 500 kbps 发送和接收各 64 字节 FIFO 自动频率控制 (AFC) 自动增益控制 (AGC) 集成 11 位 ADC 和电池电压检测器 包处理器功能 : 前导码和同步字检测 CRC 计算 封装 = 3 mm x 3 mm QFN 客户受益 : 低电流消耗 ( 长电池寿命 ) 高灵敏度 ( 远距离 ) 大输出功率 ( 远距离 ) 小尺寸 配置简便

18 18 Si4455 典型应用电路

19 Si4355 EZRadio 接收器 产品特性 : 频率范围 = MHz / MHz / MHz 电源电压 = V 灵敏度 = -116 dbm (434 MHz, 2.4 kbps, f = 30 khz) 调制方式 = (G)FSK/OOK 待机电流 = 50 na 工作电流 = 10 ma 最大速率 = 500 kbps 封装 = 3 mm x 3 mm QFN 64 字节 FIFO 自动频率控制 (AFC) 自动增益控制 (AGC) 集成 ADC 和电池电压检测器 包处理器功能 : 前导码和同步字检测 CRC 计算 客户受益 : 低电流消耗 ( 长电池寿命 ) 高灵敏度 ( 远距离 ) 小尺寸 配置简便 19

20 20 Si4355 典型应用电路

21 EZRadio 收发器和接收器 : 同类最佳 Si4455 (TRX) 和 Si4355 (RX) Silicon Labs 竞争产品 最大输出功率 (dbm) 灵敏度 (dbm) 发射电流 (10 dbm) (ma) 接收电流 (ma) 待机电流 (na) 关断电流 (na) 30 主要优势 使用更方便 预设配置距离更远 ( 功率灵敏度 ) 电池寿命更长 ( 电流 ) 尺寸更小成本更低 封装尺寸 (mm) 3 x 3 4 x 4 Si4455 Si4355 GND nsel SDN 2 15 SDI RXp 3 14 SDO RXn 4 13 SCLK NC 5 12 nirq GND GPIO1 21

22 Si4356: EZRadio 独立接收器 特性 : 引脚可配置 无需编程! 频率 = 315, , , , 868.3, 917 MHz 电源 = V 灵敏度 = -113 dbm (434 MHz, 2.4 kbps) 调制方式 = (G)FSK/OOK 待机电流 = 50 na 接收电流 = 12 ma 最大速率 = 120 kbps 封装 = 3 mm x 3 mm QFN 客户受益 : 低电流 ( 长电池寿命 ) 高灵敏度 ( 长距离 ) 小尺寸 配置简便 22

23 23 Si4356 典型应用电路

24 EZRadio: 同类最佳 Si4356 (RX 引脚可配置 ) Silicon Labs 竞争产品 灵敏度 (dbm) 接收电流 (ma) 12 9 待机电流 (na) 50 N/A 关断电流 (na) RF 频率选项 6 2 最大速率 120 kbps 20 kbps 封装尺寸 (mm) 3 x 3 4 x 8.5 主要优势 更宽的 RF 范围 -6 个 RF 频点更远的距离 ( 功率 / 灵敏度 ) 更长的电池寿命 ( 待机电流 ) 小尺寸高性价比 24

25 EZRadio: 开发工具 EZRadio 演示 / 评估套件 低成本的 RF 产品评估套件 简单接口 无 LCD, 仅有按键 /LED EZRadio 开发套件 包括 MCU 主板和 RF pico 板 LCD 支持独立配置, 用于通信距离测试 类型套件编号频率内容 / 用途 MSRP 演示 / 评估 开发 EZR-LEDK1W-xxx 434/868/915 单向演示套件 (Si Si4355) $20 EZR-LEDK2W-xxx 434/868/915 双向演示套件 (Si4455) $ RX Si4356 独立接收器套件 ( 仅 Si4356) $ LEDK1W-xxx 434/868 独立接收器套件 (Si4010+ Si4356) $ PRXBxxxM-EK 434/868 Si4355 RF pico 板 ( 仅 Si4355 接收器 ) $ PCE10DxxxM-EK 434/868/915 Si4455 RF pico 板 ( 仅 Si4455 收发器 ) $36 MSC-AMSxxx-EK 434/868/915 天线矩阵板 $ LCDK1W-xxx 434/915 单向开发套件 (Si Si4012) $ KFOBDEV-xxx* 434/868/915 Si4010 开发套件 (Si Si4355) $ xxx-PDK 434/868/915 双向开发套件 (Si4455) $ * 注 : Si4010 编程需要 4010-KFOBDEV-xxx

26 天线矩阵 : MSC-AMSxxx-EK 简化天线设计 915/868/434 MHz 天线 一个矩阵板对每个频段有多个天线 板上的每个天线都是独立和唯一的, 可使用任何 RF pico 板评估 板上包含多种 PCB 芯片和导线天线选项, 易于配合 SMA 连接器使用 设计支持 每个天线套件都有完整的测试报告和选择指南 MSC-AMS868-EK 天线矩阵套件 26

27 WDS: 简化 Sub-GHz 配置 加速开发进程 直观的 GUI 配置射频参数 集成距离测试功能 简化实验评估 多个样例项目 集成 IDE 引导客户优化配置 预设或定制 (EZRadio) 优化性能 使用简单, 高度可配置 频率 功率和容差 RF 参数 包处理器 中断和 GPIO 27

28 其他开发工具 入门文档 产品简介 演示套件快速入门指南 开发支持 产品数据手册 无线开发套件 (WDS) WDS 环境下的样例软件项目 演示套件布局布线文件 布局布线指南 编程指南 实验室评估和 GUI 用户指南 天线矩阵文档 上述文档和软件均可从 下载 28

29 EZRadio 小结 EZRadio 产品简化 RF 配置和设计 WDS 简化 RF 设置和评估 多种开发套件简化硬件设计 EZRadio 产品提供同类最佳性能 高灵敏度和优异的选择性 功能丰富, 包括包处理器 ADC 和电池电压检测器 低电流消耗 EZRadio 产品降低系统成本 低成本 IC 和低成本 BOM 小封装 29

30 高性能无线产品 EZRadioPRO

31 EZRadioPRO 系列产品 最佳性能, 有竞争力的价格 满足关键参数要求 最长距离 需求 解决 +20dBm 发射功率 最佳灵敏度 电池寿命通信距离成本性能 低电流快速唤醒连续频率覆盖最佳选择性 / 阻断集成丰富的功能 ETSI/FCC/ARIB 认证 31

32 EZRadioPRO 简化无线设计 无线客户需要 : EZRadioPRO 提供 :: 远距离 集成 +20 dbm PA 高灵敏度 -121 dbm 链路健壮可靠 嵌入天线分集算法 减轻 MCU 负担 嵌入包处理器内建唤醒定时器 延长电池寿命 极低休眠模式电流 15nA 快速唤醒支持 32

33 Si446x 在距离和性能上领先 距离 最大输出功率 +20 dbm (0.25 db 步长 ) 最高灵敏度 126 dbm 灵活的 PA 接口 低成本 +30 dbm 选项 多径 / 衰落抑制 天线分集 性能 法规认证标准认证增强的调制方式数据传输率提高选择性强 FCC part 90 mask D (USA) T96 ARIB n = 1 operation d/g Wireless MBUS 154 MHz MURS Band 4GFSK, (G)FSK, GMSK, OOK FSK: 500 kbps, 4GFSK: 1 Mbps 58/58 dbalt/adj channel ETSI Class I w/ SAW 33

34 Si446x 在电池寿命和成本上领先 电池寿命 接收电流 发射电流 13 ma( 高性能 ) 10 ma( 低电流 ) 18 maat +10 dbm 休眠电流 50 na ( 寄存器保持 ) 唤醒时间 450 µs ( 从休眠到 RX/TX) 成本 集成度 方案成本 内部处理 不需外部 PA/LNA 不需昂贵天线 最少的外部元件 比分立元件方案低 30% 低成本封装 可配置的 modem 和包处理器允许使用低端 MCU 34

35 集成的内部功能降低 MCU 负荷 竞争产品系统方案 EZRadioPRO 系统方案 需要较大的 MCU 存储器容量 MCU 查询存储器 更多的电流需要 ADC 检测温度和电池电压额外的软件开发负担 降低 MCU 存储器需求当无线芯片处理数据时,MCU 可休眠集成的 ADC 温度传感器 电池检测电路包处理功能简化软件设计 性能低, 电池寿命短, 成本高, 设计复杂 EZRadioPRO 改善性能 降低电流和成本, 方便设计 当使用 EZRadioPRO 时, MCU 所需要做的工作只是与无线芯片接口, 完成射频配置 ( 频率 调制等 ) 和对数据进行计算 35

36 天线分集 改善链路性能 EZRadioPRO 自动选择最佳的天线来获得最优的性能 EZRadioPRO 的天线分集所带来的好处 : 抑制多径衰落和天线极化效应, 以改善链路质量 通过消除盲区来增加通信范围和距离 无 MCU 开销 ; 算法完全集成 节省功耗 ; 相同的通信范围可以使用较低的功率 对于典型系统, 可增加 +8 ~ 10 db 链路预算 36

37 天线分集降低功率需求 当天线分集被使能时, 与使用单天线的接收器相比, 发射功率可以降低 9.4 db PER 与所测量的发射功率的关系 vs TX power measured indoors ( 非视线情况 (non line ) of sight) ( 三个不同位置的接收器的平均值 (average of three different ) receiver placing) Antenna Diversity Single Antenna PER [%} TX power [dbm] 37

38 非凡的窄带性能 符合大多数严苛的窄带标准 FCC Part 90 Mask D, ETSI Class-I, ARIB T96/T67, 还有很多. 非凡的相位噪声 khz 在高输出功率 (+20 dbm) 有更佳的相位噪声 在低输出功率设置可获得显著的指标改善 扩展的频率范围覆盖所有窄带标准应用 138 MHz (ETSI), 154MHz (US MURS), 868/169 MHz (ETSI/MBUS) ETSI Class-I Compliance FCC Part 90 Mask D 参数 Class1 指标 Silicon Labs 结果 灵敏度 (dbm) -107 dbm -116 dbm 25 khz (db) 54dB 58dB MHz (db) 84dB 95 db MHz (db) 84dB 91.5dB 镜像选择性 (db) 60 db 60 db 38 注 : SAW 用于阻断

39 先进的 Modem 性能 优化的解调器适合不同的应用方案 调制类型 设计获益 同步 异步 OOK 使用常规前导码时可获得最佳性能 支持任何包结构, 具有更低的抖动 不需 MCU 进行抗尖峰和重定时处理 减轻 MCU 负荷, 简化客户设计 健壮的性能可抑制突发噪声和颤振 自动频率校正 (AFC) 在较宽的晶体偏移范围提供优异的选择性 允许使用更低成本的晶体而不损失选择性 镜像抑制校准 100% 自动镜像校准 60 db 镜像抑制 ( 使用校准时 ) 接收架构选项 固定中频 (468 khz) 独特的 zero-if & scaled-if 选项可全面消除镜像 (zero IF) 或将镜像移动到一个不同频率 (scaled IF) 39

40 高度的灵活性利于系统优化 高性能 / 低电流模式 通过模式动态切换, 允许设计者在性能和功耗两方面优化 13 ma 高性能接收 ( 最优性能, 最远距离 ) 10 ma 低电流接收 ( 节省功耗, 性能与竞争产品相当!) 频率和速率精度 最大 28 Hz 频率分辨率, 可以获得精确的传统速率 灵活的晶体范围 可选择 25 ~ 32 MHz 频率范围内的任何晶体, 以满足成本或传统要求! 自动跳频和跳频表 最多 64 项的跳频表, 可基于 RSSI 前导码或同步字检测 快速 RSSI 选项 单一比特或 4 比特平均 包处理 可检查位于包中任何位置的特定字节 减轻 MCU 负荷, 优化系统性能 40

41 EZRadioPRO 应用 窄带 远距离 电子货架标签 抄表 Metering 报警系统 应用 : 限制严格的应用 窄带 非标准频率 远距离 应用 : 价格标签 工业货架显示 便携式显示 ( 广告 ) 应用 : 煤气 / 水 / 电 家庭显示 能源管理 应用 : 火灾 / 烟雾检测器 报警系统 ( 医疗或警报系统 ) 41

42 EZRadioPRO 产品系列 最高射频性能 高度可配置 符合多种标准和法规 发射 频率 接收 Si dbm 频段范围 MHz -126 dbm Si4463/1/0 +20/16/13 dbm 主要频段 MHz -126 dbm Si dbm 中国频段 MHz -124 dbm Si4063/0 +20/13 dbm 主要频段 MHz Si4362 主要频段 MHz -126 dbm 42

43 PRO 器件选择 参数最远距离最佳发射效率最低待机电流最低成本非标准频率中国市场功率 距离和成本综合考虑 器件 Si4463 Si4460 全部 Si4460 Si4464 Si4438 Si4461 接收电流和灵敏度对所有器件相同 (4438 灵敏度不同 ) 发射功率和效率因型号而异 软件 API 接口对所有器件相同 43

44 PRO: 收发器与竞争产品的比较 特性 指标 Si446x 竞争 产品 A 竞争产品 B 竞争产品 C 备注 发射最大功率 dbm 电流 ma dbm 电流 ma dbm 功率步长 db db 接收 灵敏度 dbm kbps 电流 ma N/A 待机 电流 na 速率 最大 kbps 阻带性能和选择性 选择性 db khz channel 阻带性能 db MHz offset 镜像抑制 db 尺寸封装 mm 4x4 5x5 5x5 5x5 44

45 PRO: 接收器和发射器与竞争产品的比较 接收器 特性 指标 Si4362 竞争 产品 A 竞争产品 B 备注 接收灵敏度 dbm kbps 电流 ma 待机电流 na 速率最大 kbps 阻带性能和选择性 选择性 db 12.5 khz 偏移 CC113L= khz 阻带性能 db MHz offset 镜像抑制 db 频率主要频段 MHz XTAL 频率 MHz 尺寸封装 mm 4x4 4x4 5x5 45 发射器 特性 指标 Si406x 竞争 产品 A 竞争产品 B 备注 发射最大功率 dbm Si4063 电流 ma dbm (Si4060) 电流 ma Si4063@ 20 dbm SX1230@ 17 dbm 功率步长 db 待机电流 na 速率最大 kbps XTAL 频率 MHz 尺寸封装 mm 4x4 5x5 4x4

46 Si4x6x 开发工具 开发平台 基于 F930 主板的套件 包含建立无线链路所需的全部 RF Pico 板 多种频率和功率选项 WDS 工具套件 可用文档 数据手册 固件发行说明 API 指南 WDS 用户指南 WDS 中提供的样例软件 针对主要频段的参考设计 布局布线指南 包处理器应用笔记 发射和接收匹配应用笔记 Development Kits PDK PDK PDK PDK PDK Unidirectional +10dBm link Unidirectional +20dBm link Bidirectional +20dBm link for China only Bidirectional +14dBm link Bidirectional +20dBm link 46

47 Si446x 小结 Silicon Labs 的优势 为 RF 性能 低功耗和性价比设立了新的业内标准 需求 解决 更低的电流相位噪声和法规认证灵敏度更低的成本更高的灵活性 47

48 总结 :Silicon Labs 无线产品是赢得市场的选择 在关键的客户需求方面极具优越性 最大通信范围 最佳灵敏度 最高输出功率 最长电池寿命 最低休眠电流 最低工作电流 最快状态转换时间 最低成本 高集成度 BOM 成本 内嵌功能降低 MCU 负荷 PCB 天线 健壮的性能 抗干扰 天线分集 快速跳频能力 电池寿命通信范围成本性能 48

49 超低功耗无线自组网 RFID 应用 新华龙无线应用工程师 邹晓雷

50 无线自组网应用 无线抄表 无线安防 智能家居 无线工业遥测遥控 无线监护 RFID( 电子标签 ) 50

51 无线自组网常用的网络架构 Si

52 多地址无线网络通信中避免冲突的机制 频分多工 码分多工 时分多工 在安防 抄表 工业要测遥控常用的无线自组网中常用时分方式 时分方式的防冲突机制又分为 : CSMA/CD(LBT) 模式 Beacon( 信标 心跳 ) 模式 混合模式 52

53 无线自组网的低功耗需求 由应用决定的, 无线自组网节点, 特别是终端节点通常对功耗有着极其严苛的要求, 例如 : 某些无线抄表应用要求不更换电池工作 10 年以上 即使用 4 安时大容量 低自放电 (<1%/ 年 ) 的锂亚硫酰氯电池, 其平均工作电流需要控制为约 40ua 4*10^6*(1-0.01*10)/10 /365/24=41ua 53

54 终端节点电源消耗构成 电源消耗通常由 RF 部分和 MCU 部分构成 RF 部分消耗 : TX RX F340 休眠 唤醒 MCU 部分消耗 Active ModeCP2201 休眠 唤醒 通常将 RF 唤醒电流消耗计入 TX 或 RX,MCU 唤醒计入 Active mode 二者休眠电流合并计算 54

55 RFID 应用类别 从标签供电方式分 无源 RFID( 由读写器射频供电 ) 半有源 ( 射频唤醒, 电池供电发射 ) 有源 RFID( 电池供电 ) 从工作范围分 近距离 (mm 级 ~10cm 级 ) 中距离 (10cm 级 ~ 米级 ) 远距离 ( 数米 ~ 数十米以上 ) 从工作频段分 低频 (125KHz) 高频 (13.56M) 超高频 (UHF MHz 2.4G) 55

56 新华龙 RFID 应用的特点 有源 远距离 超低功耗 超高频 RFID 550ma CR3032 电池供电 50~100m 识读距离 433M 工作频段 ( 可定制开发其他超高频频段 ) 4 群组每组 8 频点 256Kbps 速率高速收发 双向通讯, 可更改标签工作参数 可同时容纳 256 个标签工作无冲突, 能识别大批目标人或物的同时进出 可根据客户要求更改为更大容量 ) 大容量,32 位标签地址, 系统可容纳 个标签 频分时分结合, 可同时容纳多套系统工作 自组网, 标签可在多读头 多频点间自动切换 超低功耗, 单次单次收发耗能 <10nah,3.6s 工作周期时平均电流仅 10.5ua 读写器发射功率可设置, 便于调节工作范围 标签辐射功率低, 最大仅 0.02W, 适合人员使用 标签具备发射功率自适应调节功能, 进一步降低功耗, 延长使用寿命 56

57 新华龙 RFID 电池容量测试 松下 Cr mah 电池容量测试记录 国产某 Cr mah 电池容量电池测试记录 57

58 新华龙 RFID 电流测量 单次收发和待机接收电流测量 单次收发和待机电池容量消耗及电池寿命估算 休眠电流 1.2ua 5 欧姆电阻串接在电源上测量收发期间压降, 折线法估算功耗 待机状态单次接收耗电 11.16nah, 工作状态每次收发耗电 9.076nah 折算 3.6s 周期待机接收可待机 5 年,3.6s 周期工作收发, 可工作 6 年 128 倍加速测试证实可连续工作 17 天 58

59 59 RFID 其他性能评估 电池电压下降对发射功率有一定影响, 对接收基本无影响 电压 (V) 发射功率 (dbm) 接收灵敏度 (dbm) 空旷地带识读距离测试 读写器离地 1.5m 标签离地 1.5m 可靠识读距离 50m 最远识读距离 >100m 读写器安装高度 位置对识读距离有影响 标签佩戴位置 是否遮挡对识读距离有影响 环境电磁干扰对识读距离和正确率有影响

60 新华龙 RFID 上位机软件界面 整体界面 60

61 新华龙 RFID 上位机软件界面 读写器设置 RFID 设置 61

62 新华龙 RFID 外观及相关指标 RFID 读写器 62

63 新华龙 RFID 参考电路 读写器原理图 63

64 新华龙 RFID 参考电路 读写器 PCB 64

65 新华龙 RFID 参考电路 标签原理图 65

66 新华龙 RFID 参考电路 标签 PCB 66

67 C8051F9xx 对降低 RFID 功耗的优势 超低 RTC 休眠电流 (0.75ua 3V),32 位 RTC 时钟, 提供长达 36 小时的高精度定时唤醒功能, 适合 Beacon 模式定时唤醒收发 端口匹配唤醒功能休眠电流 (0.08ua 3V) 超低每 MHz 电流,160ua/MHz. 高速硬件 SPI(12.5MHz) 缩短和 RF 器件通讯时间 us 级的唤醒时间,CIP-51 增强的 51 内核,70% 指令 1-2 时钟周期, 缩短了 Active Mode 时间 提示 : 合理选择 ActiveMode 模式以及和外围器件接口的速度, 过低的速度可能会导致外部器件增加不必要的工作时间 67

68 Si4431 Si4438 对比及进一步降低功耗的可能性 RFID 标签功耗主要来自 RF 部分, MCU 工作电流 3ma, 仅 SPI 通讯和包处理时需要 Active, 端口匹配唤醒和 RTC 休眠唤醒, 真正 Active 时间仅数十 us Si4431 晶振起振电流 800ua( 约 500us),TX/RX Tune 8.5ma( 约 200us*2),RX 18.5 ma( 约 400us),TX 电流 30ma( 约 400us) Si4431 和 Si4438 对比 Standby 电流 450na->50na 可以将平均电流降低约 400na RX 接收电流 18.5ma->14ma 降低 24% 2(G)FSK 最高速度 256Kbps->500Kbps 收发时间缩短 48.8%( 灵敏度 识读距离下降 ) 晶体起振时间缩短 (500us->250us) TX/RX Tune 时间缩短 (200us-> 约 70us) 功率调节范围更大更精确 (-8~13dBm 8 级调节 ->-20~20dBm 128 级调节 ) 更好的节约发射电流 68 采用 Si4438 作为 RFID 标签射频部分, 可以将功耗再进一步降低 ( 初步估算 >40%)

69 低功耗无线透传模块应用 新华龙无线应用工程师 邹晓雷

70 无线透传模块构成及工作状态分析 MCU+RF 器件 MCU 提供串行通信接口 RF 器件提供空中射频通道 MCU 和 RF 器件之间通过 SPI 或者其他接口交换数据 MCU 侧需要随时监测上位机串口是否有数据下发 RF 器件需要随时监测空中射频信号是否有其他模块发来的数据, 并准备随时响应 MCU 的发射数据请求 70

71 EFM32 系列 MCU 超低功耗特性介绍 Cortex M0(ZG 系列 ) 和 Cortex M3(TG,G,GG,LG,WG) 内核 M0~M4 共 5 种工作工作模式 超低核心功耗 丰富的低功耗外围设备 外围设备级联功能 Si

72 72 EFM32TG 系列 MCU 各工作模式下可工作器件

73 低功耗无线透传 MCU 选型 8K 以上 Flash 资源 1K 以上 RAM 资源 SPI 接口 LEUART 接口 2~4 个 GPIO 其他资源 开发阶段选择资源留有一定余量 代码兼容 引脚 资源兼容可替换 73

74 无线透传模块 RF 器件选型 电能主要由 RF 部分消耗 对于数据传送量不大的应用, 功耗主要消耗在无线接收状态 Si4438 接收电流 14ma, 相对 Si4432 下降 24% F340 更快的唤醒时间 支持 LDC 模式, 更好的降低接收功耗 CP2201 WDS 提供更友好的软件支持 74

75 75 EFM32 引脚功能配置和工程建立

76 76 Si4438 Direct Tie 模块参考电路

77 77 无线透传模块参考电路

78 78 无线透传模块 PCB

79 79 Si4438 LDC 模式介绍

80 WDS 可配置无线应用引导生成 Si4438 LDC 接收例程 启动 WDS, 连接 Si4438 DK 板, 选择 Radio Configuration Application 没有 DK 选择 Simulation Si4438 Radio Configuraion Application 选择 LDC RX 应用, 配置相关射频参数 根据数据速率 包结构计算最小接收时长, 在 LDC 页面设置 RX time 根据可以接受的传输延时 功耗要求计算休眠时长, 设置 Sleep time 复制推荐的 TX 连续发包数, 将应用下载到 DK, 并生成相关工程源码 连接另一块 DK 板, 选择 Standard TX for LDC RX, 配置相关射频参数 在 Standard LDC 页面将 LDC RX 中复制的 TX 发包数粘贴到相应窗口 80 将应用下载到 DK 板, 并生成相关工程源码, 通过 DK 验证 LDC 收发

81 将 LDC 工程范例程序移植到 EFM32 工程 将相关工程的 src\drivers\radio 下文件以及 src\application 下 Radio 开头的文件迁移加入到 EFM32 的工程当中 ( 少量变量类型 指示语有所不同 ) 参照 Simplicity Studio 中的 Application Note 中的例子, 采用 EFM 相应功能代码取代 LDC 范例中对 SPI\IRQ\SDN\NSEL 等硬件的控制 比较 LDC 收发代码的不同, 在启动 LDC 收 发时进行相关寄存器的重设 参照 Simplicity Studio 中的 Application Note 中的例子, 增加对 LEUART 收发数据 缓冲 转发的处理, 实现和射频收发数据的转换 增加 LDC 收发到正常 RF 收发的定时切换处理 81

82 低功耗透传 RF LDC 工作模式的代价和改进建议 更大的传输延时和串口接收缓冲区随 LDC 占空比下降而增长 发送方需要重复多遍发包, 接收端要处理重复收包问题 增加代码的复杂程度 采用合适门限值的前导码检测中断加长前导码发送可以更好的降低占空比, 不需要重复发包 Si4438 Si4432 硬件不能自动支持这种方式, 需要低功耗 MCU 定时休眠唤醒来控制 RF 部分实现 82

83 EFM32 全球能效最高的微控制器

84 4x 电池寿命 与任何其他 8 16 或 32 位微控制器相比 84

85 EFM32 真正独一无二的微控制器 CPU 和存储器 时钟管理 能量管理 processor 处理器 Memory 存储器 Protection 保护单元 Unit 嵌入式跟踪宏单元 高频晶体振荡器 低频晶体振荡器 高频 RC 振荡器 低频 RC 振荡器 稳压器 掉电检测器 电压比较器 上电复位 Flash 程序存储器 RAM 存储器 调试接口 DMA 超低频 RC 振荡器 Auxiliary 辅助 RC RC 振荡器 Osc 后备电源 32 位总线 外设反射系统 串行接口 I/O 端口 定时器和触发信号 模拟外设 安全 USART 低功耗 UART USB UART I2C 外部总线接口 外部中断 引脚复位 TFT 驱动器 通用 I/O GPIO 唤醒 定时器 / 计数器 低功耗定时器 脉冲计数器 后备 RTC 低功耗传感器接口 实时计数器 看门狗定时器 ADC LCD 控制器 模拟比较器 DAC 运算放大器 IDAC AES 加速器 85 可用的功能 : EM0 ( 运行模式 ) EM1 ( 休眠模式 ) EM2 ( 深度休眠 ) EM3 ( 停止模式 ) EM4 ( 关断模式 )

86 使 EFM32 成为全球最高能效微控制器的 10 个因素

87 电池寿命与能耗的关系 能量 = 功率 时间 功率 活动模式功率 时间 休眠模式功率 总能耗 = 活动 + 休眠模式能耗 87

88 10 个高能效的因素 很低的活动模式功耗 减少的处理时间 很短的唤醒时间 EFM32TG EFM32ZG CoreMark/MHz Cortex-M0+ Cortex-M3 Cortex-M4 从休眠模式唤醒的时间 µs 88

89 10 个高能效的因素 超低待机电流 自主外设 外设反射系统 在 CPU 休眠期间运行 直接外设互联系统 3V 3V 包括 POR, BOD, RTC, RAM 和 CPU 保持 广泛的 DMA 支持 提升自主运行的价值 20 na 900 na 所有外设都可以自主运行 高度可配置 ARM Cortex-M 处理器 Z Z Z 反射生产者 反射消费者 Timer GPIO ADC DAC 外设 反射 系统 89

90 10 个高能效的因素 合理设计的能耗模式 超高能效的外设 低能耗传感器接口 EM0 运行模式 : 110 µa/mhz EM1 休眠模式 : 45 µa/mhz EM2 深度休眠模式 : 900 na RTC, 掉电检测, RAM 和 CPU 保持 EM3 停止模式 : 500 na 掉电检测, RAM & CPU 保持 EM4 关断模式 : 20 na 引脚 /GPIO 复位 RTC 字节后备存储器 : 400 na 模 / 数转换器 12 1 MSPS: 350 µa 低能耗 UART 完全的 UART, 使用 32 khz 时钟 baud/s LCD 控制器直接驱动最多 8x36 段 LCD 升压 / 对比度 / 动画 / 闪烁 550 na, 对于 4x40 段 LCD 深度休眠模式下的自主传感器监视 最多可同时处理 16 个传感器 高度可配置阻性 容性 感性 90

91 10 个高能效的因素 AEM 先进的能耗监视和 energyaware Profiler energyawareprofiler 是一款能耗调试工具, 它使用来自开发工具的先进能耗监视 (AEM) 数据来执行实时分析和曲线绘制以及对相关目标代码进行调试 91

92 Simplicity Studio 方便访问所有免费软件工具 总是可获得最近的更新和新闻 92 energyaware Profiler Simplicity Studio energyaware Designer energyaware Battery

93 全功能硬件工具 Zero Gecko 入门套件 Gecko 入门套件 Tiny Gecko 入门套件 Leopard/Giant/ Wonder Gecko 入门套件 Gecko 开发套件 Leopard/Giant/ Wonder Gecko 开发套件 套件器件号 EFM32ZG-STK3200 EFM32G-G8XX- STK EFM32TG-STK3300 EFM32LG-STK3600 EFM32GG- STK3700 EFM32WG- STK3800 EFM32G-DK3550 EFM32LG-DK3650 EFM32GG-DK3750 EFM32WG-DK3850 器件 EFM32ZG222F32 EFM32G890F128 EFM32TG840F32 EFM32LG990F256 EFM32WG990F256 EFM32GG990F102 4 EFM32G890F128 EFM32LG990F256 EFM32WG990F256 EFM32GG990F102 4 先进的能耗监视 USB J-Link 调试器 Yes Yes Yes Yes Yes Yes Yes Yes Yes Yes Yes Yes 插入式 MCU 和实验板 板上 J-Trace - - Yes Yes Yes 显示屏 x128 像素存储器 LCD 4x40 段 LCD 8x20 段 LCD 8x20 段 LCD 4x40 段 LCD 320x240RGB TFT 带触摸屏 320x240RGB TFT 带触摸屏

94 EFM32 性能比较 1 活动电流 25 3V 2 减少处理时间 3 快速唤醒时间 4 超低待机电流 5 自主外设 6 外设反射系统 7 合理设计的能耗模式 8 超高能效外设 9 低能耗传感器接口 10 先进的能耗监视 32 位 EFM32TG840F µa/mhz 1 Cortex M3 2 µs 0.9 µa Yes Yes Yes Yes Yes Yes 32 位 STM32L151xx 294 µa/mhz 1 Cortex M3 8 µs 4.5 µa (1.9 µa*) No No 部分 No No No 32 位 SAM4Lx 218 µa/mhz 1 Cortex M4 1.5 µs 50.3 µa (6.9 µa*) 部分 Yes 部分 No No 部分 32 位 KinetisL KL0x 175 µa/mhz 1.34 Cortex M0+ 4 µs 2.06 µa No No 部分 No 部分 No 16 位 MSP430F543x 226 µa/mhz 4.3 MSP430 5 µs 2.6 µa 部分 No 部分 No No No 16 位 PIC24F16KA µa/mhz 2.3 PIC24 1 µs (1 ms for PLL) * 掉电检测功能被禁止 0.93 µa No No 部分 No No No

95 240+ 可伸缩的低能耗 EFM32 MCU 整个家族软件兼容, 并且每种封装都引脚兼容 M4 M3 M0+ Zero Tiny Gecko Leopard Giant Wonder 可选功能 USB LCD TFT DSP 带 FPU USB LCD TFT USB LCD TFT LCD LCD 引脚兼容 EFM32TG110 EFM32TG108 EFM32ZG110 EFM32ZG108 EFM32G210 EFM32G200 EFM32TG210 EFM32ZG210 EFM32WG940 EFM32WG330 EFM32WG840 EFM32WG230 EFM32LG940 EFM32LG330 EFM32LG840 EFM32LG230 EFM32G230 EFM32TG840 EFM32TG230 EFM32G222 EFM32TG822 EFM32TG222 EFM32ZG222 EFM32WG942 EFM32WG332 EFM32WG842 EFM32WG232 EFM32GG332 EFM32LG942 EFM32LG332 EFM32LG842 EFM32LG232 EFM32G232 EFM32TG842 EFM32TG232 EFM32WG980 EFM32WG380 EFM32WG880 EFM32WG280 EFM32GG380 EFM32LG980 EFM32LG380 EFM32LG880 EFM32LG280 EFM32WG990 EFM32WG390 EFM32WG890 EFM3WG290 EFM32LG990 EFM32LG390 EFM32LG890 EFM32LG290 EFM32G840 EFM32G842 EFM32G880 EFM32G890 EFM32G280 EFM32GG390 EFM32G290 EFM32WG995 EFM32WG395 EFM32WG895 EFM32WG295 EFM32GG940 EFM32GG942 EFM32GG980 EFM32GG990 EFM32GG995 EFM32GG330 EFM32GG395 EFM32GG840 EFM32GG842 EFM32GG880 EFM32GG890 EFM32GG895 EFM32GG230 EFM32GG232 EFM32GG280 EFM32TG825 EFM32TG225 EFM32GG290 EFM32GG295 EFM32LG995 EFM32LG395 EFM32LG895 EFM32LG295 QFN24 QFN32 QFN64 QFP48 QFP64 QFP100 BGA48 BGA112 BGA120 最高 32 MHz Flash: 4-32 RAM: 2-4 最高 32 MHz Flash: 4-32 RAM: 2-4 最高 32 MHz Flash: RAM: 8-16 最高 48 MHz Flash: RAM: 32 最高 48 MHz Flash: RAM: 128 最高 48 MHz Flash: RAM: 32 95

96 EFM32 Zero Gecko 最高频率 : 24 MHz 4-32 KB Flash 2-4 KB RAM QFN24 (5x5mm) QFN32 (6x6 mm) QFP48 (7x7 mm) CPU 和存储器 时钟管理 能量管理 ARM Cortex-M0+ Cortex-M3 processor Flash Program Memory RAM Memory Memory Protection Unit Debug Interface Embedded Trace Macrocell DMA High Freq Crystal Osc Low Freq Crystal Osc Ultra Low Freq RC Osc High Freq RC Osc Low Freq RC Osc Auxiliary RC Osc Voltage Regulator Brown-out Detector Back-up Power Domain Voltage Comparator Power-on Reset USART Low Energy UART USB 串行接口 UART I2C External Bus Interface External Interrupt Pin Reset Peripheral Reflex System I/O 端口定时器和触发信号模拟外设 TFT Driver General Purpose I/O GPIO Wake-up 32 位总线 Timer/ Counter Low Energy Timer Pulse Counter Backup RTC Low Energy Sensor IF Real Time Counter Watchdog Timer ADC LCD Controller Analog Comparator DAC Operational Amplifier IDAC 安全 AES Accelerator 96

97 EFM32 Tiny Gecko 最高频率 : 32 MHz 4-32 KB Flash 2-4 KB RAM BGA48 (4x4 mm) QFN24 (5x5 mm) QFN32 (6x6 mm) QFN64 (9x9 mm) QFP48 (7x7 mm) QFP64 (10x10 mm) CPU 和存储器 时钟管理 能量管理 processor Flash Program Memory RAM Memory Memory Protection Unit Debug Interface Embedded Trace Macrocell DMA High Freq Crystal Osc Low Freq Crystal Osc Ultra Low Freq RC Osc High Freq RC Osc Low Freq RC Osc Auxiliary RC Osc Voltage Regulator Brown-out Detector Back-up Power Domain Voltage Comparator Power-on Reset 32 位总线 Peripheral Reflex System 串行接口 I/O 端口 定时器和触发信号 模拟外设 安全 USART Low Energy UART USB UART I2C External Bus Interface External Interrupt Pin Reset TFT Driver General Purpose I/O GPIO Wake-up Timer/ Counter Low Energy Timer Pulse Counter Backup RTC Low Energy Sensor IF Real Time Counter Watchdog Timer ADC LCD Controller Analog Comparator DAC Operational Amplifier IDAC AES Accelerator 97

98 EFM32 Gecko 最高频率 : 32 MHz KB Flash 8-16 KB RAM CPU 和存储器 QFN32 (6x6 mm) QFN64 (9x9 mm) QFP48 (7x7 mm) QFP64 (10x10 mm) QFP100 (14x14 mm) BGA112 (10x10 mm) 时钟管理 能量管理 processor Flash Program Memory RAM Memory Memory Protection Unit Debug Interface Embedded Trace Macrocell DMA High Freq Crystal Osc Low Freq Crystal Osc Ultra Low Freq RC Osc High Freq RC Osc Low Freq RC Osc Auxiliary RC Osc Voltage Regulator Brown-out Detector Back-up Power Domain Voltage Comparator Power-on Reset 32 位总线 Peripheral Reflex System USART Low Energy UART USB 串行接口 I/O 端口定时器和触发信号模拟外设 UART I2C External Bus Interface External Interrupt Pin Reset TFT Driver General Purpose I/O GPIO Wake-up Timer/ Counter Low Energy Timer Pulse Counter Backup RTC Low Energy Sensor IF Real Time Counter Watchdog Timer ADC LCD Controller Analog Comparator DAC Operational Amplifier IDAC 安全 AES Accelerator 98

99 EFM32 Leopard Gecko 最高频率 : 48 MHz KB Flash 32 KB RAM QFN64 (9x9 mm) QFP64 (10x10 mm) QFP100 (14x14 mm) BGA112 (10x10 mm) BGA120 (7x7 mm) CPU 和存储器时钟管理能量管理 processor Flash Program Memory RAM Memory Memory Protection Unit Debug Interface Embedded Trace Macrocell DMA High Freq Crystal Osc Low Freq Crystal Osc Ultra Low Freq RC Osc High Freq RC Osc Low Freq RC Osc Auxiliary RC Osc Voltage Regulator Brown-out Detector Back-up Power Domain Voltage Comparator Power-on Reset 32 位总线 Peripheral Reflex System USART Low Energy UART USB 串行接口 I/O 端口定时器和触发信号模拟外设 UART I2C External Bus Interface External Interrupt Pin Reset TFT Driver General Purpose I/O GPIO Wake-up Timer/ Counter Low Energy Timer Pulse Counter Backup RTC Low Energy Sensor IF Real Time Counter Watchdog Timer ADC LCD Controller Analog Comparator DAC Operational Amplifier IDAC 安全 AES Accelerator 99

100 EFM32 Giant Gecko 最高频率 : 48 MHz KB Flash KB RAM QFN64 (9x9 mm) QFP64 (10x10 mm) QFP100 (14x14 mm) BGA112 (10x10 mm) BGA120 (7x7 mm) CPU 和存储器时钟管理能量管理 processor Flash Program Memory RAM Memory Memory Protection Unit Debug Interface Embedded Trace Macrocell DMA High Freq Crystal Osc Low Freq Crystal Osc Ultra Low Freq RC Osc High Freq RC Osc Low Freq RC Osc Auxiliary RC Osc Voltage Regulator Brown-out Detector Back-up Power Domain Voltage Comparator Power-on Reset 32 位总线 Peripheral Reflex System USART Low Energy UART USB 串行接口 I/O 端口定时器和触发信号模拟外设 UART I2C External Bus Interface External Interrupt Pin Reset TFT Driver General Purpose I/O GPIO Wake-up Timer/ Counter Low Energy Timer Pulse Counter Backup RTC Low Energy Sensor IF Real Time Counter Watchdog Timer ADC LCD Controller Analog Comparator DAC Operational Amplifier IDAC 安全 AES Accelerator 10 0

101 EFM32 Wonder Gecko 最高频率 : 48 MHz KB Flash 32 KB RAM QFN64 (9x9 mm) QFP64 (10x10 mm) QFP100 (14x14 mm) BGA112 (10x10 mm) BGA120 (7x7 mm) CPU 和存储器时钟管理能量管理 ARM Cortex-M4 Cortex-M3 processor w/fpu Flash Program Memory RAM Memory Memory Protection Unit Debug Interface Embedded Trace Macrocell DMA High Freq Crystal Osc Low Freq Crystal Osc Ultra Low Freq RC Osc High Freq RC Osc Low Freq RC Osc Auxiliary RC Osc Voltage Regulator Brown-out Detector Back-up Power Domain Voltage Comparator Power-on Reset 32 位总线 Peripheral Reflex System USART Low Energy UART USB 串行接口 I/O 端口定时器和触发信号模拟外设 UART I2C External Bus Interface External Interrupt Pin Reset TFT Driver General Purpose I/O GPIO Wake-up Timer/ Counter Low Energy Timer Pulse Counter Backup RTC Low Energy Sensor IF Real Time Counter Watchdog Timer ADC LCD Controller Analog Comparator DAC Operational Amplifier IDAC 安全 AES Accelerator 10 1

102 EFM32 内核与外设

103 ARM Cortex-M0+ Cortex-M0+ 的突出特性 高性能 低功耗平台 0.93 DMIPS/MHz 2.40 CoreMark/MHz 可伸缩性好 软件 / 工具与 Cortex-M 兼容 单周期 GPIO 访问 100% C 编程 无需使用汇编语言 Thumb-2 指令集 代码尺寸比 8 位器件小 30% ZERO ARM Cortex-M0+ TINY GECKO LEOPARD GIANT WONDER ARM Cortex-M4 FPU 10 3

104 Cortex-M3 的突出特性 高性能 低功耗平台 1.25 DMIPS/MHz 3.32 CoreMark/MHz 可伸缩性好 软件 / 工具与 Cortex-M 兼容 Thumb-2 指令集 代码尺寸比 8 位器件小 30% 90 % 为 16 位指令 更少的取指次数 存储器保护单元 (G, LG, GG) 嵌入式跟踪宏单元 (LG, GG) ZERO ARM Cortex-M0+ TINY GECKO LEOPARD GIANT WONDER ARM Cortex-M4 FPU 10 4

105 ARM Cortex-M4 Cortex-M4 的突出特性 高性能 低功耗平台 1.25 DMIPS/MHz 3.40 CoreMark/MHz 数字信号处理指令 单周期 32 位 MAC 8 16 位 SIMD 算术运算 单精度 FPU 可伸缩性好 软件 / 工具与 Cortex-M 兼容 存储器保护单元 (G, LG, GG) 嵌入式跟踪宏单元 (LG, GG) ZERO ARM Cortex-M0+ TINY GECKO LEOPARD GIANT WONDER ARM Cortex-M4 FPU 10 5

106 时钟和振荡器 1,7,11,14,21,(28) MHz HFRCO 4-24/32/48 MHz HFXO 32 khz LFRCO khz LFXO 14 MHz AUXHFRCO HFCLK LFACLK LFBCLK CG TIMER DIV DIV CG USART CG ADC CG AES CG EBI CG DMA CPU Bus System CG CG CG LETIMER DIV LCD DIV RTC DIV CG PCNT LESENSE CG CG DIV LEUART0 LEUART1 DIV CG LESENSE Flash Write 1 khz ULFRC Trace Out HFPER HFCORE LFA LFB WDOG ZERO ARM Cortex-M0+ TINY GECKO LEOPARD GIANT WONDER ARM Cortex-M4 FPU 10 6

107 直接存储器访问控制器 DMA 的突出特性 完成在 Flash/RAM 与外设之间的传送 最多 12 个通道 多种工作模式 集散模式 乒乓模式 降低 CPU 工作负荷 减少延迟 4 ch 8 ch 8 ch 12 ch 12 ch 12 ch ZERO ARM Cortex-M0+ TINY GECKO LEOPARD GIANT WONDER ARM Cortex-M4 FPU 10 7

108 外设反射系统 ARM Cortex-M 处理器 Z Z Z 反射生产者 反射消费者 定时器 GPIO ADC DAC 外设 反射 系统 4 ch 8 ch 8 ch 12 ch 12 ch 12 ch ZERO ARM Cortex-M0+ TINY GECKO LEOPARD GIANT WONDER ARM Cortex-M4 FPU 10 8

109 外设反射系统 反射生产者 反射消费者 ACMP ADC ADC DAC DAC TIMER GPIO RTC 反射信号 LESENSE UART BURTC USART TIMER PCNT LETIMER LESENSE UART USART USB VCMP ZERO ARM Cortex-M0+ TINY GECKO LEOPARD GIANT WONDER ARM Cortex-M4 FPU 10 9

110 高频定时器 / 计数器 定时器 / 计数器的主要特性 最多 3 个 16 位定时器 向上 向下 上 / 下计数模式 正交解码器 3 个比较 / 捕获 /PWM 通道 死区插入 定时器 0 系统节拍定时器 集成在 Cortex-M 内部 OS 定时器 ZERO ARM Cortex-M0+ TINY GECKO LEOPARD GIANT WONDER ARM Cortex-M4 FPU 11 0

111 实时时钟计数器 RTC 的主要特性 实时计数器 24 位计数器 2 个比较值 时钟来自 LFXO/LFRCO/ULFRCO 在 EM0 EM2 可用 后备实时计数器 (LG/GG/WG) 32 位计数器 时钟来自 LFXO/LFRCO/ULFRCO 在 LFXO 发生故障时唤醒 在 EM0 - EM4 可用 可使用后备电源运行 ZERO ARM Cortex-M0+ TINY GECKO LEOPARD GIANT WONDER ARM Cortex-M4 FPU 11 1

112 低功耗定时器 低功耗定时器的主要特性 16 位计数器,8 位重复模式 时钟来自 LFXO/LFRCO 波形产生 外部元件 / 传感器占空比控制 在深度休眠模式 (EM2) 可用 EFM32 MCU RTC LETIMER ZERO ARM Cortex-M0+ TINY GECKO LEOPARD GIANT WONDER ARM Cortex-M4 FPU 11 2

113 脉冲计数器 脉冲计数器的主要特性 最多 3 个 8/16 位脉冲计数器 对上升沿或下降沿计数 异步正交解码器 在方向改变时产生中断 在停止模式 (EM3) 可用 ZERO ARM Cortex-M0+ TINY GECKO LEOPARD GIANT WONDER ARM Cortex-M4 FPU 11 3

114 看门狗定时器 看门狗定时器的主要特性 在系统运行异常时产生超时复位 超时时间在 9 ~ 256k 个时钟周期之间 时钟来自 ULFRCO/LFXO/LFRCO 具有锁定功能, 以防止意外修改 : 使能 / 禁止 寄存器设置 选择的振荡器 在 EM3 ( 停止模式 ) 可用 ZERO ARM Cortex-M0+ TINY GECKO LEOPARD GIANT WONDER ARM Cortex-M4 FPU 11 4

115 低功耗 UART LEUART 的主要特性 最多可有 2 个 LEUART 全功能 UART, 使用 32 khz 时钟 在深度休眠模式可用 在 9600 baud/s 时消耗电流 150 na DMA 支持 有效唤醒数据包 DMA RAM CPU 32-bit Bus LEUART Z Z Z RX ZERO ARM Cortex-M0+ TINY GECKO LEOPARD GIANT WONDER ARM Cortex-M4 FPU 11 5

116 SPI 和 UART SPI 和 UART 的主要特性 最多可有 3 个 USART UART/SPI ( 主 / 从 ) IrDA 智能卡 (ISO7816) 8 Mbps UART,16 Mbps SPI 主机 I 2 S 支持 (ZG, TG, LG, GG 和 WG) 最多可有 2 个 UART USART 的子集, 支持异步通信 ZERO ARM Cortex-M0+ TINY GECKO LEOPARD GIANT WONDER ARM Cortex-M4 FPU 11 6

117 I²C I 2 C 的主要特性 最多可有 2 个 I 2 C 外设 I 2 C 和 SMBus 支持 数据率最高可达 1 Mbps 硬件地址识别功能在 EM3 可用 EFM32 I 2 C master/slave SCL SDA V DD Other I 2 C master Other I 2 C slave I 2 C EEPROM ZERO ARM Cortex-M0+ TINY GECKO LEOPARD GIANT WONDER ARM Cortex-M4 FPU 11 7

118 通用串行总线控制器 USB 的主要特性 符合 USB 2.0 标准 支持 USB 设备和主机 全速 (12 Mbps) 14 个端点 (2 KB 缓存 ) 集成 3.3V 稳压器 ( 最大 100 ma) USB 专用的 DMA 预编程的 USB 设备 Bootloader Simplicity Studio 提供免费协议栈 大容量存储主机 / 设备 人机接口主机 / 设备 供应商唯一设备 通信类设备 (USB-to-RS232) ZERO ARM Cortex-M0+ TINY GECKO LEOPARD GIANT WONDER ARM Cortex-M4 FPU 11 8

119 带 RTC 的后备电源域 后备电源域的主要特性 在主电源发生掉电时自动切换到后备电源 检测阈值可编程 32 位后备 RTC 的时钟来自 : LFXO LFRCO ULFRCO 保存主电源掉电时的时间戳 512 字节后备寄存器 EFM32 后备实时计数器 稳压器 上电复位 低频晶体振荡器 后备电源域 后备寄存器 512 字节 引脚复位 低频 RC 振荡器 超低频 RC 振荡器 Main power domain CPU and other Peripherals Real Time Counter GPIO Wake-up I/O State Retentio n ZERO ARM Cortex-M0+ TINY GECKO LEOPARD GIANT WONDER ARM Cortex-M4 FPU 11 9

120 低功耗存储器 存储器的主要特性 Flash ( KB) 512 字节指令 Cache ZG, TG, LG, GG 和 WG 在大于 16 MHz 时提升性能 降低功耗 写时读 -Giant Gecko 器件 RAM (2 128 KB) 在 EM3 可完全保持 Zero Gecko 4 32 KB Flash 2 4 KB RAM Tiny Gecko 4 32 KB Flash 2 4 KB RAM Gecko KB Flash 8 16 KB RAM Leopard Gecko KB Flash 32 KB RAM Wonder Gecko KB Flash 32 KB RAM Giant Gecko KB Flash KB RAM ZERO ARM Cortex-M0+ TINY GECKO LEOPARD GIANT WONDER ARM Cortex-M4 FPU 12 0

121 外部总线接口 EBI 的主要特性 标准 EBI (Gecko) 外部 SRAM 显示 (8080 接口 ) 存储器映射的器件 Giant/Leopard/Wonder Gecko EBI APB AHB EBI Memory Interface Data/Address CONTROL EBI_A[27:0] EBI_AD[15:0] EBI_WEn EBI_REn EBI_BLn[1:0] EBI_CSn[3:0] Gecko EBI 兼容 EBI_ARDY 4 个片选具有独立时序 Timing EBI_ALE 32 位数据访问 代码执行 Polarity MODE EBI_NANDWEn EBI_NANDREn 28 根地址线和 16 根数据线 NAND Flash 支持 ZERO ARM Cortex-M0+ TINY GECKO LEOPARD GIANT WONDER ARM Cortex-M4 FPU 12 1

122 TFT 驱动器 TFT 驱动器的主要特性 TFT/(AM)OLED 显示 全部视频数据来自外部存储器 0% CPU 负荷 Z Z Z EFM32 320x240 pixels 60 fps 480x320 pixels 30 fps 支持无内部帧缓存的显示 CPU 带 TFT 驱动器的外部总线接口 外部存储器 加速图形更新 滚动 矩形复制 透明混合处理 位屏蔽 免费的 Segger emwin 图形库 ZERO ARM Cortex-M0+ TINY GECKO LEOPARD GIANT WONDER ARM Cortex-M4 FPU 12 2

123 通用输入 / 输出 GPIO 的主要特性 最多可有 93 个 GPIO 引脚 可配置 上拉 / 下拉 输入 / 输出使能 驱动强度 (0.5 / 2 / 6 / 20 ma) 输入滤波器 16 个引脚中断 复用功能 单周期 GPIO 访问 -ZG 在 EM4 GPIO 可触发复位 ZG, TG, LG, GG 和 WG UART 定时器 RX TX PWM ZERO ARM Cortex-M0+ TINY GECKO LEOPARD GIANT WONDER ARM Cortex-M4 FPU 12 3

124 高能效的 LCD 控制器 LCD 控制器的主要特性 : 直接驱动段式 LCD 显示 G( 最多 4x40 段 ) TG ( 最多 8x20 段 ) LG, GG, WG ( 最多 8x36 段 ) 高能效 550 na-4x na -1x40 可配置 : 对比度 段闪烁 / 动画 集成升压器 ZERO ARM Cortex-M0+ TINY GECKO LEOPARD GIANT WONDER ARM Cortex-M4 FPU 12 4

125 模 / 数转换器 ADC 的主要特性 12 1 Msps: 350 µa 可配置分辨率 : 12 8 或 6 位 最多可有 8 个输入通道 集成温度传感器 内部 / 外部参考电压 扫描 / 单次转换 硬件控制的热身 ZERO ARM Cortex-M0+ TINY GECKO LEOPARD GIANT WONDER ARM Cortex-M4 FPU 12 5

126 数 / 模转换器 DAC 的主要特性 12 位分辨率 ksps 2 个独立通道 连续 / 采样和保持 内部参考电压 正弦波产生模式 PRS/DMA 触发 ZERO ARM Cortex-M0+ TINY GECKO LEOPARD GIANT WONDER ARM Cortex-M4 FPU 12 6

127 电流 DAC IDAC 的主要特性 可配置的 µa 输出 4x32 级 仅 10 na 电流开销 PRS 触发的操作 为外部器件提供偏置 例如放大器 ZERO ARM Cortex-M0+ TINY GECKO LEOPARD GIANT WONDER ARM Cortex-M4 FPU 12 7

128 模拟比较器 ACMP 的主要特性 最多可有 2 个模拟比较器 每个比较器有 8 个输入引脚 可编程的速度 / 电流 4.5 µs / 0.1 µa 0.2 µs / 2 µa 可选择的滯回电压 8 级, 最大 ±70mV 内部参考电压 1.25/2.5 V 带隙基准 按比例缩小的 VDD (64 级 ) DAC 输出 电容触摸感应模式 ZERO ARM Cortex-M0+ TINY GECKO LEOPARD GIANT WONDER ARM Cortex-M4 FPU 12 8

129 运算放大器 运算放大器的主要特性 集成 3 个轨至轨运算放大器 输入可来自引脚 DAC 或其他运放 DAC 输出到引脚 ADC 或其他运放 多种配置模式 可编程增益 反相 / 同相 级联 VDD GND Out ADC Next OPAMP 6.1 MHz 增益带宽积 µa 活动电流 GND 65 度相位容限 1 mv 偏移电压 ZERO ARM Cortex-M0+ TINY GECKO LEOPARD GIANT WONDER ARM Cortex-M4 FPU 12 9

130 低功耗传感器接口 (LESENSE) ZERO ARM Cortex-M0+ TINY GECKO LEOPARD GIANT WONDER ARM Cortex-M4 FPU 13 0

131 低功耗传感器接口 (LESENSE) ZERO ARM Cortex-M0+ TINY GECKO LEOPARD GIANT WONDER ARM Cortex-M4 FPU 13 1

132 低功耗传感器接口 (LESENSE) ZERO ARM Cortex-M0+ TINY GECKO LEOPARD GIANT WONDER ARM Cortex-M4 FPU 13 2

133 LESENSE 测量类型 电阻测量 占空比供电 总电流低至 1.3 µa Power supply LESENSE 电容测量 张弛振荡器 总电流低至 1.3 µa LESENSE 电感测量 金属 谐振腔传感器 测量电感振荡的衰减速度 总电流低至 1.5 µa LESENSE ZERO ARM Cortex-M0+ TINY GECKO LEOPARD GIANT WONDER ARM Cortex-M4 FPU 13 3

134 低功耗传感器接口 (LESENSE) LESENSE 的主要特性 在深度休眠模式自主感测 具有集中控制逻辑的 LESENSE ACMP 用作传感器输入 DAC 用于产生参考电压 测量最多 16 个传感器 感性 (LC) 容性 ( 例如容性按钮 ) 一般模拟传感器 ( 例如阻性传感器 ) 可编程的状态机 16 个状态,4 个输入通道 可执行正交解码 在发生传感器事件时产生中断 /PRS 信号 ZERO ARM Cortex-M0+ TINY GECKO LEOPARD GIANT WONDER ARM Cortex-M4 FPU 13 4

135 电源监视 电源监视的主要特性 1.85 V ~ 3.8 V 上电复位 总是被使能 掉电检测器 在 EM0 EM3 被使能 在 EM4 可用 -LG/GG/WG 电源比较器 可编程触发电平 中断触发 ZERO ARM Cortex-M0+ TINY GECKO LEOPARD GIANT WONDER ARM Cortex-M4 FPU 13 5

136 调试 / 编程 调试 / 编程单元的主要特性 2 线串行线调试接口 调试 / 编程 1 线串行线观测器输出 ( 在 ZG 中没有 ) printf 形式的调试信息 PC 采样 5 线嵌入式跟踪宏单元 (LG/GG/WG) 指令和数据跟踪 调试锁定 固件保护 与编程的 Bootloader UART 所有 EFM32 UART+USB 带 USB 的器件 ZERO ARM Cortex-M0+ TINY GECKO LEOPARD GIANT WONDER ARM Cortex-M4 FPU 13 6

137 AES 加密加速器 AES 的主要特性 How are you? AES &G#%5( F 加密 / 解密 128/256 54/75 个周期 比软件快 倍 运行中产生密钥 I am fine AES!T4/#2@(2 不需存储器 在 128 位模式有密钥缓存功能 不需重新加载密钥 DMA 支持自主加密模式 ZERO ARM Cortex-M0+ TINY GECKO LEOPARD GIANT WONDER ARM Cortex-M4 FPU 13 7

138 C8051F85x/6x 微控制器 低成本 高性能 8 位解决方案

139 Silabs 推出 C8051F85x/6x MCU 系列 最高集成度 最低成本 最多可达 8 kb flash 和 512 字节 RAM 16 通道 12 位 200 ksps ADC 两个模拟比较器 多个串行外设 UART, I 2 C, SPI 符合 AEC-Q100 标准, 40 to 125 C 的扩展温度范围 高性能 CPU (25 MHz) 高效 增强型 8051 流水线结构 允许实时控制和中断处理 胜任复杂算法 多种封装选择 QFN20, 3 mm x 3 mm SOIC16 QSOP24 经过完全测试的裸片 低成本 高性能 功能丰富的 MCU 产品 13 9

140 C8051F85x/6x MCU 系列框图 程序存储器 (Flash) 2 ~ 8 kb 在系统可编程 5 ms 页擦除时间 100K 写 / 擦除周期 看门狗定时器上电复位掉电复位 CPU 25 MHz 内核 (70% 的指令仅需 1-2 个时钟周期 ) 内部振荡器 24.5 MHz 80 khz 数据存储器 (RAM) 256/512 字节 16 位 CRC I 2 C SPI UART 4 个 16 位定时器 3 个 16 位 PWM ( 硬件故障保护 ) 16 通道 12 位 ADC 电压基准 (2% 精度 ) 温度传感器 2 个模拟比较器 低成本 高集成度的 8 位 MCU 产品系列 14 0

141 同类最佳的模拟外设 真 12 位 ADC 可编程的采样时间和分辨率 位分辨率 位分辨率 最多可有 16 个通道 0.5x 或 1x 的可编程增益 窗口比较 温度传感器 内部高精度电压基准 电压输出 1.65 V ±2% 的绝对精度 ADC Block 模拟比较器 两个模拟比较器 可编程的回差电压和响应时间 100 ns 1.5 µs 模拟多路器 灵活的模拟多路器用于选择 ADC 和比较器输入 ADC 和比较器的输入可独立配置 允许在比较器检测一个通道的同时 ADC 对另一通道进行转换 比较器和 ADC 的输入选择 14 1

142 C8051F85x/6x 系列器件 存储器 8 kb Flash 512 B RAM C8051F850 C8051F853 C8051F850 C8051F853 C8051F860 C8051F863 Key 全功能器件 4 kb Flash 512 B RAM C8051F851 C8051F854 C8051F851 C8051F854 C8051F861 C8051F864 无 ADC 2 kb Flash 256 B RAM C8051F852 C8051F855 C8051F852 C8051F855 C8051F862 C8051F865 QFN20 (3 mm x 3 mm) QSOP24 SOIC16 C8051F85x/6x 系列器件 在 3 mm x 3 mm QFN20 这样的超小封装内集成 8 kb Flash 有 QFN QSOP 和 SOIC 封装 相同的封装有不同的存储器选项 14 2

143 低成本 高性能 MCU 客户获益 丰富的功能 客户获益 简化设计 客户获益 缩短设计时间 功能丰富 高性能 25 MHz 8051 核 最多可有 8 kb 的 Flash 和 512 字节的数据存储器 多个模拟外设 (ADC 两个比较器 ) 多个数字外设 (16 位定时器 PCA) 多个通信外设 (UART SPI I 2 C) 高度集成 精确的电压基准 24.5 MHz 低功耗和 80 khz 低频振荡器 温度传感器 容许 5 V 电压的 I/O 交叉开关控制 成熟的开发工具 针对 Silicon Labs Studio 的免费 无限制的 Keil PK51 开发套件 提供样例代码 14 3

144 C8051F85x/6x 的目标市场 小封装 高速度 优异的模拟性能使其成为下列应用的理想选择 : 有刷 / 无刷电机控制 光模块 传感器接口 现有的 C8051F33x/30x 应用 14 4

145 C8051F85x/6x 在电机控制领域的应用 无传感器的 BLDC 电机控制演示套件 14 5

146 用于电机控制的增强功能 电机控制多路器 灵活的比较器多路器支持无传感器 BEMF 换向 通用的多路器结构支持多个输入引脚 每个输入引脚都可被连接到比较器的 (+) 或 (-) 输入 比较器输入与 ADC 复用 减少执行无传感器 BEMF 换向所需要的引脚数 带硬件故障保护的 PWM PWM 信号 CMP 输出 PWM 输出 3 通道 8-11 位或 16 位 PWM 逐个周期电流控制 比较器清零功能 ( 硬件故障保护 ) 输出极性选择控制 中心或边沿对齐 PWM 支持电机控制和电源应用 14 6 比较器清零功能

147 C8051F85x/6x 用于电机控制 C8051F85x/6x 目标应用 小电机 遥控直升机 小汽车 电子调速器 (ESC) PC 风扇 电风扇 电动工具 切割机 电剪 割草机 敲钉机 订书机 小家电 搅拌机 研磨机 电动剃须刀 电动牙刷 真空吸尘器 冷凝器 蒸发器 14 7

148 C8051F85x/6x 用于光模块 光模块用 MCU 的市场领跑者 最快的 CPU 全面的模拟外设 小封装 因为无需外部温度传感器和晶体而节省成本和 PCB 面积 C8051F85x/6x 在光纤通信领域的目标应用 数据速率最高可 2.5 Gbps 的光纤到户 (FTTH) 网络 C8051F85x 具有适合在光模块中使用的差异化特性 : 特性功能益处 25 MIPS CPU,2 个中断优先级更快的通信速度和更低的中断延迟提供更严格的控制回路 12 位快速 ADC 快速和精确地测量控制信号减小 PCB 尺寸和降低 BOM 成本 3 mm x 3 mm 小封装小 PCB 尺寸适合空间受限的模块 3 个 PWM 提供最多 3 个独立的传感器激励电流减小 PCB 尺寸和降低 BOM 成本 14 8

149 C8051F85x/6x 用于传感器接口 已有传感器应用的成功记录 在整个工作电压和温度范围保证 12 位性能 一致的产品质量 简化的设计要求 适合使用集成传感器接口的各种终端产品 操纵杆 工业传感器 / 控制器 安防 家居自动化 电阻 压力 光学传感器 加速度计 流量计等 C8051F85x 具有适合于传感器应用的差异化特性 : 特性功能益处 12 位快速 ADC 测量小信号传感器输出减小 PCB 尺寸和降低 BOM 成本 5 ms Flash 页擦除时间 允许更快速地对 Flash 编程 使 CPU 腾出时间执行其他功能 3 mm x 3 mm 小封装小的电路板面积适合空间受限的传感器模块 3 x PWM 提供最多三个独立的传感器激励电流减小 PCB 尺寸和降低 BOM 成本 25 MIPS CPU 两个中断优先级快速中断处理实时传感器总线通信 14 9

150 与竞争产品的比较 与其他厂商的同类产品相比具有很强的竞争力 F85x/6x 产品 A 产品 B 产品 C 产品 D 产品 E 频率 25 MHz 16 MHz 8 MHz 12 MHz 16 MHz 16 MHz Flash 8 kb 8 kb 3.5 kb 2 kb 8 kb 4 kb RAM 512 B 512 B 128 B 128 B 1 kb 256 B I/O 定时器 4/16 位 2/16 位 1/16 位, 2/8 位 t 2/16 位 3/16 位, 1/8 位 2/16 位 UART Y Y - Y Y - I 2 C Y Y - Y Y - SPI Y Y - Y Y - ADC 12 位 16 通道 10 位 8 通道 10 位 4 通道 10 位 8 通道 10 位 5 通道 10 位 4 通道 比较器 Y(2) Y Y Y - - 电源电压 V V V V V V 封装 QFN20 TSSOP20 SOIC8 TSSOP14 QFN20 SOIC8 备注 电机 低功耗 电容触感 电容触感 电容触感 EEPROM - C8051F85x/6x 的主要优势 25 MHz 高效 CPU 16 通道的 12 位 ADC 2 个模拟比较器 可配置分辨率的 PWM 多个串行接口 4 个 16 位定时器 电机控制专用特性 交叉开关 C8051F85x/6x 的价值定位 为客户提供性能升级而不增加成本 提供经过完全测试的 定制编程的裸片解决方案 15 0

151 齐备的开发工具支持快速设计 C8051F85x/6x 开发套件 ($64.00 MSRP) 您开始开发所需要的所有硬件和软件! C8051F850 目标板 CD-ROM 包含软件和文档 ToolStick 初学者套件 ($9.90 MSRP) 简单 低价的评估工具 软件支持 Silicon Labs IDE 免费 无限制的 Keil PK51 专业开发工具支持 配置向导 外设库函数 样例代码 数据手册 用户指南 应用笔记 数据手册 产品简介和参考手册 针对 FAQ 和常见问题的知识库 C8051F850-B-DK 零售价 $64.00 ToolStick850-B-SK 零售价 $

152 Silicon Labs 增加免费 Keil 工具 新的 8 位微控制器工作室软件包含免费的 Keil PK51 开发套件 免费! 无代码限制 以前提供的是具有 4k 代码限制的评估版 最佳的 8051 开发工具 对所有 Silicon Labs 8 位 MCU 可用 在下面的网页填写简单的表格即可获取免费的 PK51 产品密钥 : 从下面的网页下载并注册 :

153 C8051F85x/6x 小结 功能完备 最高性能 8 kb ISP Flash 和 512 字节 RAM 丰富的模拟和数字外设 多个通信外设 内部振荡器 扩展温度范围 高性能 25 MHz 内核 16 通道 12 位 200 kspsadc 3 通道 分辨率可配置 (8-11 或 16 位 ) 的增强型 PWM 5 ms Flash 页擦除时间和 100K 写 / 擦除周期 免费的 Keil PK51 开发套件 小封装 (3 mm X 3 mm) 高度集成 最少的外部 BOM 低总体成本 设计的平台可重用性 多种封装选项 样例代码 评估板和 IDE 简化设计 15 3

154 EFM32 低功耗单片机 血压计参考设计

155 血压计方案简介 电子血压计具有无创性 / 操作简单 / 使用方便等特点, 得到了广泛的应用 血压计, 可以快捷的获得患者的血压, 脉搏等体征参数, 方便患者 血压计方案的核心芯片是 SILICON LABS 的超低功耗 M3 内核 ARM 芯片 EFM32TG842F32, 集成了 8 通道 12 位 ADC,3 个 8/16 定时器 ( 包含一个低功耗定时器 ),4K RAM,32K FLASH 带有低功耗串口, 低功耗定时器及低功耗传感器 128/256-bit AES 硬件加密, 可以很好的保护您的知识产权 可电测供电, 具有 5 种功耗模式, 强大的外设反射系统, 无需 CPU 的干预即可实现外设间通信 触发 在停止 (EM4) 模式下, 最低电流可达 20nA@3V 可以非常好的满足医疗产品体积小, 功耗低,RAM 相对较大, 运算快的要求 15 5

156 血压测量原理 血压计方案血压测量采用示波法, 示波法又称为压力振荡法 袖带内的压力曲线如图 1 所示, 使用 EFM32TG842F32 的 12 位 AD 采集此波形, 并计算出收缩压和舒张压 图

157 血压测量原理 测量血压的方法 : 波形特征法 幅度系数法 幅度系数法 又称 归一法 它是将脉搏波振动信号的幅值与信号的最大幅值相比进行归一化处理, 通过确定收缩压和舒张压的归一化系数来识别收缩压与舒张压, 如下图所示 15 7

158 血压测量原理 血压 / 脉搏判断方法 : 收缩压判据的确定 : 在充气过程中脉搏波幅度包络线的上升段, 可以检测出收缩压 舒张压判据的确定 : 在脉搏波幅度包络线的下降段, 可以检测出舒张压 心率指心脏每分钟搏动的次数 由于心脏与脉搏搏动一致, 所以在测量血压的同时可以测得心率 15 8

159 血压计方案框架图 Filter circuit Pressure Sensor AMP Motor/Pump Valve Pressure Driver ADC ADC I/O EFM32 TG842 F32 SW LCD DEBUG LCD module VDD Key LED driver wireless Voltage Motor Input/Output LCD Display MCU 2-pin Debug interface Data Acquisition and drive Power The parts of in Dotted lines is options Power supply DC/DC 15 9

160 无线血压计硬件电路 气动部分 : 气动电路由袖带 气泵 压力传感器和放气阀构成 压力传感部分 : 本方案选择 US9111 传感器 + 两路滤波放大电路 滤波放大部分 : 将压力传感器的信号分离为脉搏信号和静压信号, 具体电路如图

161 无线血压计硬件电路 图 4 滤波放大电路 : 此电路不仅可以提取出所需的脉搏信号, 还对微弱的脉搏信号进行了放大 脉搏信号的强度因人而异, 但一般范围为 1~3 mmhg 16 1

162 低功耗工作处理流程 初始化 第一次上电, 程序初始化芯片, 设置时钟内部振荡器频率为 14MHZ, 初始化外设 :Timer0,LETIMER,ADC0,LCD, 及 IO 口配置 电流消耗约 150uA/MHz 初始化定时器为 10ms 产生一次中断, 做为系统的工作时基 Timer0 电流消耗 122.5uA; LETIMER0, 电流消耗 150nA. ADC0 初始化为内部 2.5V 参考电压,12 位 ADC0 以 16 倍过采样达到 14bit 采样精度, 取其中的 12 位 ADC 转换结果 ADC 开启时, 电流消耗 64uA. LCD 配置为低功耗模式, 电流消耗 550nA IO 控制外围器件 (LED 指示灯, 充气泵, 放气电磁阀, 运放 ) 的开启和关断 在全速运行转换模式下, 以上外设才通过三极管开启 IO 口配置为输出驱动电流 2mA 16 2

163 低功耗工作流程 主程序 程序进入 while(1) 循环后工作流程 : LCD 显示全部段码, 以便检验 LCD 显示模块是否正常 程序进入 EM2 低功耗模式, 内部高速振荡器和 TIMER0 停止,M3 内核停止运行 内部 KHz 的 LFRCO 提供系统时钟,LCD 仍可保持显示 ( 有 SEG 口可显示动画和闪烁 ) LFRCO 消耗电流 1.1uA@25,LCD 消耗电流 550nA 通过 LETIMER 定时 1 分钟后, 若无动作, 则进入 EM4 模式,M3 内核停止运行, 所有外设停止 只能通过 IO 口的电平变化和外部复位来唤醒 MCU 电流消耗 20nA. 超低功耗模式等待 MCU 被唤醒 MCU 被唤醒后, 等待启动信号,MCU 进入全速运行模式, 控制充放气,ADC 检测, 定时器, 血压及脉膊计算, 控制显示等 16 3 转换完成后,MCU 即进入 EM2 省电模式, 持续显示 1 分钟后, 进入深度睡眠模式, 等待 MCU 被外部用户按键唤醒

164 EFM32TG110FXX 超低功耗单片机脉搏血氧仪参考设计

165 方案简介 脉搏血氧仪以无创方式通过手指检测人体的血氧饱和度 同时还可以检测动脉脉动, 因此也可以计算心率, 是测量人体动脉血液中氧气含量的一种医疗设备, 适用于家庭 医院 社区医疗 运动保健等范围 脉搏血氧仪具有体积小 功耗低 便携 操作方便等特点 方案的核心芯片是 EFM32TG110F32 芯片, 它是基于 ARM 公司的 32 位 Cortex-M3 内核设计而来, 对比于传统的 8 位 16 位单片机, 它具有更高的运算和数据处理能力, 更高的代码密度, 更低的功耗 EFM32 在执行 32 位乘法运算仅需 4 个内核时钟周期,32 位除法运算仅需 8 个内核时钟周期 ;EFM32 具有 EM0-EM4 共 5 种低功耗模式, 在 EM4 的低功耗模式下, 仅需 20nA, 微控制器可以非常好的满足医疗产品体积小, 功耗低, 运算快的要求 16 5

166 EFM32 方案优势 相对于传统的 8 位 16 位单片机实现的脉搏血氧仪, 基于 EFM32 实现的本方案具有以下优势 : 超低功耗 EFM32 是全球最低功耗的 32 位微控制器 处理同步信号时工作于 EM0 模式功耗仅为 150uA/MHz, 之后即可进入 EM4 的低功耗模式, 此时的内核功耗更是低至 20nA 由于脉搏血氧仪为电池供电, 对功耗有很高的要求, 因此 EFM32 的低功耗具有明显的优势 集成度高, 性能高 EFM32 采用 ARM 公司的 Cortex-M3 内核设计, 其运算性能优异, 支持硬件乘法器及除器, 支持 ARM 和 Thumb2 指令集, 程序代码密度高, 执行效率快 内置 ADC 模块在 12bit,1Msps 的速率下功耗低至 350μA, 在脉搏血氧仪方案应用中能够更快速地计算血氧饱和度及脉搏次数, 因此 CPU 处在正常运行模式时间短, 可更多时间处于睡眠状态, 降低整体方案的功耗 集成度高, 性能高 EFM32 的 ZG TG G GG 系列之间具有良好的兼容性, 同型号不同系列的芯片是 pin-pin 兼容, 保证用户在统一的硬件平台上, 可进行不同功能需求的裁剪 Flash 资源从最低的 4KB~1024KB,RAM 资源从 2KB~128KB 16 6

167 检测原理 适用人群 检测原理 人体的细胞组织 静脉血管 骨骼等都对光线有不同的吸收量, 当动脉随心脏收缩和舒张而搏动时随着血液流量的增加和减少对光的吸收量不同, 将心脏的舒张和收缩时对光线的不同吸收率转化为血氧饱和度的测量结果, 一般分别采用波长为 660nm 的红光和波长为 940nm 的红外光 同时根据吸收量变化来检测人体的心率 适用人群 病人在急救和转运过程中 消防抢险 高空飞行必须监测血氧 ; 心脏病 高血压 糖尿病人, 特别是老人都会有呼吸方面的问题, 监测血氧指标可很好地了解自己的呼吸 免疫系统是否正常, 血氧饱和度已成为普通家庭日常监测的重要生理指标 ; 医护人员在查房和出诊是也将血氧作为必监测项目 16 7

168 操作原理 打开电源将手指放入具有红光 红外光发射管和接收管的指夹中, 几秒过后可以得到数据, 如下图所示 : 红光 红外光发射管 主控 + 显示 红外接收管 16 8

169 测量原理 接收信号 透射的 入射的 动脉 衰减的 静脉及其他组织 手指头的肌肉 骨骼 皮肤都会入射光造成吸收, 静脉血会对它造成吸收, 动脉也会造成吸收, 但动脉里面分为存量和脉动式的, 如果测量出来的数据如上图所示 16 9

170 方案框架图 手指 接收二极管 信号放大滤波 发光二极管 LED 驱动电路 EFM32TG110F LCD 显示 按键 方案的整体架构图 17 0

171 低功耗具体流程 第一次上电, 初始化 PORT OSCILLATOR TIMER ADC,DAC, LCD, 设置时钟内部振荡器频率为 14MHZ, 电流消耗约 150uA/MHz 初始化定时器为 10ms 产生一次中断, 做为系统的工作时基, 每隔 10ms 启动红光 LED, 延时 400us 采集 AD 值,ADC0 初始化为 VDD 参考电压,12 位 ADC0 以 16 倍过采样达到 14bit 采样精度,ADC 开启时, 电流消耗 64uA. 关闭红光 LED; 延时 100us, 启动红外 LED, 延时 400us 采集 AD 值, 关闭红外光 LED; 判断是否有手指, 如果有手指则采集 250 次数据, 计算血氧饱和度及脉搏显示到 LCD; 如果检测无手指并且无手指时间 >10s, 则进入 EM4 模式,M3 内核停止运行, 所有外设停止 只能通过 IO 口的电平变化和外部复位来唤醒 MCU 电流消耗 20nA 超低功耗模式等待 MCU 被唤醒, 如果按键按下,MCU 被唤醒进入 EM0 模式, 测量血氧饱和度及脉搏

172 性能参数 Spo2( 血氧饱和度 ) 测量范围 70%~100% 分辨率 1% 精度 70%~100%, +-2% :70% 以下未定义 心率 测量范围 分辨率 精度 25~250bpm 1bpm 2bpm 电源 两枚 1.5v 碱性电池 电流 工作电流 30mA 休眠模式小于 1uA 17 2

173 EFM32TG110FXX 超低功耗单片机 医疗 ( 红外测温仪 ) 参考设计

174 红外测温医疗方案 项目背景 体温是一个重要的生命参数, 为医生提供了重要生理状态信息, 因此对人体温度测量不仅可以确诊某些疾病的发生, 还可以对隐藏于身体内部的健康隐患起着积极的预防和警示作用 在进行体温监测时, 主要有三个基本要求 : 非接触, 测量的快速性, 准确性 国内外研究现状 非接触红外体温检测技术用于人体温度的快速测量, 产品需求量很大, 国际国内中, 精度高的测量仪器成本高, 功耗大, 不宜家庭使用所以研制价格低廉, 功耗低的测量仪器非常必要 17 4

175 红外测温医疗方案简介 红外测温具有 / 操作简单 / 测量精度高 / 测量快速等特点, 得到了广泛的应用 方案的核心芯片是 EFM32TG110F32 芯片 内核 微控制器, 处理能力可达到 1.25DMIPS/MHz; 非常低的工作功耗, 在 3V@25MHz 时仅为 150uA/MHz; 集成 ADC 包括 12 低功耗 UART,4K RAM,16K FLASH,AES 加密 丰富的功耗模式, 比如工作模式, 睡眠模式, 深度睡眠模式, 待机模式, 以及关断模式 CPU 在睡眠状态下, 所有外设仍可自主的完成高级任务 ; 最低待机电流可达 20nA; 低功耗运行电流为 900nA 可以非常好的满足医疗产品体积小, 功耗低, 运算快的要求 17 5

176 方案框架图 ADC UART 按键 I/O EFM32TG110F32 SPI LCD VDD 温度传感器 I2C SDA Voltage Motor SCL LCD Display MCU Communication Interface Power 电源 DC/DC I/O port The parts of in Dotted lines is options 17 6

177 红外体温计硬件电路 测温传感部分 : 本方案选择 MLX906 系列红外传感器 EFM32TG110F32 接口部分 : 将红外传感器测量的温度值, 通过 I2C 接口读出, 具体电路如下图所示 : SCL 1 SCL SDA SDA 2 4 VSS 3 VDD VDD EFM32TG110F32 此电路通过 I2C 接口, 根据 I2C 协议可以直接读取测得的温度值 17 7

178 红外体温计硬件电路 测温传感部分 : 本方案选择 MLX906 系列红外传感器 EFM32TG110F32 接口部分 : 将红外传感器测量的温度值, 通过 I2C 接口读出, 具体电路如下图所示 : SCL 1 SCL SDA SDA 2 4 VSS 3 VDD VDD EFM32TG110F32 此电路通过 I2C 接口, 根据 I2C 协议可以直接读取测得的温度值 17 8

179 EFM32TG110F32 应用简介 MCU 部分 : 振荡器 : 内部振荡器 电源 : 环保电池 1604G 6F22 9V 电流消耗 :VDD = V 工作模式 = 3.4mA 休眠模式 1 μa 通讯协议 : LCD 采用 SPI 接口 温度测量, 采用 I2C 接口 17 9

180 系统工作流程 初始化 第一次上电, 程序初始化芯片, 设置时钟内部振荡器频率为 14MHZ, 初始化外设 :LCD,MLX906,TIMER 及 IO 口配置 电流消耗约 150uA/MHz 初始化定时器为 1ms 产生一次中断, 作为系统的计时器 Timer 电流消耗 122.5uA; MLX906 红外传感器进入休眠模式, 系统进入 EM2 低功耗模式, 直至外部中断唤醒 程序进入 EM2 低功耗模式, 内部高速振荡器和 TIMER 停止, M3 内核停止运行 18 0

181 系统工作流程 主程序 外部中断唤醒后, 进行按键扫描, 一共 5 个按键 : 读取当前温度键 LCD 背景灯显示键开关 查看上一次温度值 查看下一次温度值 华氏度与摄氏度切换 按下读取当前温度键后,MCU 被唤醒, 系统进入正常工作模式, 同时将 MLX906 红外传感器唤醒, 系统通过 I2C 读取 MLX906 传感器检测的温度值, 并通过 SPI 口将数据显示到 LCD 屏 当 10S 内无操作后, 关闭 LCD 显示屏,MLX906 红外传感器进入休眠模式, 系统进入 EM2 低功耗模式, 等待下一次 MCU 被外部用户按键唤醒 18 1

182 谢谢!