STM8L101F3加CC1101的超低功耗问题

Divingbear · 发表于 2014-3-28 14:54:47

本帖最后由 Divingbear 于 2014-3-28 14:54 编辑

目前在做一款微能量收集的无线开关，整体构架为压电装置产生微弱的电压脉冲，经过整流，电容储能，然后经过DCDC buck后供给MCU以及发射芯片使用。MCU使用SPI对发射芯片配置，外接四个按键输入。
整个构架的方框图如下：

之前使用CC430的SoC方案来做，可以发射两到三个包，后来因为成本考量，换用STM8L101+CC1101来做，供电方案不变，目前只能发射一个包。
首先分析了一下板子的各个器件的功耗，STM8L101在RUN的时候，大概有640uA的电流消耗，而CC1101则有1.5mA到1.7mA的电流消耗。对照STM8L101和CC1101的SPEC可以看到，这两个电流消耗都是符合spec定义的。
STM8L101和CC1101的SPEC如下

那么就比对分析在相同的能量供给情况下，CC430能发射更多的包，毕竟发射芯片在发射时候的能量消耗是最大的。我抓了CC430的电压电流变化的图如下，可以看到在SPI配置CC1101的寄存器，以及等待发射的时间段中，电流消耗只有500uA左右。

然后抓了STM8L101+CC1101的电压电流变化图，因为串接电阻为10Ω，所以电流刻度为1mA每格，在相同的配置和等待发射阶段，MCU和发射芯片总共的电流消耗约有2mA。最明显的表现为电压的下降斜率很高。

现在的问题是，根据上边的图判断，CC430可以在sleep mode下进行寄存器配置，然后进入TX模式发送数据，然后TXOFF后自动回到sleep mode。而CC1101必须在IDLE mode下进行配置？
下图为CC1101的控制状态图标。

Divingbear · 发表于 2014-3-28 14:54:48

顺便和大家分享一些心得，欢迎讨论：
大家都在致力于超低功耗的产品，但是一般应用中，能量供给多是充足的，所以很多的细节问题都被大家忽视了，但是在微能量收集应用以及电池应用时候这个问题就很重要了，前者的单次供电能量十分有限，后者虽然不存在单次供电的问题，但是保证长时间应用就要考虑减小功耗。
1. 减低供电电压可以减小供电电流，CC1101在3V供电电压IDLE模式约消耗1.7mA，而在2.1V供电电压之下1.5mA。
2. 超低功耗产品的消耗电流都很小，在使用DCDC降压的时候，PFM模式的效率优于PWM模式，考虑到消耗电流小，供电电路设计时应该更多考虑轻载而不考虑重载，适当修改公版电路中器件的Value
3. MCU中未使用的管脚的配置也需要考虑周详。很多人写程序对于未使用未连接的管脚都不做配置，使用默认状态，这样其实也有不小的电流消耗。推荐大家看看ST的应用文档。AN3147 Power management in STM8L and STM8AL。
4. 把工作流程分时碎片化，在切换时间允许的情况，不同的阶段让芯片进入各种睡眠模式来达到降低功耗的目的。
5. CC1101在上电初始化到SPI开始配置寄存器之间有2ms左右的“floating”状态，GDO0上有1ms左右的杂波，这是CC1101芯片自身的问题吗？接收时候，这个管脚接MCU的中断，害怕造成误动作。
6. STM8L101的PB4/SPI_NSS引脚为什么在初始化阶段会被pull-up？这样的设计造成这个引脚做CSn应用时，在MCU在上电复位前就被拉高，上电复位后缓慢下降，在它被MCU的初始化程序再次置高之前，CC1101可能有误动作，目前不确定上一个条目中GDO0上的杂讯是不是因为它造成的。
从下图中可以看到在VDD供电后大概0.6ms后，MCU才上电复位，在这之前，CSn和SO信号都有一段时间的混乱状态，而在第二张图上可以看到绿色的GDO0(标签忘记改了)在上电未配置阶段有一段杂讯，在开始配置后消失。（割断连线后确认是CC1101发出的）
attach://179396.png
attach://179397.png

Divingbear · 发表于 2014-3-31 15:44:47

目前，大头的CC1101的功耗还是没有解决，通过调整SPI的通信波特率，以及减少CLK的响应等待，把6ms左右的SPI配置时间减少到2ms左右，能发两个包了。

my_avr · 发表于 2014-3-31 15:52:32

这个很厉害，帮不上忙，还是顶一下

丢丢时光机 · 发表于 2014-3-31 17:34:30

Divingbear · 发表于 2014-3-31 18:45:09

翻找CC430的User Guide，找到一些好玩的，大家也看看吧。

这段主要说的是CC430里面的CC1101 core和单独的CC1101芯片的差异的
其中红框标记的段落中提及到在CC430处于休眠模式下指令可以被执行，
且几个模式切换的指令会将CC430置于休眠模式而非闲置模式。

SNOOKER · 发表于 2014-3-31 21:16:30

示波器很高端

redworlf · 发表于 2014-3-31 23:32:00

Divingbear 发表于 2014-3-31 15:44
目前，大头的CC1101的功耗还是没有解决，通过调整SPI的通信波特率，以及减少CLK的响应等待，把6ms左右的SPI ...

我也是因为成本问题，从CC430转到STM8S103+CC1101，我目前是发一个字节的数据，收到的数据就是正确的，CRC校验也通过，发两个字节的数据，第一个数据正确，第二个数据错误，CRC校验失败，木有找到原因还，
我的QQ:530659965 ，有空讨论下。

SevenLiu · 发表于 2014-5-18 19:54:47

最近也想弄个类似的项目，买了个样片是MSP430+AMICCOM的方案，不想照抄，想用STM8L. LZ给点建议

yytyu · 发表于 2014-6-6 15:00:34

mark ,了解下

SevenLiu · 发表于 2014-6-8 15:12:09

LZ能否告知用的是什么BUCK方案?我现在想用方案，买的样板也是SETUP UP。想参考下用其芯片电路。

njchenmin · 发表于 2014-6-8 19:32:03

能不能增加一个储能元件，在休眠时储能。如果只是发射不需要接收的话可以直接用FSK或者OOK调制的芯片，编码在MCU里完成，只有的发射时启动，这样可以大大降低功耗。用OOK方式的话电流是最小的。

SevenLiu · 发表于 2014-6-8 20:06:08

njchenmin 发表于 2014-6-8 19:32
能不能增加一个储能元件，在休眠时储能。如果只是发射不需要接收的话可以直接用FSK或者OOK调制的芯片，编码 ...

你可能没理解楼主的什么东西

Divingbear · 发表于 2014-6-9 10:30:31

SevenLiu 发表于 2014-6-8 15:12
LZ能否告知用的是什么BUCK方案?我现在想用方案，买的样板也是SETUP UP。想参考下用其芯片电路。 ...

我们用了两种电源方案，一种是先boost，将低于3V的电压拉到3V，高于3V的用二极管导通，然后再用LDO拉低到2.5V给MCU供电，这种方案适合需要外部偏置的RF芯片。还有一种是直接是直接用buck芯片，将电压降压至2. 5V给MCU和RF芯片用，注意选择Vin min最小的芯片。目前我们选的是TI TPS62234.

Divingbear · 发表于 2014-6-9 10:33:26

SevenLiu 发表于 2014-5-18 19:54
最近也想弄个类似的项目，买了个样片是MSP430+AMICCOM的方案，不想照抄，想用STM8L. LZ给点建议 ...

笙科电子的无线方案我也在关注，以后可能也会考虑用笙科的芯片替换TI的CC1101，我们可以多交流交流。

Divingbear · 发表于 2014-6-9 10:38:13

njchenmin 发表于 2014-6-8 19:32
能不能增加一个储能元件，在休眠时储能。如果只是发射不需要接收的话可以直接用FSK或者OOK调制的芯片，编码 ...

OOK确实非常省电，测算下来，以约50%的duty circle下，OOK在10dBm约耗电5到8ma，而FSK目前不低于20ma，且跑在100%duty circle的loading下。
我现在的问题在于MCU配置CC1101的时候，只能停留在IDEL，无法进入SLEEP模式，所以导致耗电比较大。
因为低功耗，所以对于这一点点的电流都想节约下来。

SevenLiu · 发表于 2014-6-10 22:37:13

Divingbear 发表于 2014-6-9 10:33
笙科电子的无线方案我也在关注，以后可能也会考虑用笙科的芯片替换TI的CC1101，我们可以多交流交流。 ...

我买的样板是430G2221+A7328方案，RF 只有发射没有接收功能的。如你感兴趣可以发原理图你参考下。

SevenLiu · 发表于 2014-6-10 22:38:50

SevenLiu 发表于 2014-6-10 22:37
我买的样板是430G2221+A7328方案，RF 只有发射没有接收功能的。如你感兴趣可以发原理图你参考下。 ...

论坛上原理图不敢发上来。怕原作者告我侵权。

Divingbear · 发表于 2014-6-11 10:38:56

MSP430这颗要0.46，价格算比较低的了，STM8也就S系列有0.2x的报价的，L系列的成本优势不大。

Divingbear · 发表于 2014-6-11 10:41:38

SevenLiu 发表于 2014-6-10 22:38
论坛上原理图不敢发上来。怕原作者告我侵权。

这个暂时没必要，估计和公版电路差异不大，芯片之间SPI一接就好。
笙科的这颗A7328的报价你询过吗？

SevenLiu · 发表于 2014-6-15 12:16:12

Divingbear 发表于 2014-6-11 10:41
这个暂时没必要，估计和公版电路差异不大，芯片之间SPI一接就好。
笙科的这颗A7328的报价你询过吗？ ...

没询过，台湾的芯片应该有价格优势。430G2231嘉立创才2.5RMB.

SevenLiu · 发表于 2014-6-15 12:17:48

笙科的资料不公开要打电话给代理才会有资料吧。不像TI的规格资料都公开的。

Divingbear · 发表于 2014-6-16 12:55:59

SevenLiu 发表于 2014-6-15 12:17
笙科的资料不公开要打电话给代理才会有资料吧。不像TI的规格资料都公开的。 ...

对，笙科的资料要问代理要~所以很麻烦的。
TI，PIC的各种数据，参考设计，例程都很齐全，所以用的人多啊。
STM8L的101,151应该都比TI的便宜，不过你要看看RAM,ROM够不够用。

chenminhua1980 · 发表于 2014-8-8 09:06:38

楼主为什么不休眠，休眠后功耗至少降10倍，我stm8l 1秒采集和显示，只有8-10个微安

xieshang · 发表于 2014-8-17 13:54:00

这么低功耗的没玩过，不过目前在用的笙科A7139的确不错，功耗控制得挺好，LZ可以看看

19711972f · 发表于 2014-9-12 17:11:51

对这个感兴趣。

alpha163 · 发表于 2014-9-27 18:42:41

最近我也在做这个项目，电源部分采用tps62231,发射部分采用stm8+cc1101。现在是可以发一个包（14个字节），但是不太稳定，供电时间有时不够。碰到了些困惑，可以交流下吗？我的qq875129472

Divingbear · 发表于 2014-9-28 10:16:11

alpha163 发表于 2014-9-27 18:42
最近我也在做这个项目，电源部分采用tps62231,发射部分采用stm8+cc1101。现在是可以发一个包（14个字节）， ...

供电由发电机来决定，你有判断过发电机的发电量吗？

alpha163 · 发表于 2014-9-28 19:25:24

Divingbear 发表于 2014-9-28 10:16
供电由发电机来决定，你有判断过发电机的发电量吗？

就是利用一个压电模块作为电源，机械能转电能。具体电能不太好测，它是电磁感应产生的电能。

Divingbear · 发表于 2014-9-29 10:15:51

alpha163 发表于 2014-9-28 19:25
就是利用一个压电模块作为电源，机械能转电能。具体电能不太好测，它是电磁感应产生的电能。 ...

这个我知道，大家做的东西估计是一样的。
所以只能浅谈，给你些建议，不好说的太深。
首先你可以构建一个放电测试的机制，用以测量每次产生的电量的稳定性和定量值。
只有这个稳定了，再去优化供电电路，不然你无法衡量你的供电电路的优化程度的。

Divingbear · 发表于 2014-9-29 10:19:35

alpha163 发表于 2014-9-27 18:42
最近我也在做这个项目，电源部分采用tps62231,发射部分采用stm8+cc1101。现在是可以发一个包（14个字节）， ...

然后我只能大致告诉你，我们10db能发3个包...连续按压单次可以到5个包～

alpha163 · 发表于 2014-9-29 15:49:05

Divingbear 发表于 2014-9-29 10:15
这个我知道，大家做的东西估计是一样的。
所以只能浅谈，给你些建议，不好说的太深。
首先你可以构建一个 ...

嗯，你说的对！
那个发电器，按下去和弹上来的电量不一样。我试了两个按键。一个按下去的时候产生的电量大，弹上来时的电能小；另一个则刚好相反。所以在电能小的时候我就发不出去了。
还有就是那个发电模块，你们是在哪买的？还是自己去定制的。因为我觉得线圈的圈数多的话电能会大些。

芽芽小宝 · 发表于 2014-10-15 15:20:32

赞严禁治学态度，向楼主学习。我现在也正在研究RF射频，深入程度还没那么深，争取日后能多交流。

芽芽小宝 · 发表于 2014-10-15 15:26:24

Divingbear 发表于 2014-3-31 18:45
翻找CC430的User Guide，找到一些好玩的，大家也看看吧。

这段主要说的是CC430里面的CC1101 core和单独的C ...

很细致，很值得学习。我读datasheet怎么就没这么细呢。

知行合一 · 发表于 2014-12-2 10:08:23

一直在研究stm8l+cc1101 ，学习了！

Divingbear · 发表于 2014-12-2 10:37:53

我也是板子打回来发现问题了，才去专门翻spec的，开始做的时候，或者没发现问题的时候，懒的仔细研究的。

doudoushuixiu · 发表于 2015-4-6 10:42:45

最近也在做cc1101的通信，感觉到cc1101的功耗还是高了点，想问下楼主cc1101的功耗问题解决了吗，可以给点提示吗？

wangyu_2011 · 发表于 2015-4-7 18:26:06

好东西，有帮助，虽然没做这一块。

sumissdan · 发表于 2015-7-23 12:40:08

你好，我现在正在学习cc1101与stm8通信，遇到问题了，你能帮我看看吗？qq：429711478先谢谢了

Divingbear · 发表于 2015-7-24 13:40:03

doudoushuixiu 发表于 2015-4-6 10:42
最近也在做cc1101的通信，感觉到cc1101的功耗还是高了点，想问下楼主cc1101的功耗问题解决了吗，可以给点提 ...

基本无解，CC1101的硬伤还是太多了。
你可以尝试降低供电电压，提高基带的编码速率，换用CC430（内部的CC1101在SPI空间时间可以进入sleep mode）等方式尝试一下，不过必须说，这是蚊子腿上榨油，它在发射阶段的功耗是没法降低的。

Divingbear · 发表于 2015-7-24 13:40:36

sumissdan 发表于 2015-7-23 12:40
你好，我现在正在学习cc1101与stm8通信，遇到问题了，你能帮我看看吗？qq：429711478先谢谢了 ...

我做硬件的，软件的问题估计帮不到你。

acmilannast · 发表于 2015-7-24 13:55:31

5. CC1101在上电初始化到SPI开始配置寄存器之间有2ms左右的“floating”状态，GDO0上有1ms左右的杂波，这是CC1101芯片自身的问题吗？接收时候，这个管脚接MCU的中断，害怕造成误动作。
不是杂波 GDO0默认配置时钟分频输出，输出26M 192分频吧应该136Khz 样子，

doudoushuixiu · 发表于 2015-9-6 17:24:27

Divingbear 发表于 2015-7-24 13:40
基本无解，CC1101的硬伤还是太多了。
你可以尝试降低供电电压，提高基带的编码速率，换用CC430（内部的CC ...

我看了下cc1101的不同的工作模式，想在平时不通信的时候，让cc1101进入休眠模式（寄存器参数保存），但是试了几个模式好像功耗降低不多，楼主有试过这样吗

STM8L101F3加CC1101的超低功耗问题

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