嵌入式装置的能耗测量问题文献标识码：A1.引言在许多嵌入式设计中，低能耗是一个很重要的指标，特别是电池供电场合。一方面我们希望电池一次工作尽量长的时间；另一方面，尽量低的功耗也有利于设备散热和温升的限制，这不但在无人测量时安全性更好一些，而且对某些受温升影响的测量来讲也是福音。那么，我们如何测量和预测一个嵌入式系统的功耗呢？显然这是一个非常重要的问题。2.系统特点（1）式表明：测量电流是关键。不过，嵌入式系统中，电流i往往变化多端。其中一个主要特点是变化范围大。如一个移动通信模块的电流待机时可低至几mA而拨号搜索时可达2000mA一个WIFI模块睡眠时可以只有几uA,而打开无线发射电路外发信号时可达几百mA我们的测量方法能否快速适应这样的大范围变化，实现精确测量呢？另外，电流的变化还受干扰和元器件特性的分散性影响。比如，两个同一型号的CPU在同一工作频率下的工作电流可能不完全一样。还有，不同的程序指令牵涉到的硬件常常有所差别，电流和能量需求就不一样，即使是完成同样功能的不同程序。那么，到底有哪些测量方法可选呢？3.能耗测量方法3.1分档次单独测量如果被测装置在每一个等级的工作电流能够稳定一段时间，该方法就比较适合。例如，一个PIC单片机睡眠时电流可以稳定在几ua，等它睡眠后用数字万用表的uA档来测量就可以。唤醒后电流如果能稳定在几mA换成mA当来测量便可，或是考虑自动换档的电流表。但是，不睡眠时，很多嵌入式装置的工作电流并不是稳定在某一数值，而是有较大范围的变动，如20mA-30mA，此时该方法就显得力不从心。实验证明：许多场合睡眠电流好测量，唤醒后的工作电流难以精确测得。3.2高速采?哟娲?对于变动较快的工作电流，可以考虑此法。先对电流尽量高速地采样，然后再A/D转换和，或存储。不过这样的测量装置一般造价较高，比如用高带宽存储示波器。存储时需要大容量的RAM例如，一个采样速率为10MHz的装置，如果每采样点用8位存储，存储一秒钟的数据就需10MB的RAM并且，在采样及MD专换等环节都可能带来误差。一般来说，越是高速，就越是挑战测量精度。另外，因为采样速率不可能无限高，对于变化速率高于采样速率的电流，一些变动点也会采集不到，所以仍然存在方法误差。该方法属于累积型能量测量，只要C1、C2和C3取值不是太小，测量速率并不要求很高，而且只测量电容剩余电压。因为大容量的电容通常很难保证高精度，所以一般这里只取nF级。不过，虽然每个电容放电时间短，但总会使被测装置的供电电压有一定的波动，必须保证这一波动在允许范围内。假定一个单片机可以在2.7V-3.3V之间正常工作，那么该波动不要使电压低于2.7V。显然，该方法是在电源电压波动的情况下测得的能耗，与准确稳定于某一固定值时的所得肯定有所区别。不过，只要波动不太大，测量结果还是有价值的。为了减小波动，可考虑采用更多数量的电容轮流放电。实际上，电池电压本来也会随时间而降低，即使恒压测量也并不完全反映实际情况。3.4电流镜技术电流镜本质上只是一种电流取样方法。它要与其他测量方法配合才能完成整个测量过程。比如，有的接电容充放电电路，有的再直接通过电阻转换为电压测量。常用的电流取样方法一般有两种：一是将取样电阻直接串在被测电路中，将被测电流转换为电压测量；二是被测电流拷贝法，即电流镜。从原理上讲，方法一总会对被测系统造成一定的影响。设取样电阻为Rs,其上压降为U/s=iRsoRs越大，造成的电压降Us就越大，被测装置供电电压降低就越多。一般要根据预测的电流档次来选择Rs。例如，若i在1vA-10pA范围，选Rs为100Q,U/s将不超过1mV一般对被测设备影响较小，而如果i在1uA〜10m较化还选Rs为100QUs将达1V1V的压降在许多嵌入式场合造成的影响决不能忽视。虽然可考虑换档，但如果换档的速度跟不上电流变化的速度，不但会造成误差，严重的甚至会影响到被测设备的正常工作。有一个观念：似乎只要测量，就要取样，只要取样，对被测系统就要造成一定影响，有的甚至影响巨大，例如量子测量会导致被测量子波包塌缩。不过，如果采用图2所示的电流镜取样，这一观念会受到较大冲击。电流镜由几个性能非常相似的三极管组成（...