一种高性能小尺寸低成本超低功耗的M3单片机解决方案

1 方案说明
     通过使用兆易创新(Gigadevice)型号为 GD32F130G8U6 的高性能32位单片机(MCU)和Ambiq Micro 的超低功耗RTC AM1815来代替单颗低功耗MCU的方案。待机状态下，MCU 完全shutdown，只有RTC工作，保持计时以及保存重要备份 数据；工作状态下，MCU被RTC唤醒，执行程序，工作执 行完毕给RTC发sleep指令，控制RTC关闭MCU电源。RTC唤 醒MCU的方式可以是IO口电平变化边沿触发，也可以是定 时触发。该方案相对于单芯片方案的主要优势有以下几点。 GD32F130G6U6主要特性：ARM  Cortex-M3 内核；最大 主频72Hz，内核访问闪存高速零等待；单周期乘法器和硬 件除法器；NVIC中断嵌套支持16个中断，每个中断有16个 优先级；64K flash、8K SRAM；高性能模拟外设，1个12bit的 ADC，支持10路通道，最快转换时间1μs；多种外设接口，
2个USART，2个SPI(18Mbit/s)，2个I2C(400Kbit/s)；片上1个 高级定时器，1个系统定时器，最大支持6个通用定时器，1 个DMA；支持上电复位(POR)，掉电复位(PDR)和低压检测 (LVD)；28pin封装，23个可用IO；内部高速时钟(8MHz)和 内部低速时钟(40kHz)。
超 低 功 耗 表 现 在 工 作 状 态 ： M C U 运 行 功 耗 2 4 5 μ A / MHz，RTC 14nA；待机状态：MCU功耗 0，RTC 14nA。待 机状态下该系统的待机功耗仅为14nA，即使是市面上在低 功耗上做得最好的MCU厂家(比如Energy Micro)，其生产的 MCU的待机功耗也要比以上系统至少高一个数量级以上。
当系统长时间处于待机状态的时候，该系统在低功耗上极具优势。小 尺 寸 封 装 可 以 做 到 4 m m * 4 m m ， A M 1 8 1 5 封 装 尺 寸
3mm*3mm。采用GD130+AM1815可以有效减小PCB设计尺寸。GD1 30属于cor tex-M3核的超值型MCU， 价格甚至低

图1   AM1815典型应用电路图
于一些M0核的MCU和8位机。而AM1815虽然可以做到极 致 低 功 耗 ， 但 本 身 还 是 一 颗 RTC ， 价 格 也 不 贵 。 对 比 过 GD130+AM1815两颗加起来的价格，甚至低于很多主打超低 功耗的M3核和M0核的MCU。
Ambiq Micro 是一家专注于研发生产低功耗芯片产品的 美国公司，其产品采用先进的SPOT技术（亚阈值功率优化 技术），SPOT技术上世纪由物理学家发现，2004年由美国 大学研究，2010年正式应用到产品里面。SPOT技术重新定 义了超低功率半导体的含义，为芯片建立了新的标准，从而 使得功耗做得更低。本设计中由AM1815芯片实现超低功耗 原理。

2 硬件参考设计

图2   SPI读写过程
如图1所示，AM1815进入sleep模式的方式为MCU通过 SPI接口设置AM1815的sleep相关寄存器的值以使其进入sleep 模式，当AM1815进入sleep模式后，会将PSW/nIRQ2引脚电 平由低变为高，而AM1815的PSW/nIRQ2引脚接到MCU的 VSS，当其电平由低变高时，MCU从上电变为断电状态。 AM1815从sleep模式唤醒的方式为其EXTI引脚接收到一个上 升沿或者下降沿脉冲，这样PSW/nIRQ2引脚电平就会从高变 为低，从而MCU从断电变为上电状态。通过以上这种方式， 以AM1815的进入低功耗和唤醒来控制MCU的断电和上电。

3  软件参考设计 MCU通过SPI接口读写AM1815寄存器时序如图2所示： 由AM1815的datasheet中SPI读写时序图大概可知，MCU
读AM1815寄存器的过程，首先要发送一个需要读取的寄存 器地址addr，其中addr的第7位为0表示读，然后把MCU通过 SPI接收到的AM1815返回的第一个字节丢掉，从第二个字节开始顺序接收到的数据就是读取的数据。MCU写AM1815的 过程类似，首先发送需要写入的寄存器地址addr，其中addr 的第7位为1表示写，然后依次将需要写入的字节写入，不用 管AM1815返回的数据。
选择GD130的一个普通的GPIO口(例如PB7)作为控制 引 脚 ， 当 检 测 到 P B 7 上 有 一 个 下 降 沿 时 ， 通 过 S P I 接 口 向 AM1815的sleep寄存器写值则会控制AM1815进入sleep模式。

4  结语
本 文 设 计 了 一 种 可 以 应 用 于 可 穿 戴 设 备 、 便 携 设 备 、 追 踪 器 、 R F I D 、 支 付 U k e y 、 仪 器 仪 表 等 行 业 的 低 功耗设计方案。 该方案使用了Gigadev ice公司的高性价比 MCU GD32F130G8U6和Ambiq Micro公司的超低功耗RTC AM1815。和业界通用的单芯片方案比较，该方案具有高性 能、超低功耗、小尺寸以及低成本的特点。在低占空比的应 用场合，该方案的优势更加明显。