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摘要：分析了低功耗嵌入式装置中的电流特点，综述了常用的能量测量方法，提出了一种多电容轮流放电法。
关键词：嵌入式；被测装置；累积型能量测量；电流镜
中图分类号：TP311
文献标识码：A
文章编号：1009-3044（2017）10-0208-02
1.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档来测量便可，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高速采樣存储
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转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=iRs。Rs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100Ω，U/s将不超过1mV，一般对被测设备影响较小，而如果i在1uA～10mA变化还选Rs为100Q，Us将达1V。1V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（往往制造在同一基片上），如图中的T1和T2。T1负责给被测装置供电，设电流为iwork。由于极相似的发射结特性，T2往测量电路提供的电流icopy=iwork，即电流拷贝。这样，理论上“测量”将不影响“被测”。不过，这一诱人的特征一般只在小电流范围被认可，如10mA以下。较大范围的应用场合来说，电流镜也显得力不从心。
4.结束语
不管用哪种取样方法，不管取样后采用什么后续测量电路，都有一定的应用限制。另外，一般电池都有一定的自放电效应，单纯采用上面的方法不好测量，必须对测量结果进行一定的校正。不同的电池自放电过程往往有所不同，并且常与使用环境有关。对于低功耗嵌入式装置，尤其是长期工作的装置，这一点是必须考虑的。
虽然耗电量的精确测量不容易，但如果只是比对哪个方法哪个装置更省电，往往要好办一些。例如，用同一批次的两组电池给两组被测装置供电，一段时间（如半年）后，再测量这两组电池还剩多少电量，一比较便知哪个装置更省电，虽然也会有些误差。可以采用专用芯片来测量电池剩余电量，也可采用一些简单方法，如对一般碱性电池可采用简单的放电法：接上一定大小的负载，如300mA负载放电，看看电压会降下多少mV。
关键词：嵌入式；被测装置；累积型能量测量；电流镜
中图分类号：TP311
文献标识码：A
文章编号：1009-3044（2017）10-0208-02
1.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档来测量便可，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高速采樣存储
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转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=iRs。Rs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100Ω，U/s将不超过1mV，一般对被测设备影响较小，而如果i在1uA～10mA变化还选Rs为100Q，Us将达1V。1V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（往往制造在同一基片上），如图中的T1和T2。T1负责给被测装置供电，设电流为iwork。由于极相似的发射结特性，T2往测量电路提供的电流icopy=iwork，即电流拷贝。这样，理论上“测量”将不影响“被测”。不过，这一诱人的特征一般只在小电流范围被认可，如10mA以下。较大范围的应用场合来说，电流镜也显得力不从心。
4.结束语
不管用哪种取样方法，不管取样后采用什么后续测量电路，都有一定的应用限制。另外，一般电池都有一定的自放电效应，单纯采用上面的方法不好测量，必须对测量结果进行一定的校正。不同的电池自放电过程往往有所不同，并且常与使用环境有关。对于低功耗嵌入式装置，尤其是长期工作的装置，这一点是必须考虑的。
虽然耗电量的精确测量不容易，但如果只是比对哪个方法哪个装置更省电，往往要好办一些。例如，用同一批次的两组电池给两组被测装置供电，一段时间（如半年）后，再测量这两组电池还剩多少电量，一比较便知哪个装置更省电，虽然也会有些误差。可以采用专用芯片来测量电池剩余电量，也可采用一些简单方法，如对一般碱性电池可采用简单的放电法：接上一定大小的负载，如300mA负载放电，看看电压会降下多少mV。