郑创学堂：MCU串口唤醒竟然可以这样玩？

　　在嵌入式领域中，低功耗设计已经成为不可忽视的要点，需要通过串口通信唤醒MCU的场合也越来越多,今天我们将介绍一种基于KL03串口不丢数据唤醒的方法，睡眠时功耗仅为2.4uA。

　　由于在医疗、无线传感器网络、安防、家电、可穿戴设备等方向都具有相当诱人的应用前景，超低功耗MCU正在被众多的嵌入式工程师所关注。功耗低，性能优越的MCU更会被广大工程师所热爱，合理的低功耗设计同样也能让MCU的性能发挥的淋漓尽致，今天我们就介绍一种基于Freescale KL03的串口唤醒MCU的方法。

　　KL03是新一代32位ARM Cortex-M0+内核，与最接近的8/16位架构相比，CoreMark/mA能效得分高两倍。那么如果用串口唤醒MCU的话，睡眠时的功耗会怎么样呢？

图1 KL03的CSP封装（1.6mm×2.0mm）

　　我们查阅了KL03的数据手册， MCU在VLPS（Very Low Power Stop）模式下，功耗为2.2uA~2.7uA，唤醒后断点运行，不会产生复位，能满足绝大多数系统设计对于功耗的要求。在VLPS模式，要保持串口通讯正常，需要打开LPUART（Low Power UART）模块，但是会增加80uA左右的电流，这个数值对于一个对功耗敏感的系统来讲显然是不能接受的。那么有没有其他方式即能满足低功耗的要求，同时也能保证串口通信质量呢？

　　我们从手册中得知，把MCU从VLPS模式唤醒至RUN模式，需要7.5~8us，可以采用I/O中断唤醒方式。而串口通信也是从一个下降沿开始数据传输，如图 2所示。默认串口的采样频率是波特率的16倍。那么有没有可能利用RXD引脚的下降沿中断唤醒MCU，然后马上切换到串口，并在串口中断中读出正确的数据呢？

图 2 串口时序图

为了验证这个想法，我们按照如下流程测试：

　　1.初始化串口和低功耗配置；

　　2.把RXD引脚配置为下降沿中断（重要）；

　　3.进入VLPS模式；

　　4.电脑发送测试字符；

　　5.MCU唤醒之后，禁用RXD引脚中断，并从串口中断读出电脑发送的字符；

　　6.把接收到的字符回发给电脑。

　　通过判断回发给电脑的字符是否为原来的字符，我们可以找出满足通信要求的最高波特率。

　　经过多次测试我们发现，MCU在VLPS模式下功耗稳定在2.4uA，当我们设置波特率为28800及以下时，KL03都能够正确接收电脑发送的字符，并唤醒MCU。当我们把波特率设置为38400时发现，虽然MCU同样被唤醒了，但是接收到的字符却是错误的。这是为什么呢？

　　现在我们将这种串口唤醒MCU的原理分析一下。在图 3中，展示了向MCU发送0x55的过程。下降沿开始数据传输，我们把MCU接收到Begin位的过程单独拿出来分析。RXD引脚下降沿唤醒MCU，从执行唤醒操作到MCU执行程序是需要时间的，我们称为唤醒时间x，而串口通信中每一位占用的时间我们称为y，前面说过串口的采样频率是固定的，如果唤醒时间x在MCU的Begin位中占的比例越大，则失真的概率也就越高。

　　为了保证串口通信中的Begin位不失真，x/y值越小越好。如果y一定，即MCU的波特率一定时，则唤醒时间越短越好，这就跟MCU的性能有关了。KL03从VLPS模式唤醒至RUN模式时间大约为8us。但如果唤醒时间一定，那么y值越大越好，即波特率越小越好。经过我们实际测试，当波特率为28800及以下时，Begin位都不会失真。

　　以串口通讯中最常用的波特率9600bps为例，唤醒时间x为8us，串口通信中每一位占用的时间y=1000000/9600=104us，则x/y=7.69%，此值非常小，在串口硬件16次采样中最多会丢失2次采样（2/16=12.5%），可以正常采集到begin位，确保不丢数据。

图 3 串口唤醒原理图

　　飞思卡尔KL03在VLPS模式下，功耗仅为2.2uA~2.7uA，唤醒时间仅为7.5~8us，且唤醒后断点运行，不会产生复位。极低的功耗和极短的唤醒时间是此方案可行的关键参数。

飞　　思卡尔KL系列功耗低，唤醒时间短，性能优越。在三表行业和一些传感器采集的场合都是不错的选择。