4、低功耗外设设计：传感器选型与功耗、低功耗通信接口（SPI/I2C/UART）、DMA与事件驱动、外设休眠管理

各位工程师朋友，咱们接着聊。上一章我们把MCU内核的功耗控制讲透了，但说实话，一个嵌入式系统里真正吃电的，往往是那些挂在总线上的外设。传感器、通信接口、外部存储器……它们才是真正的“电老虎”。这一章，我就结合自己这些年踩过的坑，聊聊怎么从外设层面把功耗压到最低。

4.1 传感器选型与功耗评估

选传感器，第一眼看什么？精度？接口？还是价格？我个人习惯，第一眼看它的工作电流和休眠电流。你想想看，一个传感器如果待机时还吃几十微安，那你的电池再大也扛不住。

我在项目中遇到过一件事。有一次做一款便携式环境监测仪，选了一款很流行的温湿度传感器，精度高、响应快，但它的休眠电流是 5μA。当时没在意，结果整机待机电流直接飙到 20μA，电池续航少了整整三天。后来换了一款休眠电流只有 0.1μA 的传感器，问题才解决。

选型时，我建议你重点关注这几个参数：

• 工作电流：测量时的瞬时电流，通常几 mA 到几十 mA
• 休眠电流：待机时的漏电流，越低越好，最好 < 1μA
• 启动时间：从休眠到稳定输出的时间，这决定了你每次测量前要等多久
• 采样周期：能支持的最低采样频率，别让传感器比你还勤快

传感器类型	工作电流	休眠电流	典型启动时间
温湿度（SHT30）	1.5 mA	0.2 μA	15 ms
加速度计（LIS3DH）	2 μA（低功耗模式）	0.5 μA	1 ms
气压计（BMP280）	2.7 mA	0.1 μA	5 ms
红外热电堆（MLX90614）	1.5 mA	2 μA	250 ms

4.2 低功耗通信接口：SPI / I2C / UART

通信接口是外设和MCU之间的“桥梁”，但这座桥如果设计不好，功耗会高得吓人。我分别说说三种常用接口的低功耗用法。

4.2.1 I2C：最省线的接口，但要注意上拉电阻

I2C 是低功耗场景的常客。它只用两根线，而且支持多设备挂载。但有个坑——上拉电阻。我曾经在一个项目里用了 4.7kΩ 的上拉，结果总线空闲时，每根线上一直有几百微安的电流。后来换成 10kΩ，电流直接减半。

为什么？因为 I2C 总线空闲时是高电平，电流从上拉电阻流到地。电阻越大，电流越小。但也不能太大，否则信号上升沿会变慢。一般 4.7kΩ ~ 10kΩ 是常用范围，具体看总线电容和速率。

4.2.2 SPI：速度快，但功耗也高

SPI 是全双工、高速接口，但它的功耗比 I2C 高不少。原因很简单：SPI 有 4 根线，而且通常需要片选信号。每根线在翻转时都会产生动态功耗。

低功耗场景下，我建议：

• 能不传就不传：只在需要数据时才拉低片选，传完立刻拉高
• 降低时钟频率：别一上来就开 20MHz，够用就行。比如传感器每秒只传 100 字节，1MHz 就绰绰有余
• 关闭未使用的 SPI 外设：很多 MCU 的 SPI 模块在空闲时也会吃电，记得在寄存器里关掉

4.2.3 UART：简单但容易忽略的功耗点

UART 看起来简单，但它的功耗问题往往出在空闲状态。UART 空闲时，TX 引脚通常是高电平。如果外部电路设计不当，这个高电平可能会通过上拉或下拉电阻产生漏电流。

我记得有一次调试一个蓝牙模块，发现待机电流比规格书多了 50μA。查了半天，原来是 UART 的 RX 引脚悬空了，导致电平不确定，内部上拉电阻一直在耗电。后来加了一个 100kΩ 的下拉电阻，问题解决。

4.3 DMA 与事件驱动：让 CPU 歇着

CPU 是系统里最耗电的模块之一。如果能让它少干活，功耗自然就下来了。DMA 和事件驱动就是干这个的。

4.3.1 DMA：数据搬运工，不费脑

DMA 可以在不经过 CPU 的情况下，直接把数据从外设搬到内存，或者从内存搬到外设。CPU 只需要在传输开始和结束时被唤醒一次。

举个例子，你要从 SPI 接口的 ADC 读取 1000 个采样点。如果用 CPU 轮询，每读一个字节就要进一次中断，1000 次中断下来，CPU 基本没时间睡觉。但用 DMA，你只需要配置好源地址、目的地址和传输长度，然后就可以让 CPU 去睡了。DMA 传完后再发一个中断唤醒 CPU。

// 配置 SPI DMA 传输（以 STM32 为例）
// 假设 SPI1 的 RX 数据要搬到 buffer[1000]
DMA_InitTypeDef DMA_InitStruct;

DMA_InitStruct.DMA_PeripheralBaseAddr = (uint32_t)&SPI1->DR;
DMA_InitStruct.DMA_MemoryBaseAddr = (uint32_t)buffer;
DMA_InitStruct.DMA_DIR = DMA_DIR_PeripheralSRC;
DMA_InitStruct.DMA_BufferSize = 1000;
DMA_InitStruct.DMA_Mode = DMA_Mode_Normal;
DMA_InitStruct.DMA_PeripheralInc = DMA_PeripheralInc_Disable;
DMA_InitStruct.DMA_MemoryInc = DMA_MemoryInc_Enable;
DMA_InitStruct.DMA_PeripheralDataSize = DMA_PeripheralDataSize_Byte;
DMA_InitStruct.DMA_MemoryDataSize = DMA_MemoryDataSize_Byte;
DMA_InitStruct.DMA_Priority = DMA_Priority_Low;

DMA_Init(DMA1_Channel1, &DMA_InitStruct);
DMA_Cmd(DMA1_Channel1, ENABLE);

// 启动 SPI 接收，CPU 可以进入休眠
SPI_DMACmd(SPI1, SPI_DMAReq_Rx, ENABLE);
// 然后执行 WFI 指令让 CPU 休眠
__WFI();

4.3.2 事件驱动：别让 CPU 去“查岗”

事件驱动说白了就是：有事你叫我，没事别烦我。和轮询相比，事件驱动能让 CPU 的休眠时间延长几个数量级。

我见过很多新手工程师，喜欢在主循环里轮询传感器状态：

while(1) {
    if(传感器数据就绪) {
        读取数据();
    }
    // 其他任务
    delay(10ms);
}

这种写法，CPU 每 10ms 就要醒一次，哪怕传感器根本没新数据。正确的做法是用外部中断或 GPIO 唤醒：

// 传感器数据就绪引脚连接到 MCU 的外部中断引脚
// 配置为上升沿触发
EXTI_InitStruct.EXTI_Line = EXTI_Line0;
EXTI_InitStruct.EXTI_Mode = EXTI_Mode_Interrupt;
EXTI_InitStruct.EXTI_Trigger = EXTI_Trigger_Rising;
EXTI_InitStruct.EXTI_LineCmd = ENABLE;
EXTI_Init(&EXTI_InitStruct);

// 主循环中直接休眠
while(1) {
    __WFI();  // 等待中断唤醒
    // 被唤醒后，在中断服务函数中设置标志位
    // 主循环检查标志位并处理数据
    if(data_ready) {
        读取数据();
        data_ready = 0;
    }
}

4.4 外设休眠管理：谁该睡，谁不该睡

最后，咱们聊聊外设的休眠管理。很多工程师只关注 MCU 的休眠，却忘了外设也需要“睡觉”。

外设休眠管理，说白了就是三件事：

1. 知道谁在耗电：列出所有外设，查清楚它们的工作电流和休眠电流
2. 知道什么时候该睡：根据系统状态，决定哪些外设可以休眠
3. 知道怎么叫醒：设计好唤醒机制，别让外设睡死过去

我一般会做一个“外设功耗状态机”：

系统状态	传感器	通信接口	显示模块	存储模块
运行	工作	工作	工作	工作
待机	休眠	休眠	关闭	休眠
深度休眠	关闭电源	关闭电源	关闭电源	关闭电源

我曾经在一个分拣机项目里，用了一个小技巧：给传感器单独加一个 MOSFET 开关。平时传感器完全断电，只有需要测量时才上电。测量完立刻断电。这样传感器的待机电流直接降到 0。代价是每次测量前要等传感器启动稳定，大概 50ms。但对于分拣机这种每秒测一次的场景，完全够用。

好了，这一章就到这里。下一章咱们聊聊电源路径管理和电池选型，那又是另一番天地了。