用於嵌入式裝置偵錯的 UART：低功率裝置的最佳實踐

儘管 USB 已取代大多數週邊裝置的連接方式，但 UART 在嵌入式系統領域仍然活躍，用於為 GPS 模組到 Raspberry Pi 和 Arduino 板等應用進行偵錯。

開發人員在追求突破超低功率設計的極限時，經常會問：UART 是隱形的電池殺手嗎？簡單回答：不，並非如此。任何優良的工具，其效果都取決於如何實作。讓我們仔細分析一下。

注意 TX/RX 漏電流

避免非必要功耗的簡單方法之一是處理 TX 和 RX 通道的任何漏電流。雖然高漏電流並不常見，但最好能儘早進行檢查並解決潛在問題，以避免日後出現非預期的功耗。

以低功率的思維編寫和執行程式碼

在開發過程中，UART 的偵錯能力非常方便，但它就像一把瑞士刀，只有在使用時才會打開，不會隨時打開放在口袋裡。較明智的做法是在程式碼中使用 #define 觸發 UART 進行偵錯，並在元件投入生產時關閉 UART。這是一個簡單的技巧，但可以讓您排除現實中的麻煩。

想像一下：您和團隊成員正聚精會神，努力將功耗降至最低。您正在執行連續電流測量，並取得驚人的進展。在開發過程中，您啟用了 UART 進行偵錯，接受暫時的耗電量。但後來有人不小心將該程式碼合併到主分支中，此時 UART 仍然在啟用狀態，並且空中更新到數百萬台裝置上。突然間，您原本的高效率設計就像電玩機台一樣瘋狂耗電，結果是您得到一群不開心的客戶。

如何修復？設定具有電流消耗基準的連續整合系統。如此一來，可以在此問題成為代價高昂的錯誤前先發現。此系統可視為一個自動化安全網，在程式碼投入生產之前控制這些額外的電流。

確保關閉一切

啟用 UART 可以啟動軟體的各部分，包括各種 MCU 模塊和時脈。MCU 的設計通常預設開啟所有功能，以利於開發。然而，需在 MCU 進入睡眠模式之前停用不必要的組件。如果 UART 時脈保持啟用，可能會阻止 MCU 進入最深度的睡眠狀態，而會有更高的功耗。檢查時脈樹並確保連接到 UART 的所有組件在不需要時確實關閉。

實際 Otii 實驗

在 Seeed Technology 的 Seeed Studio XIAO nRF52840 上執行兩個不同版本的韌體進行實驗。首先，準備一個範例腳本，用於初始化模組、設定快閃記憶體、執行短 LED 閃爍序列，接著讓模組執行最低功率模式。其中一個版本啟用 UART，另一則停用。我們使用 Qoitech 的 Otii Ace Pro 測量電流消耗，分析和比較兩個版本在不同電壓位準下的功耗。

圖 1 中，裝置主動傳送 UART 訊息，圖 2 顯示 MCU 處於睡眠模式。藍線表示啟用 UART，橘線表示停用 UART。此差異凸顯出 UART 對功耗的影響。

圖 1：運作中的 SeeedStudio XIAO nRF52840 裝置，其 UART 通訊功能啟用 (藍) 或停用 (橘)。(圖片來源：Qoitech)

圖 2：XIAO nRF52840 裝置在低功率模式中 (圖表選定部分)，其 UART 通訊為啟用 (藍) 或停用 (橘)。(圖片來源：Qoitech)

在主動模式下，平均電流消耗從 460 μA 增加到 1.34 mA (圖 1)。在睡眠模式下，電流消耗從 2.27 μA 降為 2.19 μA (圖 2)。物聯網裝置通常有長睡眠週期，因此雖然這點差異看似微不足道，但卻會對電池續航力造成明顯影響。顯然，韌體在 UART 停用時達到最佳化。

使用 Otii 估算電池續航力

我們使用 Otii 桌面應用程式的電池續航力估算器展示對電池續航力的影響。假設每小時有一個活動週期，此時裝置喚醒並執行閃爍序列，接著睡眠近 3600 秒。

圖 3 中，UART 停用，而在圖 4 中，UART 啟用，顯示出電池續航力的顯著差異取決於是否使用 UART。

圖 3：停用 UART 通訊時的電池續航力估算。(圖片來源：Qoitech)

圖 4：啟用 UART 通訊時的電池續航力估算。(圖片來源：Qoitech)

差別很大！UART 保持啟用狀態時，預估電池續航力從 5.9 年縮短至僅 11.6 天。

請謹記：需確保 MCU 進入睡眠模式之前，必須關閉與 UART 相關的一切。使用 Otii 產品套件 將其整合到連續整合流程中，有助於防止意外啟用 UART，進而避免大量縮短裝置的電池續航力。