Управувањето со енергијата во микроконтролерите прави оптимално користење на опции за ниска моќност од MCU;
12 март 2014 година, во 08:29 часот | Богат Мирон
Денес, вградените системи треба да работат што е можно подолго со само едно полнење на батеријата. Целта овде е да се искористат оптималните режими на мала потрошувачка на микроконтролери. Споредба на опциите за ниска моќност на MCU од Microchip, STMicroelectronics и Texas Instruments.
За преносни електронски уреди, нивниот век на траење со едно полнење е скоро исто толку важен колку и реалните функции што ги обезбедува уредот. Бидејќи кога батеријата е празна, не е важно какви одлични перформанси може да понуди уредот. Современите микроконтролери (MCU) со платформи кои се специјално дизајнирани за работа со мала потрошувачка на енергија, нудат добри решенија овде. Тие исто така обезбедуваат многу режими за заштеда на енергија, како режим на мирување, хибернација, итн. И функции како што се наменски пинови кои автоматски го вклучуваат системот во работа на резервна батерија кога ќе се исклучи напојувањето. И, конечно, покрај мерките за заштеда на енергија, тука е и уметноста за развој на софтвер со алатки како што е »IAR Embedded Workbench«
што може да ја покаже потрошувачката на енергија за извршување на секоја линија на код. Со проверка на однесувањето на системот во реално време, програмерите можат да ги користат овие информации за да го наместат системот за максимална ефикасност во работењето, на пример, промена на фреквенцијата на часовникот или ставање на системот во режим на пониска енергија.
Ако сè уште има сомнежи за важноста на енергетската ефикасност во денешните вградени системи, доволно е да ги разгледаме последните DRAM стандарди објавени од JEDEC: Не само што организацијата објави нова верзија на својот стандард за преносна електроника со LPDDR3, најновиот општ DRAM -Стандардниот DDR4 вклучува различни карактеристики за намалена потрошувачка на енергија, како што е архитектурата со псевдо-отворен мозоци. Без оглед на тоа дали микроконтролерот е во паметен телефон или автомобил - едно е јасно: тој може да ги исполни барањата на клиентот само доколку нуди енергетски ефикасна работа.
Со цел да се оптимизира потрошувачката на енергија, програмерите мора да се фокусираат на две главни цели: најкратко можно време во активен режим и минимална потрошувачка на енергија во неактивен режим. Не толку одамна микроконтролерите имаа само еден режим на подготвеност, но денес модулите нудат голем број опции за избегнување активен режим и дозволување само кога е апсолутно потребно.
»Слики„ заштедуваат електрична енергија
Сл. 1: Во режим Дозирање, процесорот на »PIC24F-J128GA310« (тука на приклучочкиот модул за развојната табла »Explorer 16) може да работи побавно од периферните уреди
Семејството микроконтролери »PIC24FJ128GA310« од Микрочип (Слика 1) на пример, цела низа опции за управување со енергија:
овозможува модулот да премине во резервна батерија за најмала можна потрошувачка на енергија со RTCC (Календар/часовник во реално време, часовник во реално време со календар),
„Режим на длабок сон“ за скоро целосно немоќно работење со можност за будење од надворешен активирач и екстремно мала потрошувачка на енергија (на 3,3 V типичен WDT: 270 nA, RTCC: 400 nA на 32 kHz, длабок сон -Во тек: 40 nA),
Спиење и режими на мирување тоа
Периферни уреди и/или јадра
Исклучете селективно за значително намалување на моќноста и брзо будење,
Режим на дозирање, што овозможува процесорот да работи со пониска фреквенција на часовникот од периферните уреди,
алтернативните режими на часовник овозможуваат промени во текот на летот во помала брзина на часовникот за селективно намалување на моќноста.
Режимите на мирување и мирување им овозможуваат на дизајнерите да ги исклучуваат уредите за периферија и/или јадрото на контролорот за да ја намалат потрошувачката на енергија додека ја одржуваат можноста за брзо будење. Во режимот "задржување на спиењето", клучните кола се снабдуваат од посебен регулатор за низок напон. Режимот VBAT го префрла системот во резервна батерија во случај да се отстрани VDD, со што се минимизира потрошувачката на енергија со RTCC. Длабокиот сон без RTCC нуди скоро целосно исклучување и истовремено добива софтверска контрола така што модулот може да се рестартира преку надворешни активирачи. Според компанијата, контролорот работи на само 40 nA во овој режим (обично 3,3 V), во споредба со 400 nA на 32 kHz за режимот RTCC.
Измената на фреквенцијата на часовникот може да заштеди многу енергија. Во режим на полусон, на пример, корисникот може да ги намали перформансите со работа на процесорот со пониска брзина на часовникот од периферните уреди. Покрај тоа, микроконтролерот нуди можност за намалување на фреквенцијата на часовникот за време на работата, и со тоа овозможува фино нагодување на намалувањето на моќноста.
Поштедливи »STM8« контролери
Слика 2: Семејството микроконтролери »STM8L обезбедува четири режими со мала потрошувачка на енергија, така што корисникот може да најде оптимална рамнотежа помеѓу ефикасноста, перформансите и времето на стартување
Микроконтролерот »STM8L152C6T6« од STMicroelectronics обезбедува четири режими со мала моќност (слика 2) достапно така што корисникот може да најде оптимална рамнотежа помеѓу ефикасноста, перформансите и времето на започнување (слика 3).
Слика 3: Во споредба режимите со мала моќност на семејството микроконтролери »STM8L«
Во режим на чекање, часовникот на процесорот е запрен додека периферните уреди продолжуваат да работат. Чипот може да ја напушти оваа состојба на чекање преку внатрешен или надворешен прекин, настан на активирање или ресетирање. Во режим на работа со мала моќност, процесорот извршува одредени функции заедно со избраните периферни единици. На пример, Flash и Data EEPROM можат да бидат паузирани додека системот извршува код од RAM меморија на ниска фреквенција. Корисникот може да го контролира системот во и надвор од режимот на работа со мала моќност преку софтвер. Системот исто така може да излезе од режимот преку ресетирање, но не и преку прекини.
Во многу вградени системи, микроконтролерите трошат електрична енергија затоа што чекаат голем дел од времето за траење на настанот. Тука STM8L152C6T6 нуди режим на чекање со мала потрошувачка на енергија (Low Power Wait), во кој часовникот на процесорот е запрен. Ресетирање или внатрешен или надворешен настан, активиран на пример од тајмер или I/O настани, го враќа системот во режим на работа со мала моќност.
Активниот режим на запирање (Active Halt) оди чекор понапред и го запира генераторот на часовникот за процесорот и за сите периферни уреди - со исклучок на RTC. Надворешните прекини, прекинувачите на РТЦ или ресетирањето можат повторно да го разбудат системот од режимот на активно запирање. Режимот Halt (Halt) конечно ги запира часовниците за сите периферни уреди и процесорот. Блокот останува вклучен со цел да ги задржи податоците во RAM меморијата. Надворешно прекинување или ресетирање го буди контролорот повторно. Избраните периферни единици исто така може да се разбудат од режимот на чекање. Покрај тоа, блокот може да се конфигурира на таков начин што работи без внатрешна референца во режим на чекање, што заштедува дополнителна енергија со исклучување на внатрешниот референтен напон.
»MSP430« со рамка
Слика 4: Некои деривати на ниско-енергетската архитектура »MSP430« имаат особено заштеда на енергија FRAM меморија
16-битниот микроконтролер „MSP430FR5739“ од Texas Instruments нуди седум режими со мала потрошувачка на енергија (Слика 4) за вградени системи во преносни апликации. На највисоко ниво, режимот со мала моќност 0 (LPM0) ги деактивира процесорот и главниот часовник додека се задржуваат сите податоци. Часовниците на периферните единици остануваат активни и корисникот може да избере статус на часовникот на подмастерот. На горниот крај на заштедата на енергија, режимот на мала моќност 4,5 (LPM4,5) го одржува статусот на влошките за влез/излез, но не и за податоците, а исто така го деактивира и внатрешниот контролер. Како дел од неговиот дизајн за заштеда на енергија, микроконтролерот исто така интегрира и фероелектрична RAM меморија (FRAM) за непостојана меморија со мала потрошувачка на енергија.
Дебагирање на моќностНе е важно колку режими за заштеда на енергија има микроконтролер ако не се користат разумно и правилно. Ова е местото каде што влегуваат во игра алатките за дебагирање на енергија, како што е I-Jet од IAR Software Systems. Оваа алатка континуирано ја снима потрошувачката на енергија на системот за време на работата, а вградениот софтвер за работна маса од IAR ги поврзува овие податоци за потрошувачката на енергија со процесите во системот.
Слика 5: Во прозорецот за временска рамка, алатката »I-Jet« ја корелира потрошувачката на енергија со функциските повици и другите програмски делови
Во совршен свет, развивач може да поврзе напојување директно со линија на код. Реалноста е сепак дека капацитетите на системот ја дистрибуираат потрошувачката со текот на времето, така што ваквиот дискретен пристап е невозможен. Затоа, најдобриот избор е да се поврзе потрошувачката на енергија со функциските повици (Слика 5) Тогаш корисникот може да кликне на врв на моќност и да го пронајде назад до кодот.
Со помош на овој длабок увид во системот, инвеститорот може да идентификува периферни единици кои трошат непотребно енергија. За да го поправи ова, тој може да може да ги прилагоди фреквенциите на часовникот или да го стави системот во режим на заштеда на енергија додека е во мирување и повторно да се разбуди кога ќе добие одговор. На овој начин, програмерите можат да ги искористат опциите за управување со енергија за оптимално работење со хардверот.
За авторот:
Рич Мирон е во тимот за техничка содржина на Диги-Ки