• AVR
• микроконтр
• Система
• Архитектура
• ATmega128
• 7/16-битный

Выбор микроконтроллера со сверхнизким потреблением

Резюме

В данном примере применения описывается, как сравнить микроконтроллеры со сверхнизким потреблением. Будут обсуждены основные различия между популярными микроконтроллерами со сверхнизким потреблением, а также рассмотрено как интерпретировать характеристики и технические требования и соотнести их с техническими требованиями к устройству.

Введение

Для современных устройств с автономным питанием потребление управляющего микроконтроллера становится все более важным параметром. Большинство поставщиков предлагают ряд микроконтроллеров со сверхнизким потреблением, но выбор наилучшего для Вашего устройства решения более сложен, чем простое просматривание и сравнение первой страницы технического описания. Для выбора наиболее оптимального с точки зрения потребления решения необходимо очень подробно сравнить характеристики микроконтроллеров во всех режимах работы (включая режимы пониженного потребления), рассмотреть способы синхронизации, характеристики обработки событий, встроенные периферийные устройства, наличие функции обнаружения и защиты от кратковременного пропадания напряжения питания, величину тока утечки и эффективность вычислительного ядра.

Среднее значение потребляемого тока

В низкопотребляющих устройствах среднее значение потребляемого тока определяет срок службы аккумулятора. Например, если для питания устройства используется источник питания с емкостью 400 мАч, то, для того чтобы проработать без замены или подзарядки источника питания один год, система должна иметь среднее значение потребляемого тока менее 400 мАч/8760 ч = 45.7 мкА. На рисунке 1 показано, что для выполнения этого условия система может потреблять большее значение тока в течение коротких интервалов, а в остальное время должно иметь меньшее потребление.

Рисунок 1. Среднее значение потребляемого тока

Режимы пониженного потребления

Наличие режимов пониженного потребления - самая важная характеристика, дающая возможность микроконтроллерам удовлетворить требованиям к среднему значению потребляемого тока. Низкопотребляющие микроконтроллеры имеют режимы пониженного потребления, в которых они, тем не менее, способны выполнять различные функции. Например, микроконтроллеры семейства MSP430 имеют пять режимов пониженного потребления. В режиме Low-power mode zero (LPM0) отключается вычислительное ядро, но все остальные функции остаются активными. В режимах LPM1 и LPM2 в список отключенных функций добавляются различные функции синхронизации. LPM3 - наиболее часто используемый режим пониженного потребления, в котором остается активным только низкочастотный автогенератор и все периферийные устройства, использующие для работы синхросигналы этого автогенератора. LPM3 часто применяется для работы в прерывистом режиме, когда низкочастотный генератор применяется в качестве часов реального времени ввиду того, что он работает от 32768 Гц кварцевого резонатора и потребляет менее 1 мкА. В режиме LPM4 выключаются все встроенные задающие генераторы, что приводит к автоматическому отключению всех синхронных периферийных устройств. В этом режиме аналоговые периферийные устройства могут оставаться в активном режиме, но если отключить и их, то микроконтроллер (даже осуществляя регенерацию ОЗУ) будет потреблять всего 100 нА.

Системы синхронизация

Во многом потребление микроконтроллера зависит от системы синхронизации. Устройства могут входить в режим пониженного потребления и выходить из него от нескольких раз в секунду до нескольких сотен раз в секунду. Способность быстро входить в такие режимы и выходить из них, а также быстро обрабатывать данные после активизации, является критическим параметром, так как после "пробуждения" микроконтроллер некоторое время простаивает, ожидая установления стабильных синхроимпульсов и потребляя довольно большой ток. Большинство низкопотребляющих микроконтроллеров содержат так называемые "мгновенные" (“instant-on”) автогенераторы, которые выходят на стабильный режим менее чем за 10-20 нс. Но важно понять, какие генераторы являются "мгновенными", а какие - нет. Некоторые микроконтроллеры имеют две ступени синхронизации при пробуждении: сначала синхронизация обеспечивается от низкочастотного (обычно 32768 Гц) задающего генератора, в то время как высокочастотный генератор выходит на стабильный режим генерации только через несколько миллисекунд или даже дольше. В таких микроконтроллерах вычислительное ядро может начать работу уже через 15 мкс, но с более низкой или нестабильной частотой. Если вычислительное ядро должно выполнить несколько команд, например 25, то потребуется приблизительно 763 мкс при частоте 32768 Гц. Вычислительное ядро потребляет на низкой частоте значительно меньше, но и производительность его также существенно ниже. С другой стороны, вычислительное ядро может работать на высокой, но неправильной или нестабильной частоте. В этом случае время обработки мало, но приложение не может выполнить точный расчет временных параметров. Если требуется точная синхронизация, то вычислительное ядро должно ожидать установления стабильных синхросигналов. Микроконтроллеры семейства MSP430 имеют время выхода высокочастотного задающего генератора в стабильный режим менее 6 мкс (а часто даже меньше), что позволяет выполнить те же 25 команд всего за 9 мкс (6 мкс пробуждение + 25 команд * 125 мкс). На рисунке 2 показаны временные диаграммы запуска "мгновенного" 8 МГц генератора, которому для выхода в режим стабильной генерации требуется всего 292 нс.

Рисунок 2. Временные диаграммы запуска высокочастотного "мгновенного" задающего генератора микроконтроллеров семейства MSP430

Кроме того, если система синхронизации микроконтроллера способна формировать несколько синхросигналов, то периферийные устройства могут работать при остановленном вычислительном ядре. Например, АЦП микроконтроллера требуются высокочастотные синхроимпульсы. Если система синхронизации микроконтроллера способна формировать несколько синхронизирующих последовательностей, то при работе АЦП вычислительное ядро может быть остановлено, что позволит снизить потребление системы в целом.

Прерывания

Система обработки событий идет рука об руку с системой синхронизации. Прерывания способны вывести микроконтроллер из режим пониженного потребления, поэтому, чем больше имеется прерываний, тем больше гибкости микроконтроллер имеет для обеспечения снижения общего потребления. Опрос состояний выводов и периферийных устройств приведет к повышению потребления, так как это потребует дополнительного времени нахождения микроконтроллера в активном режиме. Хороший низкопотребляющий микроконтроллер должен иметь развитую систему прерываний для обработки внешних событий. Микроконтроллеры семейства MSP430 имеют обработчик прерывания от 16 линий портов ввода-вывода общего назначения и от всех периферийных устройств. Некоторые периферийные устройства, как например таймеры Timer_A и Timer_B и АЦП ADC12, для обеспечения большей гибкости имеют несколько прерываний.

Наибольшую выгоду от развитой системы прерывания получают устройства с кнопками управления или клавиатурой для ввода данных. Не имеющие развитой системы прерывания микроконтроллеры должны периодически опрашивать клавиатуру или кнопки. Мало того, что это требует времени, так это ведет еще и повышению потребления. Микроконтроллеры с развитой системой прерывания могут бездействовать все время, пока не будет нажата какая-нибудь кнопка.

Периферийные устройства

Потребление и система управления питанием периферийных устройств также должны учитываться при выборе микроконтроллера. Некоторые низкопотребляющие микроконтроллеры изготавливаются на основе архитектур 20 - 30 летней давности, которые не были рассчитаны на обеспечение низкого потребления. Микроконтроллеры семейства MSP430 изначально разрабатывались как низкопотребляющие, и поэтому их периферийные модули также имеют низкое потребление. Об этом свидетельствует наличие возможности индивидуального их включения - выключения или, что еще более важно, автоматического включения - выключения периферийных модулей. АЦП ADC12 микроконтроллеров семейства MSP430 - пример таких интеллектуальных периферийных устройств. Если оно не выполняет преобразования, то оно не потребляет тока. При отсутствии преобразования оно автоматически блокирует свой встроенный задающий генератор и цифровую схему обработки. Перед началом преобразования модуль автоматически включается или перезапускается.

Кроме того, периферийные устройства могут управляться прерываниями от других периферийных устройств. Например, АЦП ADC12 микроконтроллеров семейства MSP430 может быть запущен таймером Timer_A или Timer_B. Это позволяет синхронизировать выборки АЦП и выполнять их без использования вычислительной мощности ядра. АЦП ADC12 может активизировать вычислительное ядро уже после окончания преобразования.

Некоторые микроконтроллеры семейства MSP430 имеют функцию прямого доступа к памяти (DMA), которая позволяет автоматически обрабатывать данные без вмешательства вычислительного ядра. Использование контроллера DMA позволяет не только увеличить скорость обработки данных, но, что еще более важно, и снизить потребляемую мощность. Использование DMA для автоматической записи данных, например в ОЗУ, позволяет вычислительному ядру быть отключенным, а АЦП в это время работать и выполнять преобразования. Вычислительное ядро активизируется уже после того, как все необходимые преобразования выполнены.

Управление синхронизацией периферийных модулей - другая важная характеристика, которая позволяет снизить средний ток потребления системы. I2C модуль микроконтроллеров семейства MSP430 имеет непосредственное управление системой синхронизации. Это означает, что, если I2C модулю нужны синхросигналы, то он автоматически активизирует задающий генератор. Это также позволяет вычислительному ядру оставаться отключенным. При этом имеется возможность декодировать I2C адрес даже при отключенном вычислительном ядре.

Защита от кратковременного пропадания напряжения питания

Многие микроконтроллеры имеют встроенную защиту от кратковременного пропадания напряжения питания, которая перезапускает его в тех случаях, когда напряжение питания снижается ниже нормального уровня. У большинства микроконтроллеров эта схема защиты потребляет от 10 до 70 мкА. Некоторые микроконтроллеры с целью снижения потребления имеют возможность отключения схемы защиты от кратковременного пропадания напряжения питания, но для обеспечения эффективности работы этой схемы необходимо, чтобы она работала все время, ведь кратковременные пропадания напряжения питания невозможно предсказать. Поэтому ток потребления такой схемы защиты добавляется к минимальному потребляемому системой току.

Схема защиты от кратковременного пропадания напряжения питания в микроконтроллерах семейства MSP430 не может быть отключена, при этом она не потребляет дополнительного тока. Эта информация содержится во всех технических описаниях этих микроконтроллеров.

Ток утечки выводов

Иногда при выборе низкопотребляющего микроконтроллера ток утечки выводов не учитывается, но для большинства приложений он очень важен. Большинство низкопотребляющих микроконтроллеров имеет ток утечки выводов до 1 мкА. Таким образом, суммарный ток утечки микроконтроллера, имеющего 20 выводов, может достигнуть 20 мкА! Микроконтроллеры семейства MSP430 имеют ток утечки выводов не более 50 нА, поэтому ток утечки 20 выводного микроконтроллера этого семейства не превысит 1 мкА.

Эффективность обработки

Наконец, часто неправильно истолковывается эффективность обработки микроконтроллеров. Часто думают, что 16-разрядные микроконтроллеры требуют в два раза больше памяти, чем 8-разрядные микроконтроллеры, но 16-разрядным микроконтроллерам может потребоваться намного меньше памяти программы, а, кроме того, они обычно выполняют задачи быстрее. Например, в системах, где имеется 10- битный АЦП или требуется выполнение 16-разрядной математики, вычислительное ядро 8-разрядных микроконтроллеров сильно загружено. Далее, многие 8-разрядные микроконтроллеры имеют только один рабочий регистр (аккумулятор), при помощи которого и производятся все вычисления. В таблице 1 показаны команды, которые необходимо выполнить микроконтроллерам семейства MSP430 и обычному 8-разрядному микроконтроллеру для перемещения результата преобразования 10- битного АЦП. Работая на частоте 1 МГц, микроконтроллеры семейства MSP430 выполнят это перемещение за 6 мкс, а 8- разрядный микроконтроллер – за 24 мкс.

Таблица 1. Сравнение эффективности обработки 16- и 8- разрядных микроконтроллеров

Заключение

При выборе низкопотребляющего микроконтроллера надо изучить все пункты его технического описания. Но усилия, затраченные на это, позволят продлить срок службы аккумулятора и удовлетворить технические требования к току потребления системы.