Журнал РАДИОЛОЦМАН, декабрь 2012
Digi-Key
Становясь все более экономичными, микроконтроллеры проникают в новые сферы приложений, такие как интеллектуальные системы освещения и беспроводные измерительные устройства. Приборы последних поколений позволяют значительно снизить энергопотребление, открывая инженерам множество ранее недоступных возможностей – от использования поддерживаемых высокоуровневыми языками программирования средств разработки, до разнообразной периферии.
Развитие приложений Smart Power идет по нескольким направлениям. Имея возможность перенести контроль и управление энергопотреблением ближе к точке нагрузки, можно равномернее распределять энергию по сети, тем самым, сокращая потери мощности, что очень важно для энергетических компаний. Не менее важно это и для потребителей, которые смогут пользоваться более гибкими тарифами и более дешевой энергией, что, в конечном счете, позволит еще больше снизить затраты. Однако такое оборудование должно быть экономически эффективным, как по капитальным затратам, так и в обслуживании. Замена элементов питания в миллионах интеллектуальных электросчетчиков является одной из главных статей эксплуатационных расходов сетевых операторов и потенциальным препятствием на пути их внедрения. Таким образом, снижение мощности, потребляемой интеллектуальными приборами учета, не только экономит энергию, но и позволяет батареям работать в течение многих лет.
Дальнейшее сокращение энергопотребления за счет более эффективного управления устройством, внедрения новых архитектур и технологических процессов может снизить расход энергии до такого уровня, который позволит вообще отказаться от батарей питания. Сегодня во многих случаях электрическую энергию можно извлекать из окружающей среды, – из энергии колебаний или из тепла, выделяемого индустриальным оборудованием, – и хранить ее в местной батарее. Таким способом можно обеспечить питанием микроконтроллер, а, нередко, даже датчик и сетевой адаптер. С точки зрения характеристик оборудования и срока службы батареи выбор архитектуры сетевого узла и микроконтроллера имеет первостепенное значение, причем выбор этот неоднозначен и вынуждает разработчика идти на определенные компромиссы.
Компромиссы проекта
При рассмотрении вопросов питания микроконтроллеров, используемых в приложениях Smart Power, интеграция и производительность оказываются связанными параметрами. В принципе, вместе с ядром процессора на одном кристалле можно разместить множество периферийных элементов, сократив, тем самым, номенклатуру внешних компонентов и снизив потребляемую мощность. Иногда, однако, маленький 8-разрядный микроконтроллер в комплекте с модулем беспроводного интерфейса может дать больший эффект, чем полностью интегрированная система, совмещающая процессор приложения и радиочастотную часть. В то время как в некоторых контроллерах, таких как EFM32 компании Energy Micro (см. ниже), для сокращения энергопотребления до минимума используется гибкая система управления питанием периферийных блоков, схема, собранная из нескольких отдельных контролеров, предоставляет возможность изолировать различные части узла так, что питание будет использоваться только тогда, когда это действительно необходимо.
Между производительностью и потребляемой мощностью существует еще один компромисс. Кратковременное использование энергоэффективного микроконтроллера с последующим его отключением может потребовать меньше энергии, чем при более продолжительной работе более экономичного процессора. Однако это зависит от времени выхода на рабочий режим из выключенного состояния и обратно, хотя многие микроконтроллеры с целью снижения потребления могут иметь достаточно быстрое время реакции. Иногда, правда, тонкости управления питанием мало влияют на потребление, а размер кода сказывается существенно. Использование 16- или, даже 8-битного кода может смягчить требования к памяти и обеспечить более быстрый доступ, сократив одновременно затраты и потребляемую мощность. Но и 32-разрядные системы могут использовать преимущества более короткого слова при сокращенном наборе инструкций, подобном ARM Thumb 2.
Программное обеспечение приложений Smart Power не отличается особой сложностью, но должно быть исключительно надежным, поскольку замена или модернизация каких-либо проблемных узлов может быть связана с очень большими расходами. Это требует бережного отношения к коду, унаследованному от предыдущих поколений проекта, поэтому условие повторного использования программ обязательно включается в техническое задание на новое изделие. В то же время, новое поколение средств и интегрированных сред разработки для ARM MIPS и других 32-битных архитектур позволяет существенно сократить сроки конструирования, улучшить качество кода и повысить эффективность отладки, в результате чего конечный продукт получается более надежным и выходит на рынок быстрее. Учет этих соображений может повлиять на выбор архитектуры микроконтроллера.
Рассмотренные выше проблемы выбора, с которыми сталкиваются конструкторы при разработке интеллектуальных систем энергоснабжения, могут решаться несколькими способами, отражающими жесткие требования к потребляемой мощности и цене. Все большее распространение получают системы на базе 32-разрядных микроконтроллеров, часто на оптимизированном ядре ARM Cortex-M3.
Недавно созданная Норвежская компания Energy Micro, используя ядро ARM Cortex-M3, создает микроконтроллеры с самым низким в отрасли потреблением энергии, что позволяет использовать их не только в устройствах с батарейным питанием, но даже в системах, получающих энергию из окружающей среды.
Микроконтроллеры EFM32G210F128 ‘Gecko’ (Рисунок 1) имеют архитектуру с низким потреблением, коротким временем пробуждения из энергосберегающих режимов и большим выбором специализированной периферии для управления устройствами Smart Power. Семейство ориентировано на приложения с батарейным питанием в узлах интеллектуальных сетей.
 |
|
| Рисунок 1. | Блок-схема микроконтроллеров с низким энергопотреблением EFM32 ‘Gecko’ компании Energy Micro. |
Центральное место в микроконтроллере занимает устройство управления питанием (Energy Management Unit, EMU), которое координирует все функции энергосбережения, включая и выключая периферию, а также снимая питание с неиспользуемых блоков ОЗУ. В результате, в режиме отключения (Shutoff) при напряжении питания 3 В ток потребления удалось снизить до 20 нА, а в режиме глубокого сна (Deep Sleep Mode) – до 0.9 мкА при сохранении активности часов реального времени, схемы сброса, ОЗУ и процессора. Во время выполнения кода из Flash-памяти при напряжении питания 3 В потребление микроконтроллера составляет 180 мкА/МГц.
EMU использует специально разработанный блок управления тактовыми сигналами, позволяющий программно управлять индивидуальными тактовыми сигналами для периферийных блоков, которые могут потреблять значительное количество энергии, даже когда они не используются.
Кроме того, Energy Micro разработала систему отображения периферии PRS (Peripheral Reflex System), освобождающую процессор от участия в обмене данными между различными периферийными модулями. Основная функция PRS состоит в перенаправлении сигналов от периферийных блоков в соответствии с характером передаваемой информации.
Микроконтроллеры Gecko отличает наличие периферии с низким потреблением энергии. Малопотребляющий универсальный асинхронный приемопередатчик (LEUART) может обеспечить дуплексную связь на скорости 9600 бит/с при синхронизации от одного генератора 32,768 Гц. Экономичный 16-разрядный таймер (LETIMER) способен выполнять несложные задачи, когда бóльшая часть модулей микроконтроллера отключена, и энергопотребление системы удерживается на абсолютном минимуме. При минимальном объеме необходимого программного кода этот же таймер может использоваться для генерации различных сигналов. Кроме того, таймер подключен к часам реального времени (RTC) и может быть настроен на запуск счета при совпадении с RTC.
В своих микроконтроллерах семейства Stellaris 1000, предназначенных для недорогих приложений с батарейным питанием в интеллектуальных энергосистемах, компания Texas Instruments также использует ядро ARM Cortex-M3 (Рисунок 2). LM3S1000 расширяет семейство бóльшим объемом встроенной памяти, улучшенными функциями управления питанием, увеличенным количеством линий ввода/вывода.
 |
|
| Рисунок 2. | Реализация приложений Smart Power на микросхемах Texas Instruments. |
Микроконтроллер LM3S1911 ориентирован на промышленные приложения, включая системы удаленного мониторинга и управления, терминалы продаж, испытательную и измерительную аппаратуру, сетевое оборудование, системы промышленной автоматизации, системы управления микроклиматом, медицинские приборы и системы безопасности.
Для эффективного управления режимами энергосбережения в периоды длительного бездействия микроконтроллер имеет специализированный аппаратный модуль с резервным питанием. Имеются также секвенсор и монитор питания, счетчик реального времени, пара регистров совпадения, усовершенствованный интерфейс APB к системной шине и специализированная энергонезависимая память (Рисунок 3).
 |
|
| Рисунок 3. | Блок-схема микроконтроллеров семейства Stellaris 1000. |
В микроконтроллере используется набор 16-битных инструкций ARM Thumb-2, позволяющий сократить объем требуемой памяти до нескольких килобайт. Рабочая частота ядра равна 50 МГц, а встроенный контроллер вложенных векторных прерываний (NVIC) обеспечивает полностью детерминированную реакцию на прерывания. В совокупности с поддержкой 29 источников прерываний с 8 уровнями приоритета это делает микроконтроллеры хорошим инструментом для приложений мониторинга. Блок защиты памяти (MPU) обеспечивает привилегированный режим для защищенных функций операционной системы, а поддержка атомарных битовых операций обеспечивает максимально эффективное использование памяти и рациональное управление периферией, что еще больше снижает потребление энергии.
Для внутрисистемного обмена данными LM3S100 оборудован тремя UART, совместимыми с 16C550 и поддерживающими IrDA. Приемники и передатчики имеют независимые буферы FIFO объемом 16 × 8, снижающие связанную с обработкой прерываний нагрузку на процессор и программируемый бод-генератор, обеспечивающий максимальную скорость обмена до 3.125 Мбит/с.
16-разрядные решения пока послужат в приложениях Smart Power…
Как отмечалось выше, преимуществом набора 16-разрядных инструкций ARM Thumb-2 является компактность кода, а реализация проектов Smart Power может основываться на различных архитектурных решениях. 16-разрядные цифровые сигнальные контроллеры серии DSPIC33EP256MU80 компании Microchip в дополнение к 16-разрядному ядру имеют блок цифровой обработки сигналов, увеличивающий эффективную производительность до 60 MIPS.
Цифровые сигнальные контроллеры имеют модифицированную гарвардскую архитектуру и, так же, как 32-битный и Thumb-2 коды, используют Си компилятор с оптимизированным набором инструкций с 16-битными данными и 24-битным конвейером. Контроллеры имеют 73 базовые инструкции, многие из которых выполняются за один машинный цикл. Еще 11 дополнительных одноцикловых инструкций, включая умножение с накоплением, реализуются блоком DSP с двумя 40-битными аккумуляторами, поддерживающими опции округления и насыщения.
15-канальный контроллер прямого доступа к памяти (DMA) с помощью двухпортового буфера емкостью 4 КБ обеспечивает перемещение информации между областями памяти, позволяя ЦП выполнять не требующие обращения к памяти инструкции во время быстрого обмена данными между ОЗУ и периферией. В результате снижается средняя потребляемая мощность и возрастает производительность контроллера.
Набор коммуникационных модулей содержит двухрежимный хост интерфейс USB v2.0 OTG со скоростями обмена 1.5 и 12 Мбит /с. Высокоточная ФАПЧ позволяет поддерживать до 32 конечных точек в однонаправленном и до 16 точек в двунаправленном режиме. В качестве буферов конечных точек могут использоваться любые области внутреннего ОЗУ, как для встроенного интерфейса USB, так и для внешнего.
… и 8-разрядные микроконтроллеры еще живы
Эффективно использоваться все еще могут даже приборы с 8-битной архитектурой. Микроконтроллеры Silicon Labs C8051F981-GM с 8-битным конвейерным ядром 8051 были оптимизированы для достижения сверхнизкого энергопотребления. В активном режиме и напряжении питания 1.8 – 3.6 В их ток потребления составляет 150 мкА/МГц при рабочей частоте 25 МГц и производительности 25 MIPS. Быстрый выход из спящего режима, происходящий за 2 мкс и время стабилизации аналоговой периферии 1.5 мкс позволяют использовать микроконтроллеры в измерительных или сетевых узлах беспроводных интерфейсов (Рисунок 4).
 |
|
| Рисунок 4. | 8-битное конвейерное ядро микроконтроллеров Silicon Labs. |
Встроенный АЦП при 12-битном разрешении способен производить 75 тыс. выборок в секунду, а при 8-битном разрешении – 330 тыс. выборок. В устройство интегрирован также датчик температуры.
Стирая границы между 8- и 32-разрядными решениями
Компания Freescale предприняла попытку стереть границу между 8- и 32-разрядными микроконтроллерами, предложив серию устройств Flexis, объединенную общим набором периферии и отладочных средств для обеспечения гибкости миграции. Дуэт 8-разрядных микроконтроллеров SO8 и совместимых по выводам 32-разрядных ColdFire V1, ставший первым семейством серии Flexis, включает в себя микроконтроллеры с самым низким энергопотреблением. Семейство нацелено, в частности, на применение в бытовых и промышленных приложениях, требующих продолжительной работы от батарей.
Серия 32-разрядных микроконтроллеров MCF51QE128LH поддерживает набор инструкций V1 ColdFire, работает на частоте до 50 МГц, имеет встроенную Flash-память до 128 Кбайт, 12-битный многоканальный АЦП, стабилизатор напряжения до 3.6 В и три таймера с функциями управления электродвигателями. Приборы ориентированы на использование в приложениях Smart Power, сетях детекторов дыма и камерах наблюдения.
Микроконтроллер MCF51QE128 совместим по выводам, периферии и отладочным средствам с 8-разрядным микроконтроллером S08QE128, предоставляя разработчику свободу в выборе характеристик компонентов, наилучшим образом соответствующих требованиям проекта. Дополнение C набора инструкций ColdFire (ISA_C) содержит инструкции для простой обработки 8- и 16-битных данных и поддерживает до 256 источников прерываний и сброса, позволяя повысить гибкость программирования и оптимизировать приложения реального времени (Рисунок 5).
 |
|
| Рисунок 5. | 32-разрядный микроконтроллер MC51QE128 совместим с 8-разрядной версией S08QE128. |
Микроконтроллер поддерживает два режима останова с ультранизким потреблением энергии (ULP), в одном из которых разрешается ограниченное использование периферии и продолжается выполнение приложения. Добавлен также новый режим ожидания, в котором используется встроенный генератор с ультранизким током потребления. Время выхода из этого режима не превышает 6 мкс.
Два аналоговых компаратора имеют опцию сравнения с напряжением внутреннего опорного источника. Это означает, что связав выход компаратора с входом таймера, можно с помощью единственного вывода сформировать схему захвата и высвободить дополнительные выводы для других задач. Встроенный 12-разрядный АЦП с временем преобразования 2.5 мкс может оцифровывать сигналы до 24 внешних каналов, а также, напряжение внутреннего датчика температуры с чувствительностью 1.7 мВ/°C.
Для снижения токов утечки и сокращения статического энергопотребления в микросхемах используются транзисторы с увеличенной длиной канала. Стандартная библиотека элементов контроллеров содержит, в частности, сверхэкономичный генератор, потребляющий ток 500 нА, LDO стабилизатор для обслуживания режима ожидания и узел управления пробуждением, переводящий процессор в активный режим всего за 6 мкс. Все это означает, что, активизировав приложение, выполнив очередную задачу и быстро вернувшись в спящий режим, можно дополнительно сократить расход энергии.
Выбираемая пользователем логика управления тактированием периферии дает возможность эффективно оптимизировать схему синхронизации, на долю которой может приходиться до 40% мощности, расходуемой различными модулями, в то время как блок тайм-аута (SATO) позволяет включать питание Flash-памяти лишь на время чтения и фиксации результата в регистре, а затем переходить в режим пониженного потребления. Этот процесс автоматически запускается при очень медленных скоростях ЦП и позволяет выделять намного больше тока для операций с Flash-памятью.
Заключение
Широкий спектр микроконтроллеров, пригодных для приложений Smart Power, может вызвать растерянность у разработчиков. Однако для оптимизации энергопотребления конструктору предоставлено множество вариантов, опирающихся на правильный выбор сочетания периферии и ее характеристик. Последние технологические достижения и создание схем с ультранизким потреблением теперь позволяют создавать дешевые в обслуживании устройства, рассчитанные на десяток лет работы от одной батареи, или, даже, извлекающие энергию из окружающей среды. С ростом степени интеграции и снижением общей стоимости компонентов в проекте реализация жизнеспособных систем Smart Power, сокращающих потери энергии на всем пути от генерирующей компании до потребителя, становится реальной.
