Делаем клавиатуру с минимальным потреблением на базе микросхемы GreenPAK с программируемым автоматом состояний от Silego

С первого взгляда, кажется, что кнопочная клавиатура – это настолько простое и банальное устройство, что в нем нечего улучшать. Однако, как гласит поговорка: нет предела совершенству. Компания Silego подает идею по созданию клавиатур с практически нулевым потреблением, которые могут годами работать даже от самых миниатюрных элементов питания. Для этого предлагается использовать семейство микросхем GreenPAK с программируемым автоматом состояний и гибкую фирменную среду разработки Silego GreenPAK Designer.

Рис. 1.	Клавиатура на базе микросхем GreenPAK с автоматом состояний от Silego.

Клавиатуры являются привычным элементом управления для огромного количества устройств: от стиральных машин до пультов операторов в ЧПУ. Выдумать что-то новое при создании клавиатуры очень сложно. Казалось бы: кнопки, контроллер, элементарная программа – вот и все, что требуется разработчику.

Если посмотреть на новый отладочный набор от Silego, то ничего сверхъестественного мы там не увидим – все те же столбцы и строки из кнопок (Рис. 1). Однако есть одно небольшое, но важное отличие: микроконтроллер подключен к клавиатуре не напрямую, а через микросхему GreenPAK от Silego.

GreenPAK – однократно программируемые микросхемы смешанных сигналов, выполненные в миниатюрных корпусах. Они отличаются богатым набором аналоговых блоков, развитой комбинационной логикой и гибкой матрицей соединений. Для создания клавиатур Silego предлагает использовать семейство GreenPAK5 со встроенным автоматом состояний ASM (Asynchronous State Machine). В частности, с помощью SLG46537V/M можно обрабатывать до 54 кнопок.

Применение GreenPAK дает следующие преимущества:

• достижение минимального потребления за счет использования встроенного автомата состояний ASM (Asynchronous State Machine);
• упрощение разводки за счет гибкой настройки функций выводов GreenPAK;
• возможность получения клавиатур с большим числом клавиш, при использовании GreenPAK в миниатюрном 20- или 22-выводном корпусе;
• возможность работы с широким диапазоном питающих напряжений 1.8…5.0 В.

Рассмотрим упрощенную блок-схему и алгоритм работы клавиатуры, предлагаемой компанией Silego (Рис. 2). Связь между контроллером и микросхемой GreenPAK осуществляется с помощью I²C и двух портов ввода-вывода общего назначения. Большую часть времени микроконтроллер находится в состоянии глубокого сна. В это время GreenPAK проводит сканирование клавиатуры. Если обнаружено нажатие какой-либо кнопки, то формируется сигнал прерывания INT, который пробуждает микроконтроллер. После чего по I²C считывается информация о состоянии клавиш.

Рис. 2.	Структурная схема контроллера клавиатуры от Silego.

Как говорилось выше, самым необычным элементом клавиатуры является микросхема GreenPAK. Рассмотрим особенности GreenPAK на примере SLG46537V.

SLG46537V – миниатюрная программируемая микросхема смешанных сигналов, которая, несмотря на малые габариты корпуса STQFN-20 2 × 3 × 0.55 мм (Рис. 3), отличается богатым набором внутренних блоков (Рис. 4).

Рис. 3.	Миниатюрные микросхемы SLG46537V GreenPAK 5 от Silego.
Рис. 4.	Блок-схема SLG46537 от Silego.

В состав SLG46537V входят следующие блоки:

• встроенное ОЗУ и однократно программируемая память конфигурации;
• развитая система комбинаторной логики;
• гибкая матрица соединений;
• программируемый асинхронный автомат состояний ASM;
• коммуникационный I²C-интерфейс;
• аналоговые элементы (компараторы, ИОН);
• гибкая система тактирования с двумя генераторами 25 кГц/ 2 МГц и 25 МГц;
• фильтры и элементы задержки.

Для данного конкретного приложения ключевую роль играет наличие автомата состояний ASM. Аппаратно ASM представляет собой макроячейку комбинационной логики с множеством входов и восемью выходами, которые подключаются к матрице соединений (Рис. 5).

Рис. 5.	Структура автомата состояний ASM в микросхемах SLG46537.

Настройка автомата состояний достаточна проста. Первым делом от пользователя требуется определить число состояний автомата и определиться с условиями переходов. Далее с помощью графического редактора бесплатной среды проектирования Silego GreenPAK Designer можно без проблем задать требуемый алгоритм работы микросхемы. На сайте Silego доступны версии этой среды для всех основных ОС (Windows XP/Vista/7/8.1 (x86, x64), MACOSX (v10.5) или Ubuntu 12.04).

На Рис. 6 представлен пример неполного графа переходов (диаграммы состояний) и соответствующая ему схема, созданная в Silego GreenPAK Designer. Как видно, на схеме темно-серые прямоугольники обозначают устойчивые состояния. Внутри них помещены светло-серые прямоугольники – это те состояния, в которые автомат может перейти при появлении сигнала на входе слева от блока. Например, из состояния High Speed можно перейти в состояние Off при появлении сигнала на входе PIN3.

Рис. 6.	Пример диаграммы переходов автомата состояний и его реализации в Silego Green PAK Designer.

Рассмотрим более подробно алгоритм работы и диаграмму переходов при использовании GreenPAK в качестве контроллера клавиатуры. При включении питания микросхема начинает циклический опрос строк. Для сканирования каждой строки в автомате ASM выделено свое состояние (Рис. 7). Переход между состояниями производится по фронту и срезу тактового сигнала. При нажатии клавиши происходит формирование сигнала прерывания INT, который пробуждает управляющий микроконтроллер. Далее выполняется считывание данных по I²C. После этого контроллер имеет возможность сброса автомата состояний GreenPAK с помощью ввода RESET.

Рис. 7.	Диаграмма переходов автомата состояний контроллера клавиатуры.

Предложенная диаграмма переходов была реализована в среде Silego GreenPAK Designer (Рис. 8). Выходы автомата состояний подключены к выходам микросхемы, которые в свою очередь подключены к строкам клавиатуры (PIN3, PIN4, PIN5, PIN6, PIN7, PIN10, PIN12, PIN13). Сигналы со столбцов клавиатуры (PIN14, PIN15, PIN16, PIN17, PIN18, PIN19) с помощью комбинационной логики формируют сигнал прерывания INT на выходе PIN20. В данной схеме кроме автомата состояний стоит отметить наличие фильтров для защиты от дребезга.

Рис. 8.	Реализация контроллера клавиатуры в Silego GreenPAK Designer.

Как видно из схемы, пользователь может чрезвычайно гибко настраивать алгоритм работы микросхемы и распределять назначение выводов. Это позволяет быстро получать результат и упрощать разводку печатной платы. Однако главным достоинством схемы является сверхнизкое потребление.

Как известно, цифровые устройства имеют очень низкое статическое потребление. То есть, основные потери оказываются динамическими и возникают при переключениях. В нашем случае переключения связаны только с переходами автомата состояний (Рис. 9). Для сканирования клавиатуры не требуется быстрой смены состояний, а значит и потребление оказывается минимальным. По заявлениям интернов Silego потребление автомата ASM составляет всего 1 мкА!

Рис. 9.	Потребление при работе автомата состояний оказывается минимальным.

Рассмотрим небольшой пример. Пусть вместе с SLG46537 используется микроконтроллер STM8L101 с минимальным потреблением в режиме сна от 0.3 мкА, а питание осуществляется от миниатюрной 3 В батарейки CR927 (9.5 × 2.7 мм). CR927 имеет номинальную емкость 30 мА·ч. Не сложно оценить время автономной работы клавиатуры при отсутствии нажатий: 30 мА·ч/ 1.3 мкА = 23076 часов = 2.6 лет. Конечно, в реальном приложении потребление окажется выше, но и батарейка в примере взята самая маленькая.

Таким образом, с помощью микросхем GreenPAK5 с встроенным автоматом состояний можно создавать клавиатуры, которые будут работать несколько лет даже от самых маленьких батареек.

Чтобы ознакомиться с другими особенностями микросхем GreenPAK, можно воспользоваться готовыми отладочными наборами. Плата GreenPAK5 Development Kit используется в качестве универсальной основы, на которую устанавливаются стартовые наборы SKT (Рис. 10). Например, для ознакомления с SLG46537V предлагается SLG46537V-SKT (Рис. 11).

Рис. 10.	Внешний вид GreenPAK 5 Development Kit.
Рис. 11.	Отладочный набор SLG46537V-SKT для SLG46537V.

В качестве заключения хотелось бы отметить, что контроллер клавиатуры – это не единственное приложение, в котором востребованы микросхемы GreenPAK. С развитием Интернета вещей (IoT) будет появляться все больше устройств, в которых GreenPAK могут помочь минимизировать уровень потребления.

Характеристики микросхемы SLG46537V:

• Тип: однократно программируемая микросхема смешанных сигналов;
• Память: 8 байт ОЗУ и однократно программируемое ПЗУ конфигурации;
• Аналоговые функции: четыре компаратора, два фильтра, два ИОН, датчик температуры;
• Цифровые функции: до 18 портов ввода/вывода, матрица соединений и комбинаторная логика, программируемая схема задержки, программируемый функциональный генератор, пять 8-битных счетчиков, два 16-битных счетчика;
• Автомат состояний: 8 состояний;
• Коммуникационный интерфейс: I²C;
• Встроенные генераторы: 25 кГц, 2 МГц, 25 МГц;
• Диапазон напряжений питания: 1/8…5 В;
• Диапазон рабочих температур: –40…85 °C;
• Корпусное исполнение: 2×3×0.55 мм 20-выводной STQFN.

Посмотреть более подробно технические характеристики микросхем GreenPAK от Silego Technologies