Избор на микроконтролер с изключително ниска мощност на Texas Instruments
Този случай на приложение описва как да сравнявате микроконтролери със свръхниска мощност. Ще бъдат обсъдени основните разлики между популярните микроконтролери с ултра ниска мощност, както и как да се интерпретират характеристиките и спецификациите и да се съпоставят със спецификациите на устройството.
За съвременните устройства със собствено захранване консумацията на управляващия микроконтролер става все по-важен параметър. Повечето доставчици предлагат набор от микроконтролери с ултра ниска мощност, но изборът на най-доброто решение за вашето устройство е по-сложно от просто разглеждане и сравняване на първата страница на листа с данни. За да изберете най-оптималното решение по отношение на потреблението, е необходимо да се сравнят много подробно характеристиките на микроконтролерите във всички режими на работа (включително режими на ниска мощност), да се вземат предвид методите за синхронизация, характеристиките на обработка на събития, вградените периферни устройства, наличието на функция за откриване и защита срещу краткотрайно прекъсване на захранването, количеството ток на утечка и ефективността на изчислителното ядро.
Средна консумация на ток
При устройства с ниска мощност средният консумиран ток определя живота на батерията. Например, ако едно устройство се захранва от 400 mAh захранване, тогава, за да работи без смяна или презареждане на захранването за една година, системата трябва да има средна консумация на ток по-малка от 400 mAh / 8760 h = 45,7 μA. Фигура 1 показва, че за да изпълни това условие, системата може да черпи повече ток през кратки интервали, а през останалото време трябваимат по-малка консумация.
Режими на ниска мощност
Наличието на режими на ниска мощност е най-важната характеристика, която позволява на микроконтролерите да отговарят на изискванията за средна стойност на консумирания ток. Микроконтролерите с ниска мощност имат режими на намаляване на захранването, в които въпреки това могат да изпълняват различни функции. Например микроконтролерите MSP430 имат пет режима на ниска мощност. В нулев режим на ниска мощност (LPM0) изчислителното ядро е деактивирано, но всички други функции остават активни. В режимите LPM1 и LPM2 различни функции за синхронизиране се добавят към списъка с деактивирани функции. LPM3 е най-често използваният режим на ниска мощност, при който само нискочестотният осцилатор остава активен и всички периферни устройства, които използват часовниковите сигнали на осцилатора за работа. LPM3 често се използва за периодична работа, когато нискочестотният осцилатор се използва като часовник за реално време поради факта, че той работи от 32768 Hz кристал и консумира по-малко от 1 µA. В режим LPM4 всички вътрешни часовници са изключени, което води до автоматично изключване на всички синхронни периферни устройства. В този режим аналоговите периферни устройства могат да останат активни, но ако са деактивирани, микроконтролерът (дори при опресняване на RAM) ще консумира само 100 nA.
В много отношения консумацията на микроконтролера зависи от системата за синхронизация. Устройствата могат да влизат и излизат от режим на ниска мощност от няколко пъти в секунда до няколкостотин пъти в секунда. Възможността за бързо влизане в такива режими иизлизането от тях, както и бързата обработка на данни след активиране, е критичен параметър, тъй като след "събуждане" микроконтролерът не работи известно време, чакайки установяването на стабилни тактови импулси и консумирайки доста голям ток. Повечето микроконтролери с ниска мощност съдържат така наречените "незабавни" осцилатори, които се стабилизират за по-малко от 10-20 ns. Но е важно да разберете кои генератори са "мигновени" и кои не. Някои микроконтролери имат два етапа на синхронизация при събуждане: първо, синхронизирането се осигурява от нискочестотен (обикновено 32768 Hz) главен осцилатор, докато високочестотният осцилатор не достига стабилен режим на трептене до няколко милисекунди или дори повече. В такива микроконтролери изчислителното ядро може да започне да работи след 15 µs, но при по-ниска или нестабилна честота. Ако изчислителното ядро трябва да изпълни няколко инструкции, да речем 25, тогава това ще отнеме приблизително 763 µs при честота от 32768 Hz. Изчислителното ядро консумира много по-малко при ниска честота, но производителността му също е значително по-ниска. От друга страна, изчислителното ядро може да работи на висока, но неправилна или нестабилна честота. В този случай времето за обработка е кратко, но приложението не може да извърши точно изчисление на времето. Ако се изисква прецизна синхронизация, изчислителното ядро трябва да изчака установяването на стабилни часовници. Семейството микроконтролери MSP430 има стационарно време на високочестотен осцилатор от по-малко от 6 µs (и често дори по-малко), което ви позволява да изпълните същите 25 команди само за 9 µs (6 µs събуждане + 25 команди * 125 µs). Фигура 2 показва времетопускови диаграми на "мигновен" 8 MHz осцилатор, който изисква само 292 ns, за да влезе в режим на стабилно генериране.
Освен това, ако системата за синхронизация на микроконтролера е в състояние да генерира няколко тактови сигнала, тогава периферните устройства могат да работят със спряно изчислително ядро. Например, ADC на микроконтролер изисква високочестотен часовник. Ако системата за синхронизация на микроконтролера е в състояние да генерира няколко синхронизационни последователности, тогава изчислителното ядро може да бъде спряно по време на работа на ADC, което ще намали консумацията на системата като цяло.
Системата за обработка на събития върви ръка за ръка със системата за време. Прекъсванията са в състояние да изведат микроконтролера от режим на ниска мощност, така че колкото повече прекъсвания има, толкова по-голяма гъвкавост има микроконтролерът, за да осигури намаляване на общата консумация на енергия. Проучването на състоянието на щифтовете и периферните устройства ще увеличи консумацията на енергия, тъй като ще изисква допълнително време за микроконтролера да бъде в активен режим. Един добър микроконтролер с ниска мощност трябва да има усъвършенствана система за прекъсване за обработка на външни събития. Семейството микроконтролери MSP430 има манипулатор на прекъсвания за 16 линии I / O портове с общо предназначение и от всички периферни устройства. Някои периферни устройства, като таймерите Timer_A и Timer_B и ADC12 ADC, имат множество прекъсвания за по-голяма гъвкавост.
Устройствата с контролни бутони или клавиатура за въвеждане на данни получават най-голяма полза от усъвършенствана система за прекъсване. Без развита система за прекъсванемикроконтролерите трябва периодично да проверяват клавиатурата или бутоните. Това не само отнема време, но води и до повишена консумация. Микроконтролерите с усъвършенствана система за прекъсване могат да бъдат неактивни през цялото време, докато не бъде натиснат бутон.
При избора на микроконтролер трябва да се има предвид и системата за управление на консумацията и мощността на периферните устройства. Някои микроконтролери с ниска мощност са базирани на 20 до 30 годишни архитектури, които не са проектирани за ниска мощност. Семейството микроконтролери MSP430 първоначално е проектирано да бъде с ниска мощност и следователно техните периферни устройства също са с ниска мощност. Това се доказва от възможността за тяхното индивидуално включване - изключване или, което е по-важно, автоматично включване - изключване на периферните модули. ADC12 ADC от семейството микроконтролери MSP430 е пример за такива интелигентни периферни устройства. Ако не извършва преобразувания, значи не консумира ток. При липса на преобразуване, той автоматично блокира своя вграден главен осцилатор и верига за цифрова обработка. Преди да започне конвертирането, модулът автоматично се включва или рестартира.
Освен това периферните устройства могат да се управляват чрез прекъсвания от други периферни устройства. Например, ADC12 ADC на фамилията микроконтролери MSP430 може да се задейства от Timer_A или Timer_B. Това позволява семплите на ADC да бъдат синхронизирани и изпълнени, без да се използва процесорната мощност на ядрото. ADC12 ADC може да активира изчислителното ядро след завършване на преобразуването.
Някои микроконтролери от семейството MSP430 имат функция за директен достъп до паметта (DMA), която ви позволява автоматичнообработва данни без намесата на изчислителното ядро. Използването на DMA контролер позволява не само да се увеличи скоростта на обработка на данни, но, което е по-важно, да се намали консумацията на енергия. Използването на DMA за автоматично записване на данни, например в RAM, позволява изчислителното ядро да бъде изключено, докато ADC работи и извършва преобразувания. Изчислителното ядро се активира след приключване на всички необходими трансформации.
Краткотрайна защита от прекъсване на захранването
Много микроконтролери имат вградена защита за моментно прекъсване на захранването, която рестартира микроконтролера, когато захранването падне под нормалните нива. За повечето микроконтролери тази защитна верига черпи между 10 и 70 µA. Някои микроконтролери имат способността да деактивират веригата за защита от моментно прекъсване на захранването, за да намалят консумацията на енергия, но за да работи тази схема ефективно, тя трябва да бъде включена през цялото време, тъй като моментните прекъсвания на захранването не могат да бъдат предвидени. Следователно консумацията на ток на такава защитна верига се добавя към минималния ток, консумиран от системата.
Веригата за защита от моментно прекъсване на захранването в семейството микроконтролери MSP430 не може да бъде деактивирана, докато не консумира допълнителен ток. Тази информация се съдържа във всички технически описания на тези микроконтролери.
Ток на утечка на олово
Понякога при избора на микроконтролер с ниска мощност не се взема предвид токът на изтичане на щифта, но за повечето приложения това е много важно. Повечето микроконтролери с ниска мощност имат ток на утечка на щифта до 1µA. По този начин общият ток на утечкамикроконтролер с 20 пина може да достигне 20 uA! Микроконтролерите от семейството MSP430 имат ток на утечка на щифта не повече от 50 nA, така че токът на утечка на 20-пинов микроконтролер от това семейство няма да надвишава 1 μA.
И накрая, ефективността на обработката на микроконтролерите често се разбира погрешно. Често се смята, че 16-битовите микроконтролери изискват два пъти повече памет от 8-битовите микроконтролери, но 16-битовите микроконтролери могат да изискват много по-малко програмна памет и в допълнение те обикновено изпълняват задачите по-бързо. Например в системи, където има 10-битов ADC или където се изисква 16-битова математика, процесорното ядро на 8-битовите микроконтролери е силно натоварено. Освен това много 8-битови микроконтролери имат само един работен регистър (акумулатор), с помощта на който се извършват всички изчисления. Таблица 1 показва инструкциите, които микроконтролерите от семейството MSP430 и конвенционален 8-битов микроконтролер трябва да изпълнят, за да преместят резултата от преобразуването на 10-битов ADC. Работейки на 1 MHz, фамилията микроконтролери MSP430 ще извърши това движение за 6 µs, а 8-битовият микроконтролер за 24 µs.
Таблица 1. Сравнение на ефективността на обработка на 16-битови и 8-битови микроконтролери