W dziedzinie mikrokontrolerów i systemów wbudowanych zużycie energii stało się głównym problemem dla programistów w różnych zastosowaniach. Ponieważ w dalszym ciągu integrujemy technologię z każdym aspektem naszego życia, niezależnie od tego, czy są to urządzenia inteligentne, aplikacje IoT, czujniki bezprzewodowe, innowacje motoryzacyjne, podłączone urządzenia gospodarstwa domowego i nie tylko, potrzeba zmniejszenia zużycia energii nigdy nie była bardziej krytyczna.
Znaczenie efektywności energetycznej
Dlaczego zużycie energii jest tak istotne w przypadku mikrokontrolerów i systemów wbudowanych? Cóż, duża część aplikacji wbudowanych to systemy analogowe zawierające czujniki, wzmacniacze lub inne moduły analogowe, które ze swojej natury są energochłonne, ponieważ sygnały analogowe muszą zostać przetworzone na postać cyfrową, aby nadawały się do praktycznego zastosowania . Zazwyczaj systemy te są zaprojektowane dla wygody konsumenta i zwykle są urządzeniami zasilanymi bateryjnie. W dobie technologii przenośnej i łączności bezprzewodowej baterie zasilające nasze urządzenia muszą wytrzymać dłużej - czasami dni, tygodnie, a nawet miesiące bez ładowania. W czasach, gdy wygoda i opłacalność mają kluczowe znaczenie, ciągła wymiana lub ładowanie akumulatorów nie jest już praktyczna. Samo to przypomina, jak ważne są energooszczędne projekty dla trwałości i ciągłego użytkowania takich systemów wbudowanych.
Techniki zmniejszania zużycia energii
Istnieje wiele technik zmniejszania zużycia energii, na przykład wykorzystanie trybów niskiego poboru mocy oferowanych przez urządzenie lub użycie urządzeń peryferyjnych niezależnych od rdzenia (CIP), czyli sprzętu wykonującego dedykowane zadania niezależnie od procesora. CIP, na którym skupi się ten wpis na blogu, to Analog Peripheral Manager (APM).
Co to jest analogowy menedżer urządzeń peryferyjnych?
APM to wszechstronna funkcja zaprojektowana, aby sprostać jednemu z wielu wyzwań stojących przed projektantami - wyzwaniem tym jest efektywne zarządzanie analogowymi urządzeniami peryferyjnymi przy jednoczesnym zmniejszeniu zużycia energii przez cały system. APM może automatycznie włączać i wyłączać analogowe urządzenia peryferyjne w urządzeniu, takie jak przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC), komparator (CMP), komparator cyfrowo-analogowy (DAC), wzmacniacz operacyjny (OPA) oraz ustalone napięcie referencyjne (FVR), eliminując potrzebę ciągłej interwencji procesora i umożliwiając działanie systemów przez dłuższy czas.
APM oferuje projektantom elastyczność w tworzeniu niestandardowych przedziałów czasowych, podczas których moduły analogowe aktywują się okresowo, aby wykonać określone funkcje przed wyłączeniem, umożliwiając urządzeniu powrót do stanu niskiego poboru mocy. APM wykorzystuje wewnętrzny 16-bitowy timer z 16-bitowym skalerem wstępnym do kontrolowania częstotliwości aktywacji analogowych urządzeń peryferyjnych bez konieczności interwencji procesora. Ten 16-bitowy timer może być taktowany przez różne źródła, w tym LFINTOSC (31 kHz), SOSC (32,768 kHz), ADCRC lub zewnętrzne źródło zegara podłączone do dedykowanego pinu wejściowego Peripheral Pin Select (PPS), umożliwiającego użytkownikom ustawienie okresów maksymalnie do 38 godzin.
Analogowe urządzenia peryferyjne zazwyczaj zużywają więcej energii niż cyfrowe procesory CIP, nawet gdy są bezczynne. APM szczególnie dobrze nadaje się do zastosowań o małej mocy, gdzie czujniki analogowe wymagają okresowych pomiarów, a nie ciągłego monitorowania.
APM grupuje swoje moduły w dwa różne czasy początkowe (S1/S2) i końcowe (E1/E2), każdy posiadający własne, dedykowane rejestry sterujące urządzeniami peryferyjnymi, odpowiednio (APMPERSx) i (APMPEREx). W ramach tych rejestrów użytkownicy mają możliwość dostosowania konfiguracji do potrzeb aplikacji. Poszczególne bity początkowe umożliwiają aktywację określonych analogowych urządzeń peryferyjnych, a bity końcowe wyłączają odpowiednie analogowe urządzenia peryferyjne, gdy tylko zostanie osiągnięta żądana funkcjonalność. Ten poziom konfigurowalności zapewnia użytkownikowi niezwykłą elastyczność, pozwalając mu określić, które moduły analogowe mają być aktywowane, a które dezaktywowane.
Urządzenia peryferyjne zarządzane przez rejestry APMPERSx i APMPEREx mogą się różnić w zależności od urządzenia, w zależności od dostępnych analogowych urządzeń peryferyjnych w każdej rodzinie.
Funkcjonalność z przetwornikiem analogowo-cyfrowym
APM oferuje unikalną funkcję w połączeniu z przetwornikiem ADC, umożliwiając użytkownikom okresowe włączanie modułu ADC w celu oszczędzania energii pomiędzy próbkami. Osiąga się to za pomocą bitu startu peryferyjnego przetwornika analogowo-cyfrowego (ADCA) i bitu startu wyzwalacza konwersji przetwornika analogowo-cyfrowego (ADCD). Bit ADCA przygotuje moduł do konwersji sygnału, podczas gdy bit ADCD wykona konwersję ADC i wszelkie ustawienia obliczeń.
Prosty przypadek użycia analogowego menedżera urządzeń peryferyjnych
Rysunek 2 przedstawia prosty przykład pokazujący, jak można wykorzystać APM podczas próbkowania sygnałów przy użyciu wzmacniacza operacyjnego (wzmacniacza operacyjnego), przetwornika ADC i FVR. Na najbardziej podstawowym poziomie wzmacniacz operacyjny będzie używany do przygotowania sygnału do konwersji ADC, która może obejmować buforowanie lub wzmacnianie sygnału analogowego. Dodatkowo FVR dostarcza stabilne napięcie odniesienia dla przetwornika ADC.
Rodzina mikrokontrolerów PIC18-Q71:
Rodzina mikrokontrolerów PIC18-Q71 łączy wysokowydajny rdzeń jednostki centralnej (CPU) PIC18 ze zintegrowanymi analogowymi urządzeniami peryferyjnymi niezależnymi od rdzenia (CIP) do zastosowań z sygnałami mieszanymi i analogowymi.
Główne cechy:
- Analogowy menedżer urządzeń peryferyjnych (APM)
- 12-bitowy różnicowy ADC z obliczeniami i kontekstem
- 10-bitowy przetwornik cyfrowo-analogowy (DAC)
- Dwa 8-bitowe przetworniki cyfrowo-analogowe
- Dwa zintegrowane wzmacniacze operacyjne (OPAMP) z wewnętrznymi drabinkami rezystorów
- Stałe napięcie odniesienia (FVR)
- Dwa komparatory analogowe (CMP)
- Wykrywanie przejścia przez zero (ZCD)
- Wskaźnik temperatury (TEMP)
Te analogowe urządzenia peryferyjne są dodatkiem do szerokiej gamy wbudowanych w układ cyfrowych urządzeń peryferyjnych, takich jak 16-bitowy modulator szerokości impulsu (PWM), uniwersalny zegar (UTMR) i cykliczna kontrola redundancji (CRC) ze skanerem pamięci.
Dzięki tym analogowym urządzeniom peryferyjnym projekty można zmniejszyć pod względem rozmiaru, liczby części i zużycia energii. Warto zauważyć, że jest to pierwsza rodzina mikrokontrolerów zawierająca Analog Peripheral Manager (APM) - specjalny timer, który może włączać i wyłączać analogowe urządzenia peryferyjne niezależnie od procesora. Może to zaoszczędzić znaczną ilość energii w projektach, w których nie jest wymagane ciągłe próbkowanie. Kolejnym wbudowanym urządzeniem peryferyjnym jest 12-bitowy różnicowy ADC z obliczeniami i kontekstem. To urządzenie peryferyjne różni się od zwykłego ADC tym, że zawiera funkcje obliczeniowe i przełączania kontekstu. Funkcje obliczeniowe pozwalają przetwornikowi ADC na wykonywanie wielu operacji próbkowania i prostych operacji matematycznych wewnętrznie, bez użycia procesora. Obliczenia są powszechnie używane do automatyzacji uśredniania lub zwiększania rozdzielczości przetwornika ADC poprzez nadpróbkowanie. Funkcja przełączania kontekstu w tym urządzeniu peryferyjnym umożliwia ADC automatyczną zmianę ustawień bez interwencji procesora. Wewnątrz ADC dostępne są cztery konteksty, z których każdy ma własny odrębny zestaw ustawień. Każdy kontekst można włączyć lub wyłączyć, aby zapewnić elastyczność projektowania.
Źródło i materiały graficzne: Microchip Technology Inc., Tłumaczenie: Gamma Sp. z o.o.
Gamma Sp. z o.o. jest autoryzowanym dystrybutorem firmy Microchip Technology Inc. w Polsce. Zapraszamy do zapoznania się z kartą katalogową mikrokontrolerów PIC18-Q71 oraz kontaktu z naszym działem handlowym.
Komentarze do artykułu