- Prečo upravovať frekvenciu hodín v mikrokontroléroch?
- Aký je vplyv výberu viacerých frekvencií na výkon?
- Nízka alebo vysoká frekvencia, ktorý z nich zvoliť?
- Technika prepínania hodín a kmitočtov
- Výber prevádzkových režimov správy hodín
- Vykonávanie softvéru z energeticky nezávislej pamäte alebo RAM
- Pomocou interného oscilátora
- Záver
Vývojári majú vždy problém zabezpečiť vysokú úroveň funkčnosti a výkonu a súčasne maximalizovať výdrž batérie. Pokiaľ ide o elektronické výrobky, najdôležitejšou vlastnosťou je tiež spotreba batérie. Malo by byť čo najmenšie, aby sa predĺžila doba prevádzky zariadenia. Správa napájania je v prenosných aplikáciách a aplikáciách napájaných z batérie veľmi dôležitá. Rozdiely v spotrebe mikroampérov môžu viesť k mesiacom alebo rokom prevádzkovej životnosti, čo môže zvýšiť alebo znížiť popularitu a značku produktu na trhu. Nárast výrobkov si vyžaduje efektívnejšiu optimalizáciu používania batérie. V dnešnej dobe požadujú používatelia dlhšie zálohovanie batérie pri kompaktných rozmeroch výrobkov, takže sa výrobcovia zameriavajú na menšie veľkosti batérií a super dlhú výdrž, čo je otázna úloha. Ale,vývojári prišli s technológiou úspory energie po tom, čo prešli mnohými faktormi a kritickými parametrami ovplyvňujúcimi výdrž batérie.
Existuje mnoho parametrov, ktoré ovplyvňujú využitie batérie, ako napríklad použitý mikrokontrolér, prevádzkové napätie, spotreba prúdu, teplota okolia, stav prostredia, použité periférie, cykly nabíjania a dobíjania atď. S trendom inteligentných produktov prichádzajúcich na trh je veľmi dôležité najskôr sa zamerať na použitý MCU, aby sa optimalizovala výdrž batérie. MCU sa stáva dôležitou súčasťou, pokiaľ ide o úsporu energie v malých výrobkoch. Preto sa odporúča začať najskôr s MCU. Teraz MCU prichádza s rôznymi technikami šetrenia energie. Ak sa chcete dozvedieť viac o minimalizácii spotreby energie v mikrokontroléroch (MCU), prečítajte si predchádzajúci článok. Tento článok sa zameriava hlavne na jeden z dôležitých parametrov pre zníženie spotreby energie v mikrokontroléri, ktorým je zmena frekvencie hodínpri použití MCU pre aplikácie s nízkym výkonom je potrebné dávať pozor.
Prečo upravovať frekvenciu hodín v mikrokontroléroch?
Z mnohých vyššie spomenutých parametrov hrá výber frekvencie hodín veľmi dôležitú úlohu pri úspore energie. Štúdia ukazuje, že nesprávny výber pracovnej frekvencie mikrokontrolérov môže viesť k významnej percentuálnej (%) strate energie batérie. Aby sa zabránilo tejto strate, musia sa vývojári postarať o vhodný výber frekvencie pre chod mikrokontroléra. Teraz nie je potrebné, aby sa výber frekvencie mohol robiť najskôr pri nastavovaní mikrokontroléra, zatiaľ čo sa dá zvoliť aj medzi programovaním. Existuje veľa mikrokontrolérov, ktoré sú vybavené výberom bitov na výber požadovanej prevádzkovej frekvencie. Mikrokontrolér môže pracovať aj na viacerých frekvenciách, takže vývojári majú možnosť zvoliť vhodnú frekvenciu v závislosti od aplikácie.
Aký je vplyv výberu viacerých frekvencií na výkon?
Niet pochýb o tom, že výber rôznych frekvencií ovplyvní výkon mikrokontroléra. Pokiaľ ide o mikrokontrolér, je veľmi dobre známe, že frekvencia a výkon sú proporcionálne. To znamená, že čím vyššia bude frekvencia, tým menej času na spustenie kódu, a tým vyššia rýchlosť vykonania programu. Takže teraz je úplne jasné, že ak sa zmení frekvencia, zmení sa aj výkon. Nie je však nutné, aby vývojári museli držať jednu frekvenciu len kvôli vyššiemu výkonu mikrokontroléra.
Nízka alebo vysoká frekvencia, ktorý z nich zvoliť?
Nie je to vždy tak, keď musí mikrokontrolér poskytovať vysoký výkon, existuje niekoľko aplikácií, ktoré potrebujú mierny výkon mikrokontroléra, v týchto typoch aplikácií môžu vývojári znížiť pracovnú frekvenciu z GHz na MHz a dokonca na minimálnu frekvenciu potrebnú na spustiť mikrokontrolér. Aj keď je v niektorých prípadoch požadovaný optimálny výkon a rozhodujúci je aj čas vykonania, napríklad pri napájaní externých bleskov ADC bez vyrovnávacej pamäte FIFO alebo pri spracovaní videa a mnohých ďalších aplikáciách, môžu vývojári v týchto oblastiach využívať optimálnu frekvenciu mikrokontroléra. Aj pri použití v takomto prostredí môžu vývojári inteligentne kódovať a výberom správnej inštrukcie skrátiť dĺžku kódu.
Napríklad: Ak slučka „pre“ vyžaduje viac pokynov a dá sa použiť niekoľko riadkov pokynov, ktoré na vykonanie úlohy využívajú menej pamäte bez použitia slučky for , potom môžu vývojári postupovať s niekoľkými riadkami pokynov, aby sa vyhli použitiu slučky „for“. .
Výber vhodnej frekvencie pre mikrokontrolér závisí od požiadaviek úlohy. Vyššia frekvencia znamená vyššiu spotrebu energie, ale aj viac výpočtového výkonu. Takže v podstate je výber frekvencie kompromisom medzi spotrebou energie a požadovaným výpočtovým výkonom.
Hlavnou výhodou práce pri nízkych frekvenciách je okrem nízkeho RFI (vysokofrekvenčné rušenie) aj nízky napájací prúd.
Napájací prúd (I) = pokojový prúd (I q) + (K x frekvencia)
Prevažuje druhý termín. Energia RFI mikrokontroléra je taká malá, že sa dá veľmi ľahko filtrovať.
Ak teda aplikácia vyžaduje vysokú rýchlosť, nemusíte sa báť, že pôjdete rýchlo. Ak vám však robí starosti spotreba energie, bežte tak pomaly, ako to aplikácia umožňuje.
Technika prepínania hodín a kmitočtov
Jednotka PLL (Phases Lock Loop) vždy existuje vo vysoko výkonnom MCU bežiacom vysokou rýchlosťou. PLL posilňuje vstupnej frekvencie na vyššiu frekvenciu, napr, od 8 MHz do 32 MHz. Je na vývojárovi, aby si pre aplikáciu vybral vhodnú prevádzkovú frekvenciu. Niektoré aplikácie nemusia bežať vysokou rýchlosťou. V takom prípade musia vývojári na spustenie úlohy udržiavať čo najmenšiu frekvenciu hodín MCU. Avšak na platforme s pevnou frekvenciou, ako je nízkonákladový 8-bitový MCU, ktorý neobsahuje jednotku PLL, je potrebné vylepšiť kód inštrukcie, aby sa znížila energia spracovania. MCU, ktorý obsahuje jednotku PLL, tiež nemôže využívať výhody techniky prepínania frekvencií, ktorá umožňuje MCU pracovať s vysokou frekvenciou v období spracovania údajov a potom sa vrátiť k nízkofrekvenčnej prevádzke v období prenosu dát.
Obrázok vysvetľuje použitie jednotky PLL v technike frekvenčného prepínania.
Výber prevádzkových režimov správy hodín
Niektoré z vysokorýchlostných mikrokontrolérov podporujú rôzne režimy správy hodín, ako sú napríklad režim Stop, režimy správy napájania (PMM) a nečinný režim. Je možné prepínať medzi týmito režimami, čo umožňuje užívateľovi optimalizovať rýchlosť zariadenia pri spotrebe energie.
Voliteľný zdroj hodín
Krištáľový oscilátor je veľkým spotrebiteľom energie pre akýkoľvek mikrokontrolér, najmä počas prevádzky s nízkym výkonom. Kruhový oscilátor, ktorý sa používa na rýchle spustenie z režimu Stop, je možné použiť aj na zabezpečenie zdroja hodín s frekvenciou približne 3 až 4 MHz počas bežnej prevádzky. Aj keď je kryštálový oscilátor stále potrebný pri zapnutí, aj keď sa kryštál stabilizuje, je možné prevádzku zariadenia prepnúť na kruhový oscilátor, čím sa dosiahne energetická úspora až 25 mA.
Ovládanie hodinovej rýchlosti
Prevádzková frekvencia mikrokontroléra je jediným najväčším faktorom pri určovaní spotreby energie. Rodina mikrokontrolérov High-Speed Microcontroller podporuje rôzne režimy riadenia taktu, ktoré šetria energiu spomalením alebo zastavením interných hodín. Tieto režimy umožňujú vývojárovi systému maximalizovať úspory energie s minimálnym dopadom na výkon.
Vykonávanie softvéru z energeticky nezávislej pamäte alebo RAM
Vývojári musia pri odhadovaní aktuálnej spotreby starostlivo zvážiť, či sa softvér spúšťa z energeticky nezávislých pamätí alebo pamäte RAM. Spúšťanie z RAM môže ponúkať nižšie špecifikácie aktívneho prúdu; mnoho aplikácií však nie je dosť malých na to, aby sa mohli spúšťať iba z RAM, a vyžadujú, aby sa programy spúšťali z energeticky nezávislej pamäte.
Hodiny zbernice sú povolené alebo zakázané
Väčšina aplikácií mikrokontrolérov vyžaduje počas vykonávania softvéru prístup k pamätiam a perifériám. To si vyžaduje povolenie hodín zbernice a je potrebné ich zohľadniť pri aktívnych odhadoch prúdu.
Pomocou interného oscilátora
Používanie interných oscilátorov a vyhýbanie sa externým oscilátorom môže ušetriť značnú energiu. Externé oscilátory odoberajú viac prúdu, čo vedie k väčšej spotrebe energie. Tiež nie je ťažké viazať, že by sa malo používať interné oscilátor, pretože externé oscilátory sa odporúčajú používať, keď aplikácie vyžadujú vyššiu frekvenciu hodín.
Záver
Výroba produktu s nízkou spotrebou energie začína výberom MCU a je výrazne ťažké, ak sú na trhu dostupné rôzne možnosti. Úprava frekvencie môže mať veľký vplyv na spotrebu energie a tiež môže poskytnúť dobrý výsledok spotreby energie. Ďalšou výhodou úpravy frekvencie je, že neexistujú žiadne ďalšie náklady na hardvér a je možné ju ľahko implementovať do softvéru. Túto techniku je možné použiť na zlepšenie energetickej účinnosti nízkonákladového MCU. Okrem toho veľkosť úspory energie závisí od rozdielu medzi pracovnými frekvenciami, časom spracovania údajov a architektúrou MCU. Úsporu energie je možné dosiahnuť až 66,9% pri použití techniky frekvenčného prepínania v porovnaní s bežnou prevádzkou.
Pre vývojárov je na konci dňa značná výzva splniť potreby zvýšenej funkčnosti a výkonových cieľov systému a zároveň zvýšiť výdrž batérie produktov. Efektívny vývoj produktov, ktoré poskytujú čo najdlhšiu životnosť batérie - alebo dokonca fungujú bez batérie - si vyžaduje dôkladné pochopenie systémových požiadaviek i súčasných špecifikácií mikrokontroléra. To je oveľa zložitejšie, ako len odhadnúť, koľko prúdu spotrebuje MCU, keď je aktívny. V závislosti na vyvíjanej aplikácii môže mať zmena frekvencie, pohotovostný prúd, periférny prúd na životnosť batérie výraznejší vplyv ako napájanie MCU.
Tento článok bol vyvinutý, aby pomohol vývojárom pochopiť, ako MCU spotrebúvajú energiu z hľadiska frekvencie a je možné ich optimalizovať úpravou frekvencie.