Rezumat: În acest curs descrie microcontroler moduri de redus de energie, precum și structura și organizarea unei astfel de hardware filială cum ar fi ceasuri, circuitul de control de tensiune, cronometre watchdog și module suplimentare microcontroler.
4.7. Minimizarea consumului de energie în sistemele bazate pe MK
Un nivel scăzut al consumului de energie este adesea factorul determinant în alegerea unei metode pentru implementarea unui sistem de control digital. MC-urile moderne oferă utilizatorului oportunități deosebite în ceea ce privește economisirea consumului de energie și au, de regulă, următoarele moduri de funcționare principale:
- modul activ (modul de funcționare) - modul principal de funcționare al MC. În acest mod, MC execută programul de lucru și toate resursele sale sunt disponibile. Consumul de energie are o valoare maximă de PRUN. Majoritatea MC-urilor moderne sunt realizate folosind tehnologia CMOS, astfel încât consumul de energie în modul activ depinde puternic de frecvența ceasului;
- modul de așteptare (modul așteptare, modul inactiv sau modul Halt). În acest mod, CPU-ul nu mai funcționează, dar modulele periferice care controlează starea obiectului de control continuă să funcționeze. Dacă este necesar, semnalele de la modulele periferice transferă MC în modul activ și programul de lucru generează acțiunile de control necesare. Transferul MK din modul de așteptare în modul de funcționare se realizează prin întreruperi de la surse externe sau module periferice sau atunci când MK este resetat. În modul de așteptare, consumul de energie al PWAIT MC este redus comparativ cu modul activ cu 5 ... 10 ori;
- Modul de oprire (modul Sleep, modul Sleep sau modul Power Down). În acest mod, procesorul central și cele mai multe module periferice nu mai funcționează. Trecerea MC de la starea stop la modul de funcționare este posibilă, de regulă, numai prin întreruperi din surse externe sau după ce se aplică semnalul de resetare. În modul oprire, consumul de energie al PSTOP MC scade în comparație cu modul activ cu aproximativ trei ordine de mărime și este de câteva microunde.
Ultimele două moduri sunt numite moduri de consum redus de energie. Minimizarea consumului de energie al sistemului pe MK se realizează prin optimizarea consumului de energie al MK în modul activ, precum și prin utilizarea modurilor de reducere a consumului de energie. Trebuie avut în vedere faptul că modurile de așteptare și oprire diferă semnificativ de la trecerea de la modul de alimentare redusă la modul activ. Ieșirea din modul de așteptare are loc de obicei în timpul perioadelor de 3 ... 5 de sincronizare a MC, în timp ce întârzierea de ieșire din modul oprire este de câteva mii de perioade de sincronizare. Pe lângă reducerea dinamicii sistemului, un timp considerabil pentru trecerea la modul activ este motivul cheltuielilor suplimentare de energie.
Consumul de energie al MK în modul activ este una dintre cele mai importante caracteristici ale regulatorului. Depinde în mare măsură de tensiunea de alimentare a MK și frecvența ceasului.
În funcție de gama de tensiuni de alimentare, toate MK pot fi împărțite în trei grupe principale:
- MK cu o tensiune de alimentare de 5,0 V ± 10%. Aceste MK sunt proiectate, de regulă, să funcționeze ca parte a dispozitivelor alimentate de o rețea industrială sau de uz casnic, au dezvoltat capacități funcționale și un nivel ridicat de consum de energie.
- MK cu o gamă extinsă de tensiuni de alimentare: de la 2,0 ... 3,0 V la 5,0-7,0 V. MK din acest grup poate funcționa în dispozitive cu putere și energie autonomă.
- MK cu o tensiune redusă de alimentare: de la 1,8 la 3 V. Aceste MK sunt proiectate să funcționeze în dispozitive cu putere autonomă și să asigure un consum redus de energie al bateriilor.
Dependența curentului de consum la tensiunea de alimentare a MK este aproape direct proporțională. Prin urmare, reducerea tensiunii de alimentare reduce foarte mult consumul de energie al MC. Cu toate acestea, trebuie avut în vedere faptul că pentru multe tipuri de MC cu o scădere a tensiunii de alimentare, frecvența maximă permisă a ceasului scade, adică creșterea câștigului de putere este însoțită de o scădere a performanței sistemului.
Majoritatea MC-urilor moderne sunt realizate folosind tehnologia CMOS, astfel încât consumul de energie în modul activ PRUN este aproape direct proporțional cu frecvența ceasului. Prin urmare, alegerea frecvenței generatorului de ceas. Nu încercați să maximizați viteza MK în sarcini care nu necesită acest lucru. Adesea, factorul decisiv este puterea de rezolvare a măsurătorilor de timp sau a cronometrelor bazate pe temporizatorul sau viteza de transmitere a datelor pe canalul serial.
Cele mai multe IC-uri moderne folosesc tehnologia CMOS statică, astfel încât acestea să poată funcționa la viteze ale ceasului, în mod arbitrar, de până la zero. În datele de referință se indică faptul că frecvența minimă a ceasului este dc (curent continuu). Aceasta înseamnă că puteți utiliza MC într-un mod pas cu pas, de exemplu pentru depanare. Consumul de putere al MK la frecvențe joase ale ceasului reflectă de obicei valoarea consumului de curent la fOSC = 32768 Hz (rezonator cristal în sens orar).
4.8. Generatoare de ceas MK
MC-urile moderne conțin generatoare de ceas încorporate. care necesită un număr minim de elemente externe de setare a timpului. În practică, există trei modalități principale de determinare a frecvenței ceasului unui generator: folosind un rezonator cuarț, un rezonator ceramic și un circuit RC extern.
O schemă tipică pentru conectarea unui rezonator cuarț sau ceramic este prezentată în Fig. 4.9a.
Fig. 4.9. Tactarea folosind rezonatoare cuarț sau ceramice (a) și utilizând circuitul RC (b).
Un rezonator cuarț sau ceramic Q este conectat la terminalele XTAL1 și XTAL2. care sunt de obicei intrarea și ieșirea unui amplificator inversor. Clasificările condensatorului C1 și C2 sunt determinate de producătorul MC pentru o anumită frecvență de rezonator. Uneori este necesar să se includă un rezistor de ordinul mai multor mega-om între terminalele XTAL1 și XTAL2 pentru funcționarea stabilă a generatorului.
Utilizarea unui rezonator cuarț face posibilă asigurarea unei precizii ridicate și a stabilității frecvenței ceasului (răspândirea frecvenței unui rezonator cuarț este de obicei mai mică de 0,01%). Acest nivel de precizie este necesar pentru a asigura mișcarea precisă a ceasului în timp real sau organizarea interfeței cu alte dispozitive. Principalele dezavantaje ale rezonatorului de cuarț sunt rezistența mecanică scăzută (fragilitate ridicată) și costul relativ ridicat.
Cu cerințe mai puțin stricte pentru stabilitatea frecvenței ceasului, este posibil să se utilizeze rezistențe mai mari la încărcarea șocurilor de rezonatoare ceramice. Multe rezonatoare ceramice au condensatori încorporați, ceea ce permite reducerea numărului de elemente externe conectate de la trei la unul. Rezonanțele ceramice au o frecvență de răspândire de câteva zeci de procente (de obicei aproximativ 0,5%).
Cea mai ieftină modalitate de a seta frecvența ceasului MC este utilizarea unui circuit RC extern, așa cum se arată în Fig. 4.9b. Circuitul RC extern nu asigură o precizie ridicată a setării frecvenței ceasului (răspândirea frecvențelor poate ajunge la zeci de procente). Acest lucru este inacceptabil pentru multe aplicații în care este necesară calcularea exactă a timpului. Cu toate acestea, există o mulțime de probleme practice, în care precizia de stabilire a frecvenței ceasului nu este de mare importanță.
Dependența frecvenței de ceas a MC la evaluarea circuitelor RC depinde de implementarea specifică a oscilatorului intern și este dată în manualul de aplicare al controlerului.
Practic toate MC-urile permit operarea de la o sursă de ceas extern. care este conectat la intrarea XTAL1 a amplificatorului intern. Folosind un generator de ceasuri externe, puteți seta orice frecvență ceasului MK (în intervalul de funcționare) și puteți asigura o funcționare sincronă a mai multor dispozitive.
Unele MC-uri moderne au generatoare integrate RC sau inel, care permit controlerului să funcționeze fără circuite de sincronizare externe. Funcționarea generatorului intern este de obicei rezolvată prin programarea bitului corespunzător al registrului de configurare MC.
Cele mai multe modele de frecvență MK a elementului de distribuție (rezonator sau RC-circuit) și frecvența de ceas FBUS conectat rigid raport diviziune divizor de frecvență integrat. Prin urmare, nu este posibilă o schimbare a frecvenței prin software. Cu toate acestea, un număr de MCU recente (de exemplu, firma Motorola HC08) sunt compuse pe principiul pe bază de frecvență sintetizator circuit de ceas cu o buclă de fază închisă (PLL - faza bucla de blocare). Acest circuit funcționează ca un factor de multiplicare de frecvență și permite să setați frecvența de ceas de joasă frecvență rezonator de cuarț, care reduce nivelul de radiații electromagnetice MC. Factorii de diviziune a circuitului PLL poate fi schimbat prin software-ul, reducând astfel frecvența de ceas (și, prin urmare, consumul de energie electrică) în intervalele de timp, atunci când nu este nevoie de înaltă performanță.
La unele MC ale familiei Atmel AVR, viteza ceasului controlerului, care este stabilită de circuitul intern RC, poate fi de asemenea modificată prin software.