- Proč upravit taktovací frekvenci v mikrokontrolérech?
- Jaký je účinek výběru více frekvencí na výkon?
- Nízkou nebo vysokou frekvenci, kterou zvolit?
- Technika přepínání hodinových kmitočtů
- Výběr provozních režimů správy hodin
- Spouštění softwaru z energeticky nezávislé paměti nebo RAM
- Pomocí interního oscilátoru
- Závěr
Vývojáři mají vždy problém zajistit vysokou úroveň funkčnosti a výkonu a současně maximalizovat životnost baterie. Pokud jde o elektronické výrobky, nejdůležitější vlastností je spotřeba baterie. Mělo by být co nejmenší, aby se prodloužila doba provozu zařízení. U přenosných a bateriových aplikací je správa napájení velmi důležitá. Rozdíly ve spotřebě mikroampér mohou vést k měsícům nebo rokům provozní životnosti, což může zvýšit nebo snížit popularitu a značku produktu na trhu. Nárůst produktů vyžaduje efektivnější optimalizaci využití baterie. V dnešní době uživatelé požadují delší zálohování baterie s kompaktní velikostí produktů, takže výrobci se zaměřují na menší velikost baterie se super dlouhou výdrží baterie, což je sporný úkol. Ale,vývojáři přišli s technologií pro úsporu energie poté, co prošli mnoha faktory a kritickými parametry ovlivňujícími životnost baterie.
Existuje mnoho parametrů, které ovlivňují využití baterie, jako je použitý mikrokontrolér, provozní napětí, spotřeba proudu, okolní teplota, stav prostředí, použité periferie, cykly nabíjení a dobíjení atd. S trendem chytrých produktů přicházejících na trh je velmi důležité nejprve se zaměřit na použitý MCU, optimalizovat životnost baterie. MCU se stává důležitou součástí, pokud jde o úsporu energie v malých výrobcích. Doporučuje se tedy nejprve začít s MCU. Nyní MCU přichází s různými technikami úspory energie. Další informace o minimalizaci spotřeby energie v mikrokontrolérech (MCU) najdete v předchozím článku. Tento článek se zaměřuje hlavně na jeden z důležitých parametrů pro snížení spotřeby energie v mikrokontroléru, kterým je úprava frekvence hodincož je třeba věnovat pozornost při použití MCU pro aplikace s nízkou spotřebou.
Proč upravit taktovací frekvenci v mikrokontrolérech?
Z mnoha výše zmíněných parametrů hraje volba frekvence hodin velmi důležitou roli při úspoře energie. Studie ukazuje, že nesprávný výběr pracovní frekvence mikrokontrolérů může vést ke značné procentuální (%) ztrátě energie baterie. Aby se zabránilo této ztrátě, musí se vývojáři postarat o výběr vhodného kmitočtu pro spuštění mikrokontroléru. Nyní není nutné, aby výběr frekvence mohl být proveden zpočátku při nastavování mikrokontroléru, zatímco může být také zvolen mezi programováním. Existuje mnoho mikrokontrolérů, které přicházejí s výběrem bitů pro výběr požadované pracovní frekvence. Také mikrokontrolér může běžet na více frekvencích, takže vývojáři mají možnost zvolit vhodnou frekvenci v závislosti na aplikaci.
Jaký je účinek výběru více frekvencí na výkon?
Není pochyb o tom, že výběr různých frekvencí ovlivní výkon mikrokontroléru. Stejně jako u mikrokontroléru je velmi dobře známo, že frekvence a výkon jsou úměrné. To znamená, že čím vyšší frekvence bude mít kratší dobu provádění kódu, a tím i vyšší rychlost provádění programu. Takže nyní je zcela jasné, že pokud se změní frekvence, změní se také výkon. Není ale nutné, aby se vývojáři museli držet jedné frekvence jen kvůli vyššímu výkonu mikrokontroléru.
Nízkou nebo vysokou frekvenci, kterou zvolit?
Není to vždy tak, když musí mikrokontrolér poskytovat vysoký výkon, existuje několik aplikací, které vyžadují mírný výkon mikrokontroléru, u těchto typů aplikací mohou vývojáři snížit pracovní frekvenci z GHz na MHz a dokonce na minimální frekvenci požadovanou spustit mikrokontrolér. I když je v některých případech vyžadován optimální výkon a rozhodující je také čas provedení, například při řízení externích bleskových ADC bez vyrovnávací paměti FIFO nebo při zpracování videa a mnoha dalších aplikacích, mohou vývojáři v těchto oblastech použít optimální frekvenci mikrokontroléru. I při použití v tomto druhu prostředí mohou vývojáři chytře kódovat a tím snížit délku kódu výběrem správné instrukce.
Například: Pokud smyčka „pro“ bere více instrukcí a lze použít několik řádků instrukcí, které využívají méně paměti k provedení úkolu bez použití smyčky for , pak mohou vývojáři použít několik řádků pokynů, aby se vyhnuli použití smyčky „for“ .
Výběr vhodné frekvence pro mikrokontrolér závisí na požadavcích úlohy. Vyšší frekvence znamená vyšší spotřebu energie, ale také více výpočetního výkonu. V zásadě tedy volba frekvence představuje kompromis mezi spotřebou energie a požadovaným výpočtovým výkonem.
Hlavní výhodou práce při nízké frekvenci je kromě nízké RFI (vysokofrekvenční interference) také nízký napájecí proud.
Napájecí proud (I) = klidový proud (I q) + (K x frekvence)
Druhý termín je převládající. Energie RFI mikrokontroléru je tak malá, že je velmi snadné ji filtrovat.
Pokud tedy aplikace potřebuje vysokou rychlost, nemusíte se bát rychlého běhu. Pokud vám ale záleží na spotřebě energie, běžte tak pomalu, jak to aplikace umožňuje.
Technika přepínání hodinových kmitočtů
Jednotka PLL (Phases Lock Loop) vždy existuje ve vysoce výkonném MCU běžícím vysokou rychlostí. PLL posiluje vstupní frekvence na vyšší frekvenci, např, od 8 MHz do 32 MHz. Je na vývojáři, aby pro aplikaci vybral vhodnou provozní frekvenci. Některé aplikace nemusí běžet vysokou rychlostí, v takovém případě vývojáři potřebují udržovat taktovací frekvenci MCU na co nejnižší možné hodnotě, aby mohli úlohu spustit. Na platformě s pevnou frekvencí, jako je nízkonákladový 8bitový MCU, který neobsahuje jednotku PLL, je však třeba vylepšit kód instrukce, aby se snížila energie zpracování. Také MCU, který obsahuje jednotku PLL, nemůže využívat výhod techniky přepínání frekvence, která umožňuje MCU pracovat v době zpracování dat na vysoké frekvenci a poté se vrátit na nízkofrekvenční provoz v období přenosu dat.
Obrázek vysvětluje použití jednotky PLL v Technice přepínání frekvence.
Výběr provozních režimů správy hodin
Některé z vysokorychlostních mikrokontrolérů podporují různé režimy správy hodin, jako je režim Stop, režimy správy napájení (PMM) a nečinný režim. Je možné přepínat mezi těmito režimy, což umožňuje uživateli optimalizovat rychlost zařízení při spotřebě energie.
Volitelný zdroj hodin
Krystalový oscilátor je velkým spotřebitelem energie v jakémkoli mikrokontroléru, zejména při provozu s nízkou spotřebou. Kruhový oscilátor, který se používá pro rychlé spuštění z režimu Stop, lze také použít k zajištění zdroje hodin přibližně 3 až 4 MHz během normálního provozu. I když je při zapnutí stále zapotřebí krystalový oscilátor, jakmile se krystal stabilizuje, lze provoz zařízení přepnout na kruhový oscilátor, čímž se dosáhne úspory energie až 25 mA.
Řízení rychlosti hodin
Pracovní frekvence mikrokontroléru je jediným největším faktorem při určování spotřeby energie. Rodina mikrokontrolérů High-Speed Microcontroller podporuje různé režimy správy rychlosti hodin, které šetří energii zpomalením nebo zastavením interních hodin. Tyto režimy umožňují vývojáři systému maximalizovat úspory energie s minimálním dopadem na výkon.
Spouštění softwaru z energeticky nezávislé paměti nebo RAM
Vývojáři musí při odhadu aktuální spotřeby pečlivě zvážit, zda je software spuštěn z energeticky nezávislé paměti nebo paměti RAM. Spouštění z RAM může nabídnout nižší specifikace aktivního proudu; mnoho aplikací však není dost malých na to, aby se spouštěly pouze z RAM, a vyžadují, aby byly programy spouštěny z energeticky nezávislé paměti.
Hodiny sběrnice povoleny nebo zakázány
Většina aplikací mikrokontrolérů vyžaduje během provádění softwaru přístup k paměti a periferním zařízením. To vyžaduje, aby byly povoleny hodiny sběrnice, a je třeba je zohlednit v aktivních odhadech proudu.
Pomocí interního oscilátoru
Používání interních oscilátorů a vyhýbání se externím oscilátorům může ušetřit významnou energii. Protože externí oscilátory odebírají více proudu, což vede k vyšší spotřebě energie. Také není těžké se domnívat, že by se měl používat interní oscilátor, protože externí oscilátory se doporučují použít, když aplikace vyžadují vyšší frekvenci hodin.
Závěr
Výroba nízkoenergetického produktu začíná výběrem MCU a je značně obtížné, když jsou na trhu k dispozici různé možnosti. Úprava frekvence může mít velký dopad na spotřebu energie a také poskytnout dobrý výsledek spotřeby energie. Další výhodou úpravy frekvence je, že zde nejsou žádné další náklady na hardware a lze ji snadno implementovat do softwaru. Tuto techniku lze použít ke zlepšení energetické účinnosti nízkonákladového MCU. Velikost úspory energie navíc závisí na rozdílu mezi provozními frekvencemi, dobou zpracování dat a architekturou MCU. Úspory energie až 66,9% lze dosáhnout při použití techniky přepínání frekvence ve srovnání s běžným provozem.
Na konci dne je pro vývojáře významnou výzvou splnění požadavků na vyšší funkčnost systému a výkonnostní cíle a zároveň prodloužení životnosti baterie produktů. Efektivní vývoj produktů, které poskytují co nejdelší životnost baterie - nebo dokonce fungují bez baterie - vyžaduje hluboké pochopení jak systémových požadavků, tak aktuálních specifikací mikrokontroléru. To je mnohem složitější než jednoduše odhadnout, kolik proudu MCU spotřebuje, když je aktivní. V závislosti na vyvíjené aplikaci může mít změna frekvence, pohotovostní proud, periferní proud významnější dopad na životnost baterie než napájení MCU.
Tento článek byl vytvořen, aby pomohl vývojářům pochopit, jak MCU spotřebovávají energii z hlediska frekvence a lze ji optimalizovat úpravou frekvence.