A legújabb mikrokontrollerek számos lehetőséget biztosítanak a telepélettartam és megbízhatóság növelésére a hordozható, ipari alkalmazású rendszerek fejlesztői számára. A hordozható, elektronikus ipari rendszerek minden fajtájában (vonalkódolvasók, adatrögzítők, nyomkövetők, zajszűrős fejhallgatók, motorvezérlők, teleptöltők stb.) közös, hogy a fejlett mikrokontroller-funkciókkal és körültekintő tervezéssel jelentősen növelhető a működési élettartamuk és teljesítőképességük

A telepélettartam növelése
A telepélettartam növelésének egyik kulcstechnikája nem más, mint a központi vezérlő szerepét betöltő mikrokontroller(ek) alacsony energiafelvételű működési módban tartása a működési élettartam lehető legnagyobb hányadában. Az 1. ábra azt mutatja, hogyan lehetséges a nagy működési sebességet és a rövid ébredési időket ügyesen kombinálni a fogyasztás csökkentése céljából. A végcél annyi, hogy a mikrovezérlő a lehető legrövidebb idő alatt végezzen a feladatával, így mielőbb visszatérhet valamely kis fogyasztású üzemmódjába.

A mikrokontroller kisfeszültségű működést támogató üzemmódja igen fontos a telepélettartam kiterjesztése szempontjából. A 2. ábra egy alkáli- és egy lítium-gombelem hasznos élettartamát mutatja egy tipikus adatrögzítő alkalmazásban, amely az ideje döntő többségét kis fogyasztású üzemmódban tölti, amelyből csak néha "kel fel" és végez adatfeldolgozást, információgyűjtést. A grafikonon jól látszik, hogy alacsonyabb üzemi feszültség alkalmazásával az ötéves előirányzott AAAA alkálielem-élettartam további hat hónappal hosszabbítható meg.

A megbízhatóság erősítése
A mikrokontrollerek beépített oszcillátora számos ponton kihat a beágyazott rendszer teljesítményére, költségeire, gyárthatóságára és megbízhatóságára. A legújabb mikrokontrollerek nemcsak nagyobb üzemi frekvencián dolgoznak, hanem teljes sebességgel tudnak működni külső órajelforrás nélkül is, és belül is képesek saját maguk különféle órajel-frekvenciák előállítására. Ez azt jelenti, hogy szoftveres vezérléssel lehetőség van például alacsonyabb frekvenciára átállni, amikor feszültségesés következik be, és a működési specifikációkon belül szeretnénk maradni, vagy akár frekvenciát is emelhetünk, ha külső tápforrás csatlakozik a rendszerhez.
Gyártási kihívást jelenthet a kristály­oszcillátor megbízható vezérlése is, hiszen a kristály megbízhatatlanságának oka lehet a változó alkatrészminőség, folyasztószer-maradvány vagy rossz layout-tervezés is.
E problémák közül sok megoldható, ha garantáltan jó minőségű alkatrészekkel dolgozunk, és a tervezéskor implementáljuk az odavágó layout- és tesztelési technikákat, pl. negatív ellenállás-tesztelést, amely a kristály- és mikrovezérlő-gyártóktól érhető el. Különösen a kisfrekvenciás rendszereknél bizonyulhat hasznosnak a konfigurálható kristály-előfeszítés, amely növelhető az indítási megbízhatóság erősítése, illetve csökkenthető a fogyasztáscsökkentés érdekében.
A megbízhatóság növelésének nagyon fontos eszköze a hibabiztos órajel-monitorozás, amely folyamatos felügyeletet biztosít. Ha a monitor megfigyelése szerint kimaradások kerülnek a rendszerórába, a belső oszcillátorra automatikusan átkapcsol, és megszakítást küld a CPU-nak. Ez lehetővé teszi, hogy a mikrovezérlő a kritikus fontosságú feladatokat e meghibásodás esetén is el tudja látni, és a rendszerkezelők irányított, tervezett lekapcsolást hajthassanak végre.
A megbízhatóságra kihathat az is, ha az EEPROM-ot szoftveres emuláció útján, flash-memóriával helyettesítik, annak ellenére, hogy bizonyos alkalmazásoknak szüksége lenne a független adattárra. A mikrokontrollerek új generációinak bizonyos darabjai integrált formában tartalmaznak nagy állóképességű EEPROM-ot, amelyek akár 100 ezer törlési/írási ciklust is kibírnak, és ezzel nem hoznak áldozatot a hordozhatóság oltárán. Odafigyelést igényel azonban az írási műveletekhez szükséges feszültségfeltételek betartása, amely magasabb lehet, mint a mikrokontroller minimális üzemi feszültsége, szűkítve ezzel az elfogadható üzemifeszültség-határokat a rendszerben.

A zaj kezelése
Jóllehet a kisfeszültségű mikrokontrollerek ma már alkalmasak arra, hogy nagy megbízhatóságú rendszerekben különféle szerepet töltsenek be, egy 5 V feszültségű tápegységgel talán a legegyszerűbb layoutot tervezni, valamint megfelelni a zajimmunitási és támogatási követelményeknek. Az elektronikus eszközöknél a csökkenő geometriai méretek miatt az 5 V tápfeszültségű mikrokontrollerek azonban kezdenek fokozatosan eltűnni a piacról, és annak érdekében, hogy az 5 V-os üzemeltetés iránti igényt ki tudják elégíteni, a chipgyártók új megoldásokat kezdtek kínálni a finomabb rajzolatú gyártástechnológiával gyártott alkatrészek felhasználóinak. A zajimmunitás növelésére a port- és periféria-csatlakozópontokon különféle bemeneti puffereket kezdtek alkalmazni. A Schmitt-triggeres bemenetek bemeneti küszöbértékei szélesebbek, mint a TTL-es megfelelőikéi, így növelik a rendszer zajjal szembeni ellenállóságát.
A nagy áramú portmeghajtás a tervezés során további fontos tényező lehet, és nemcsak a LED-ek meghajtásánál. A nagy áramú meghajtás meggátolja, hogy szándékolatlan csatolás alakuljon ki zajos áramkörök, például kapcsolóüzemű szabályozók, nagy sebességű PWM-jeles eszközök stb. közelében. A zajt szabályozó ofszetállításra egy kisméretű RC-szűrő segítségével van lehetőség, közvetlenül a portok csatlakozási pontjain.

A tárgyalt témakörökre jó példa a 3. ábrán látható áramlásmérő. A mikrokontroller integrált CTMU¹-ja olvassa ki a mérő áramlási, hőmérsékleti és kapacitív érzékelős érintőpad adatait. A telepfeszültséget a rendszer egy 12-bites, differenciális A/D-átalakítóval és feszültségreferenciával monitorozza, az ultraalacsony fogyasztású ébresztőmodul pedig periodikus ébresztéseket hajt végre. Az áramlásmérő jól demonstrálja, hogy az újgenerációs mikrovezérlőkkel lehetséges robusztus, kis teljesítményfelvételű, mégis nagy teljesítményű beágyazott rendszerek megtervezése.

1: Charge Time Measurement Unit: töltésidő-mérő egység

A Microchip honlapja