A felhasználási modellek alapvetően három kategóriába sorolhatók:
- legkisebb energiafelvételű üzemmód: lásd pl. elemmel működtetett termosztátok. A legkisebb áramfelvételű mód azt az elégséges szintet adja meg, amellyel az LCD még meghajtható. A fogyasztáscsökkentés célja az eszköz telepélettartamának növelése,
- áramfelvétel aktív módban: lásd pl. elektromosáram-fogyasztás mérők. Az energiahatékonyság itt a rendszer aktív működése közbeni fogyasztás csökkentését jelenti,
- időspecifikus alkalmazások: lásd olyan rendszerek, amelyeknél a dátum- és időinformációk fontosak, és a rendszer elsődleges tápellátó forrásától függetlenül rendelkezésre kell állniuk (pl. áramkiesés esetén fogyasztásmérőknél).
Ahogy a követelmények egyre szerteágazóbbá válnak, úgy nyílik meg a fejlesztők részéről az igény az egyre rugalmasabb felhasználási modelleket és energiahatékonysági sémákat kínáló mikrokontrollerekre. A múltban ezek rendelkeztek a konkrét működés esetére egy aktív móddal, a csak perifériákat életben tartó tétlen ill. „szundizó" módokkal, valamint a legkisebb fogyasztást kínáló, limitált perifériafunkcionalitást kínáló alvó móddal. Az energiahatékonyság szempontjából is továbbfejlesztett mikrokontrollerek rugalmasabbak a támogatott működési profilok szempontjából is — ezek egy részét az egyre fejlettebb gyártástechnológia, másik részét az átdolgozott architektúra adja. Cikkünkben azt vizsgáljuk meg, hogyan lehet a mikrokontrollerek legújabb generációiban fellelhető fogyasztási módokat a leghatékonyabban a különböző alkalmazások szolgálatába állítani.
A cikkben felsorakoztatott példákat a Battery Life Estimator (BLE) szoftvereszköz és 16 bites mikrokontrollerek segítségével mutatjuk be különféle energiagazdálkodási modelleken keresztül. A Microchip-féle BLE ingyenesen elérhető szoftvereszköz, amely lehetővé teszi, hogy a fejlesztő felbecsülje mikrorendszere fogyasztását, és meghatározza, hogy mely alkalmazás melyik esetében mi a leghatékonyabb modell. A szintén a Microchip berkeiből kikerülő PIC24FJ128GA310 mikrovezérlő-család számos új energiagazdálkodási sémát támogat, amelyet szintén prezentálunk, és egyaránt hasznosak lehetnek az energiahatékony mikrorendszerek tervezésénél.
Általánosságban véve elmondhatjuk, hogy a versenyképes árú, és egyúttal nagyméretű flash-memóriával rendelkező mikrokontrollerek gyártása leginkább a fejlettebb gyártástechnológiákkal lehetséges. Az egyre kisebb csíkszélességű félvezető-gyártástechnológiáknál az a megfigyelés, hogy a működési áramok csökkennek, és egyúttal a szivárgási tranzisztoráramok nőnek. Ez utóbbi növekedése akkor a legszembetűnőbb, ha megnézzük az alkatrész kis fogyasztású üzemmódjaira vonatkozó áramfelvételi specifikációkat. Az alvó állapotbeli áram egy fejlettebb mikrokontrollernél tipikusan a 3 ... 5 µA tartományba esik, egy átlagos termosztát pedig az ideje nagy részében nem csinál egyebet, mint meghajt egy szegmentált LCD-t. Ez a meghajtás jellemzően a vezérlést szolgáltató mikrokontroller alvó üzemállapotában történik, amikor is az LCD-vezérlő periféria a CPU-val és a többi perifériával ellentétben egyedüliként aktív. A termosztátok felépítése az utóbbi időben egyre összetettebb lett, amely többek között abból adódik, hogy egyre több régiót kell kezelniük és mind több információt kell megjeleníteniük ezekhez kapcsolódóan. Mindezek eredménye, hogy sokszor jelentős mennyiségű adatot (különböző nyelvek, komplex menüstruktúrák stb.) kell a mikrokontroller integrált flash-memóriájában tárolni. A termosztát periodikusan lép át az aktív üzemállapotba, amikor kiolvassa a hőmérsékleti adatokat, frissíti a kijelzőt, jelzést ad a hűtő/fűtő rendszernek stb. Mivel a termosztát az élettartama 99%-ában alvó üzemállapotban van, az ehhez kapcsolódó áramfelvétellel lehet sokat „fogni" a rendszer telepélettartamán.
Annak érdekében, hogy a mikrokontroller használható legyen a µA alatti tartományokban, sok gyártó ún. mélyalvó üzemállapotokat is bevezetett. Ezeknél a jellemző áramfelvétel a 10 ... 50 nA tartományba esik, amelynél egy valósidejű óra futtatása további 400 nA áramfelvételt jelent. Az extrém alacsony áramfelvétel megvalósításának egyik módja, hogy az egész eszközt némi memóriaterület, a valósidejű óra és esetleg watchdog időzítő kivételével lekapcsoljuk. Ezek a mélyalvó módok azonban nem teszik lehetővé perifériák és a RAM működtetését az eszközön — a RAM tartalmának elvesztése a mélyalvó állapotból ébredéskor értelemszerűen egy indítórutin végrehajtását követeli meg a programvégrehajtás folytatása érdekében.
A mélyalvó mód alternatívái lehetnek az új fejlesztésű, pl. kisfeszültségű alvó módok, amelyeknél a RAM-tartalom kb. 330 nA alapáramnál megtartható, egyúttal lehetőséget adva kis teljesítményű perifériák ébrentartására. A kisfeszültségű alvó mód a mikrokontroller integrált szabályozójának kimeneti feszültségét csökkenti, míg a RAM tartalmát megtartja. A logikai részt tápláló tápfeszültség csökkentése és az aktív perifériák korlátozása lehetővé teszi, hogy egy nagyságrenddel, kb. 3,7 µA-ról 330 nA-re csökkentsük az alvó állapotbeli áramot. A különböző perifériák, mint pl. LCD-meghajtók, időzítők, valósidejű óra stb. minimális többletárammal működtethetők. A kisfeszültségű alvó mód kevesebb, mint feleannyi idő alatt biztosít lehetőséget az aktív állapotba visszatérésre, mint a mélyalvó mód. Visszatéréskor a kontroller a következő utasításnál folytathatja a végrehajtást ahelyett, hogy elölről kellene kezdenie, mint a mélyalvó módnál.
Az 1. ábrán látható Battery Life Estimator szoftver mutatja a mikrokontroller adatait és üzemi feszültségét, a telepadatokat és működési módokat. A vázolt termosztátmodell esetében a becsült telepélettartam 11 év és 88 nap.
A BLE a mikrokontroller egyes üzemállapotokban töltött ideje alapján modellez, megbecsülve, hogy e módokban mennyi teljesítményt vesz fel a rendszer. Az 1. ábra valójában a BLE futásának kimeneti képernyője, amely tartalmazza a fontos rendszerparamétereket, és kimeneti adatként a becsült telepélettartamot és az átlagos áramfelvételt adja meg. Elsőként a mikrovezérlő és a rendszer üzemi feszültsége kerül kiválasztásra, amely lehetővé teszi, hogy a szoftver a megfelelő specifikációs paramétereket töltsesse be. Ezt követően kell kiválasztani a telep(ek)et, amely esetünkben 2 db AAA alkálielem. Megadható a rendszer elvárt üzemi feszültsége és a feltételezett hőmérséklet is, így még pontosabbá tehető a becslés. Végezetül definiálásra kerülnek a rendszer által használt működési üzemmódok, amely a termosztátos modellünk esetében kettőt takar.
1. ábra. A Microchip BLE kezelőfelületeArra az időre, amikor a termosztát csak adatot jelenít meg az LCD-n, létrehoztunk egy „Display LCD" nevű üzemelési modellt. Ez a működési mód a kisfeszültségű alvó módra támaszkodik, mely esetünkben a legalacsonyabb áramú olyan üzemmódot takarja, amelyben az LCD még működtethető. A BLE beállításai szerint a 30 másodperces ciklusból 29,5 másodpercet tölt kisfeszültségű alvó állapotban a rendszer, tehát az élettartama is ez alapján került felbecsülésre. A második „Update Temp and LCD operational mode" modellben képes az eszköz a hőmérséklet mérésére, az LCD tartalmának frissítésére, valamint a hűtő/fűtő rendszer egyes elemeinek vezérlésére.
Az új kisfeszültségű alvó módot és egy működési mód implementálását mutatja a 2. ábra („Add/Modify mode"). Ebben az ablakban a tervező beállíthatja az egyes időtartamokat, amely jelen esetben 29,5 másodperc. Az „Additional System Current" beviteli mezőben arra az áramfelvételre adhatunk becslést, amely a mikrokontroller környezetében lép fel. Ebben az esetben ez 4 µA az LCD fogyasztása, és az LCD előfeszítő ellenállásainak fogyasztása miatt további 1 µA. A következőkben az energiagazdálkodási séma kerül kiválasztásra, amely esetünkben a kisfeszültségű alvó mód, illetve beállítjuk a szükséges perifériákat is. A rendszer áramfelvételére pontos modell adható azzal, ha az LCD-meghajtót, BOR (Brown-Out Reset) regisztert, a watchdog időzítőt és a valósidejű órát választjuk ki. Ezzel a mikrokontroller saját maga által felvett áram 1,88 µA lesz, amely az 5 µA rendszer-áramfelvétellel együtt összesen 6,88 µA össz-áramfelvételt jelent ebben a kisfeszültségű alvó üzemmódban.
2. ábra. A BLE szoftver konfigurációs felületeAmint a 2. ábrán látható, a BLE lehetőséget biztosít az egyes üzemállapotok feltételeinek specifikálására és önkényes elnevezésére is. A BLE főképernyőjén az látszik, hogy az átlagos 6,88 µA áramot az eszköz a kisfeszültségű alvó állapotban veszi fel, a csupán alig több, mint 327 µA-t pedig a rövid ideig fenntartott aktív állapotban igényli — ez összesítve 6,9 µA átlagos áramfelvételt jelent. A rendszer becsült telepélettartama közel 12 év, amely közel 5 évvel több, mint a szárazelemek polcélettartama. A 3. ábra egy hasonló elemzést mutat az alvó mód használatával, amely végeredményben 10,5 µA átlagos áramfelvételt és kb. 3 évvel rövidebb telepélettartamot jelent.
3. ábra. A BLE becslése a standard alvó állapot használatakorEgy szintén mikrokontroller-alapú, de homlokegyenest más felhasználási természetű alkalmazás például az elektromosenergia-fogyasztásmérő, amely ideje legnagyobb részét aktív üzemállapotban tölti. Ezek a mai fogyasztásmérők két üzemállapot valamelyikében tartózkodnak. A normálműködésre akkor kerül sor, amikor elérhető az elektromos hálózat. Ekkor a mikrokontroller aktív, és folyamatosan méri a feszültséget és áramot, és számítja ki a mérőn átfolyó teljesítményt. Ezzel párhuzamosan a mérőóra figyelheti a vandálkodást, végezhet adatmegjelenítést LCD-n, folytathat kommunikációt óraleolvasó infrastrukturális elemekkel stb.
Míg a mérő fut, úgy tűnhet, hogy kimeríthetetlen az energiaforrásunk, de jól tudjuk, hogy ez nem így van, hiszen a közműszolgáltató terméke, az elektromos energia az, ami rendelkezésre áll. A közműszolgáltatók milliós ügyfélkörrel rendelkeznek, és kismértékű pazarlás is jelentősen ronthatja az üzleti eredményeiket. (Az IEC ajánlása szerint a legtöbb mérőnek 10 VA teljesítménykeret alatt kell üzemelnie.) Ha figyelembe vesszük a vonali feszültségek ingadozását, a rendszerelemek tűrését és a rendszerfejlesztési határértékeket, azt az eredményt kapjuk, hogy kapacitív tápegység esetén a mikrokontroller áramkerete nagyjából 10 mA.
Napjaink belépőszintű elektromosáram-mérőiben 8 bites mikrokontroller található, amelyek teljes sebességű, aktív üzemállapotban 10 mA felett fogyasztanak. Annak érdekében, hogy a rendelkezésre álló teljesítménykereten belül maradjunk, gyakran szükséges a mikrokontrollert kisebb órajel-frekvencián hajtani. Az új, 16 bites mikrokontrollerek fejlett gyártástechnológiával és leleményes tervezési módszerekkel készülnek, ezeknek köszönhetően jellemző működési áramerősségük akár 150 µA/MHz is lehet, a teljes, 16 MIPS számítási kapacitást pedig akár 6,9 mA maximális áramfelvétel mellett is teljesítik. A keletkezett többletkapacitásnak hála, a tervező dönthet úgy is, hogy a fennmaradó kerettel összhangban további funkciókkal egészíti ki rendszere szolgáltatásait.
Az elektromosáram-mérők idejük döntő többségét aktív üzemállapotban töltik, egyúttal jó hasznát vehetik az egyik legkisebb fogyasztást kínáló üzemmódnak, a Vbat-nak is. A Vbat üzemmódhoz tartozik egy dedikált kivezetés, amely egy backup tápegységhez (pl. szuperkondenzátorhoz vagy LTC elemhez) csatlakozik. Ha a rendszer elsődleges tápellátása kimarad (mint esetünkben áramszünet esetén), a valósidejű óra tápellátása automatikusan átkerül a Vbat hatáskörébe. Áramszünet esetén a valósidejű óra szerepe nagyon fontos, mivel a közműszolgáltatók körében egyre népszerűbb a felhasználási időn alapuló fizetési modell. A Vbat-on keresztül történő működés alatt a valósidejű óra kb. tíz évig működőképes egy LTC elemről, így reális feltételek esetén gyakorlatilag a végtelenségig üzemeltethető. A valósidejű órás Vbat-funkcionalitás nem korlátozandó az elektromosáram-mérőkre, hiszen sok másik alkalmazás, mint a korábban bemutatott termosztát is, ugyanúgy hasznát veheti az életben tartott valósidejű órának elemcsere vagy áramszünet esetén.
A különböző energiagazdálkodási sémákat ismerő mikrokontrollerek fejlődése mögött az erőforrásokkal tudatosabban gazdálkodó világ áll, amely végeredményben rugalmas, nagy tudású, széles körben felhasználható mikrovezérlők kifejlesztését eredményezte, sok más mellett. Az elektronikai gyártástechnológia és áramkör-tervezési módszerek fejlődése lehetővé tette, hogy már a 16 bites mikrokontrollerek is képesek legyenek akár 150 µA/MHz árammal üzemelni aktív állapotban. A kifinomult energiagazdálkodási lehetőségek és működési üzemállapotok (mint pl. a bemutatott kisfeszültségű alvó, ill. Vbat módok) lehetővé teszik, hogy az általános célú mikrokontrollerek nagyságrendekkel több alkalmazásban legyenek kényelmesen és hatékonyan felhasználhatóak.
