Kako izmijeniti frekvenciju takta kako bi se smanjila potrošnja energije mikrokontrolera

Programeri uvijek imaju izazov pružiti visoku razinu funkcionalnosti i performansi, istodobno povećavajući trajanje baterije. Što se tiče elektroničkih proizvoda, najvažnija značajka je potrošnja baterije. Trebalo bi biti što manje kako bi se povećalo vrijeme rada uređaja. Upravljanje napajanjem vrlo je važno u prijenosnim aplikacijama i pogonima na baterije. Razlike u potrošnji mikroampera mogu dovesti do mjeseci ili godina radnog vijeka što može povećati ili smanjiti popularnost i marku proizvoda na tržištu. Povećanje proizvoda zahtijeva učinkovitiju optimizaciju upotrebe baterija. U današnje vrijeme korisnici zahtijevaju dulje sigurnosno kopiranje baterije s kompaktnom veličinom proizvoda, pa se proizvođači usredotočuju na manje veličine baterije s izuzetno dugim vijekom trajanja baterije, što je upitan zadatak. Ali,programeri su smislili Power Saving Technologies nakon što su prošli kroz mnoge čimbenike i kritične parametre koji utječu na trajanje baterije.

Brojni su parametri koji utječu na upotrebu baterije, poput korištenog mikrokontrolera, radnog napona, potrošnje struje, temperature okoline, stanja okoliša, korištene periferne jedinice, ciklusi punjenja i punjenja itd. S trendom pametnih proizvoda koji dolaze na tržište, vrlo je važno prvo se usredotočiti na MCU koji se koristi za optimizaciju vijeka trajanja baterije. MCU postaje kritični dio kada je u pitanju ušteda energije u malim proizvodima. Stoga se preporučuje da prvo započnete s MCU-om. Sada MCU dolazi s različitim tehnikama uštede energije. Da biste saznali više o minimiziranju potrošnje energije u mikrokontrolerima (MCU), pogledajte prethodni članak. Ovaj se članak uglavnom usredotočuje na jedan od važnih parametara za smanjenje potrošnje energije u mikrokontroleru, a to je izmjena frekvencije taktana što treba voditi računa kada se MCU koristi za aplikacije male snage.

Zašto mijenjati frekvenciju takta u mikrokontrolerima?

Od mnogih gore spomenutih parametara, odabir takta igra vrlo važnu ulogu u uštedi energije. Studija pokazuje da pogrešan odabir radne frekvencije mikrokontrolera može dovesti do značajnog postotka (%) gubitka baterije. Da bi izbjegli taj gubitak, programeri se moraju pobrinuti za odgovarajući odabir frekvencije za pokretanje mikrokontrolera. Sada nije potrebno da se odabir frekvencije može izvršiti u početku tijekom postavljanja mikrokontrolera, dok se također može odabrati između programiranja. Postoji mnogo mikrokontrolera koji dolaze s izborom bitova za odabir željene radne frekvencije. Također mikrokontroler može raditi na više frekvencija, tako da programeri mogu odabrati odgovarajuću frekvenciju ovisno o aplikaciji.

Kakav je učinak odabira više frekvencija na izvedbu?

Nema sumnje da će odabir različitih frekvencija utjecati na performanse mikrokontrolera. Kao i u pogledu mikrokontrolera, vrlo je dobro poznato da su frekvencija i performanse proporcionalne. To znači da će veća frekvencija imati manje vremena izvršavanja koda, a time i veću brzinu izvršavanja programa. Dakle, sada je vrlo jasno da će se, ako se frekvencija promijeni, promijeniti i izvedba. Ali nije nužno da se programeri trebaju držati jedne frekvencije samo radi većih performansi mikrokontrolera.

Nisku ili visoku frekvenciju, koju odabrati?

Nije uvijek slučaj kada mikrokontroler mora pružiti visoke performanse, postoji nekoliko aplikacija kojima su potrebne umjerene performanse mikrokontrolera, u ovoj vrsti programa programeri mogu smanjiti radnu frekvenciju s GHz na MHz, pa čak i na minimalnu frekvenciju potrebnu za pokrenite mikrokontroler. Iako su u nekim slučajevima potrebne optimalne performanse, a također je i vrijeme izvršenja presudno, na primjer pri vožnji vanjskih flash ADC-ova bez FIFO međuspremnika ili u obradi video zapisa i mnogim drugim aplikacijama, u tim područjima programeri mogu koristiti optimalnu frekvenciju mikrokontrolera. Čak i koristeći takvu vrstu okruženja, programeri mogu pametno kodirati kako bi smanjili duljinu koda odabirom prave upute.

Na primjer: Ako petlja 'for' uzima više uputa i može se koristiti nekoliko redaka uputa koji koriste manje memorije za izvršavanje zadatka bez upotrebe for petlje, tada programeri mogu ići s nekoliko redaka uputa izbjegavajući upotrebu petlje 'for' .

Odabir odgovarajuće frekvencije za mikrokontroler ovisi o zahtjevima zadatka. Veća frekvencija znači veću potrošnju energije, ali i veću računsku snagu. Dakle, u osnovi je odabir frekvencije kompromis između potrošnje energije i potrebne računske snage.

Također je glavna prednost rada na niskim frekvencijama niska struja napajanja uz nižu RFI (radio frekvencijske smetnje).

Struja napajanja (I) = Struja mirovanja (I _q) + (K x frekvencija)

Prevladava drugi izraz. RFI energija mikrokontrolera je toliko mala da ga je vrlo lako filtrirati.

Dakle, ako je aplikaciji potrebna brza brzina, ne brinite se radi li brzo. Ali ako je zabrinutost potrošnja energije, radite sporije koliko aplikacija dopušta.

Tehnika prebacivanja frekvencije takta

PLL (fazno zaključana petlja) jedinica uvijek postoji u MCU-u visokih performansi koji radi velikom brzinom. PLL pojačava ulazne frekvencije na višoj frekvenciji, npr, s 8 do 32 MHz MHz. Razvojni programer može odabrati odgovarajuću radnu frekvenciju za aplikaciju. Neke se aplikacije ne trebaju izvoditi velikom brzinom, u tom slučaju programeri trebaju održavati frekvenciju takta MCU-a što je moguće nižom za pokretanje zadatka. Međutim, u fiksnoj frekvencijskoj platformi, kao što je jeftini 8-bitni MCU koji ne sadrži PLL jedinicu, mora se poboljšati kod uputa kako bi se smanjila energija obrade. Također, MCU koji sadrži PLL jedinicu ne može iskoristiti blagodati tehnike prebacivanja frekvencije koja omogućava MCU-u da radi na visokoj frekvenciji u razdoblju obrade podataka, a zatim se vraća na rad s niskim frekvencijama za razdoblje prijenosa podataka.

Slika objašnjava upotrebu PLL jedinice u Tehnici prebacivanja frekvencije.

Odabir načina rada sata

Neki od brzih mikrokontrolera podržavaju različite načine upravljanja satom kao što su Stop način, Načini upravljanja napajanjem (PMM) i Neaktivan način rada. Moguće je prebacivati ​​se između ovih načina rada omogućavajući korisniku optimizaciju brzine uređaja dok troši energiju.

Izvor sata koji se može odabrati

Kristalni oscilator veliki je potrošač energije na bilo kojem mikrokontroleru, posebno tijekom rada male snage. Prstenasti oscilator, koji se koristi za brzo pokretanje iz načina zaustavljanja, također se može koristiti za pružanje otprilike 3 do 4 MHz takta tijekom normalnog rada. Iako je kristalni oscilator i dalje potreban pri uključivanju, nakon što se kristal stabilizira, rad uređaja može se prebaciti na prstenasti oscilator, ostvarujući uštedu energije od čak 25 mA.

Kontrola brzine sata

Radna frekvencija mikrokontrolera najveći je jedini faktor u određivanju potrošnje energije. Obitelj mikrokontrolera High-Speed ​​Microcontroller podržava različite načine upravljanja brzinom takta koji štede energiju usporavanjem ili zaustavljanjem unutarnjeg sata. Ovi načini omogućuju programeru sustava da maksimizira uštedu energije uz minimalan utjecaj na performanse.

Izvršenje softvera iz trajne memorije ili RAM-a

Programeri moraju pažljivo razmotriti izvršava li se softver iz trajnih memorija ili RAM-a pri procjeni trenutne potrošnje. Izvršenje iz RAM-a može ponuditi niže aktivne trenutne specifikacije; međutim, mnoge aplikacije nisu dovoljno male da bi se mogle izvršiti samo iz RAM-a i zahtijevaju izvršavanje programa iz trajne memorije.

Satovi sabirnice omogućeni ili onemogućeni

Većina aplikacija mikrokontrolera zahtijeva pristup memorijama i perifernim uređajima tijekom izvršavanja softvera. To zahtijeva omogućavanje satova sabirnice i treba ih uzeti u obzir u aktivnim trenutnim procjenama.

Korištenje unutarnjeg oscilatora

Korištenje unutarnjih oscilatora i izbjegavanje vanjskih oscilatora može uštedjeti značajnu energiju. Kako vanjski oscilatori crpe više struje što rezultira većom potrošnjom energije. Također nije teško vezati se za upotrebu unutarnjeg oscilatora, jer se vanjski oscilatori savjetuju koristiti kada aplikacije zahtijevaju veću taktnu frekvenciju.

Zaključak

Izrada proizvoda male snage započinje izborom MCU-a, a značajno je teško kada su na tržištu dostupne različite mogućnosti. Modifikacija frekvencije može imati velik utjecaj na potrošnju energije, a ujedno i dobar rezultat potrošnje energije. Dodatna prednost izmjene frekvencije je u tome što nema dodatnih hardverskih troškova i on se lako može implementirati u softver. Ova se tehnika može koristiti za poboljšanje energetske učinkovitosti jeftinog MCU-a. Štoviše, količina uštede energije ovisi o razlici između radnih frekvencija, vremena obrade podataka i arhitekture MCU-a. Ušteda energije do 66,9% može se postići korištenjem tehnike prebacivanja frekvencije u usporedbi s normalnim radom.

Na kraju, za programere je važan izazov ispunjavanje potreba za povećanom funkcionalnošću sustava i ciljevima izvedbe uz istodobno produljenje trajanja baterije proizvoda. Da bi se učinkovito razvili proizvodi koji pružaju najdulje moguće trajanje baterije - ili čak rade bez ikakve baterije - potrebno je duboko razumijevanje i sistemskih zahtjeva i trenutnih specifikacija mikrokontrolera. Ovo je mnogo složenije od jednostavne procjene koliko struje troši MCU kada je aktivan. Ovisno o aplikaciji koja se razvija, modifikacija frekvencije, struja u stanju pripravnosti, periferna struja mogu imati značajniji utjecaj na vijek trajanja baterije od snage MCU-a.

Ovaj je članak stvoren kako bi programerima pomogao da shvate kako MCU-ovi troše energiju u smislu frekvencije i mogu se optimizirati modificiranjem frekvencije.