KURS
Projektowanie
Dodatkowe materiały
na CD i FTP
energooszczędnych
układów elektronicznych (5)
Mikrokontrolery  zasady
wyboru układu
Od początku swojego istnienia mikroprocesory i mikrokontrolery Dodatkowe materiały na CD i FTP:
ftp://ep.com.pl, user: 16195, pass: 4k17u606
pomagają ograniczać zużycie energii przez silniki spalinowe
i elektryczne, urzÄ…dzenia grzewcze itp. Jednak dopiero ostatnie kilka
ma szereg zalet: brak konieczności dostępu
lat przyniosło wzrost zainteresowania ograniczaniem poboru prądu
do wnętrza urządzenia upraszcza konstruk-
przez same mikrokontrolery. Co prawda tryby oszczędzania energii
cję obudowy, ułatwia zapewnienie całkowi-
były dostępne od dawna, jednak ich intensywne wykorzystywanie
tej wodoszczelności i odporności na trudne
rozpoczęło się po upowszechnieniu urządzeń zasilanych bateryjnie.
warunki eksploatacji. Przykładem mogą być
elektroniczne termometry lekarskie  za-
Kategorie układów kach, transportowy rejestrator tempera- pewnienie możliwości wymiany baterii przy
energooszczędnych tury, wkładany do wnętrza opakowania zachowaniu szczelności urządzenia, spowo-
Zasilane bateryjnie urządzenia z mikro- produktów wymagających ciągłego chło- dowałoby znaczny wzrost gabarytów i ceny
kontrolerami, w zależności od mocy oblicze- dzenia, czujnik wibracji wbudowany do takiego termometru.
niowej oraz tzw. czasu autonomii, można po- wnętrza turbiny. Na dwóch przykładach obliczeniowych
dzielić na dwie kategorie. Czas autonomii, to  Elektroniczne implanty i urządzenia przekonamy się, z jak małymi poborami prą-
czas pracy urządzenia przy zasilaniu z jed- wszczepiane do organizmu ludzkiego. du muszą się zmierzyć konstruktorzy:
nego kompletu baterii lub z akumulatorów Do niedawna były to wyłącznie elektro- Przykład 1: Bateria 3 V typu CR2032,
ładowanych w jednym cyklu. niczne stymulatory/rozruszniki serca. czas ciągłej eksploatacji 3 lata lub 5 lat.
Grupa pierwsza, to urządzenia z cza- Obecnie grupa elektronicznych implan- Dzieląc katalogową pojemność 210 mAh
sem autonomii od kilkunastu do kilkuset tów biomedycznych bardzo szybko siÄ™ przez 3×365 dni×24 godziny tj. 26280 go-
godzin. Należą do niej głównie urządzenia rozwija. Lekarze mają już do dyspozycji dzin, otrzymujemy średni pobór prądu ok.
powszechnego użytku: telefony komórkowe, między innymi: elektroniczne kontrolery 8 mA dla 3-letniej eksploatacji. Dla 5 lat bę-
nawigacje GPS, aparaty cyfrowe, przenośne pracy protez kończyn, implanty słucho- dzie to 210 mAh/43800 godz.=4,8 mA. Przyj-
odtwarzacze itp. W tej grupie głównym zada- we, systemy monitorujące stan pacjenta mując 10% margines bezpieczeństwa otrzy-
niem konstruktorów jest kuszenie nabywcy i w razie potrzeby podające odpowiednie mamy 7,2 mA dla 3 lat i 4,3 mA dla 5 lat.
bogactwem funkcji i możliwości, a oszczęd- dawki leku bezpośrednio do krwi,  elek- Przykład 2: Bateria litowa 3,6 V typu
ność energii jest istotna, ale nie najważniej- troniczne pigułki , które po połknięciu LS14500 (AA), o pojemności 2200 mAh. Tu
sza. Stosowane tutaj mikrokontrolery, to przekazują obraz przewodu pokarmowe- możemy pozwolić sobie na dłuższy czas eks-
zwykle jednostki 32-bitowe o bardzo dużej go i żołądka. ploatacji, bo producent deklaruje 10-letnią
mocy obliczeniowej i bogato wyposażone  Systemy zdalnego sterowania i nadzoru. trwałość baterii. Dopuszczalny, średni pobór
w układy peryferyjne. Jest to olbrzymia i zróżnicowana gru- prądu wyniesie 50 mA dla 5 lat i 35,8 mA dla
Do grupy drugiej należą urządzenia, któ- pa urządzeń, w której z jednej strony 7 lat. Z marginesem 10% będzie to odpo-
rych czas autonomii liczy się w miesiącach mamy sterowanie marsjańskim łazikiem, wiednio 45,0 i 32,3 mA.
lub latach. Tutaj różnorodność urządzeń jest a z drugiej  sygnalizator zmoczenia pie- W przypadku wieloletnich okresów eks-
dość duża: luchy przez niemowlaka. ploatacji należy uwzględnić także ubytek
 Czujniki i rejestratory parametrów fi- Z punktu widzenia tematyki artykułu pojemności wynikający z samorozładowania
zykochemicznych instalowane w miej- bardziej interesujące są urządzenia gru- się baterii. Należy oczekiwać utraty pojem-
scach trudnodostępnych, bez możliwo- py drugiej, które łączy jedno: konieczność ności rzędu 1% na rok dla baterii litowych
ści zasilania z sieci. Transmisja wyników oszczędnego korzystania ze z
ródła zasilania i 3% na rok dla baterii alkalicznych. Dla
może odbywać się na bieżąco drogą ra- i niezawodnej pracy przez wiele miesięcy obciążeń na poziomie kilku mikroampe-
diową, lub okresowo poprzez łącze ka- lub lat. rów, samorozładowanie w widoczny sposób
blowe lub pętlę indukcyjną. Przykłady: Coraz częściej spotyka się konstrukcje, zmniejsza użyteczną pojemność baterii (ry-
czujnik ciśnienia powietrza montowany w których bateria zasilająca jest wbudowana sunek 28). Podwyższona temperatura oto-
wewnątrz opony samochodu, miernik na stałe i powinna wystarczyć na cały okres czenia przyspiesza proces samorozładowa-
energii cieplnej instalowany na grzejni- użytkowania urządzenia. Takie rozwiązanie nia (rysunek 29).
126 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 12/2010
Mikrokontrolery  zasady wyboru układu
na pułapki związane z niskim napięciem.
Na przykład MSP430L092 (prod. TI) jest
jednym z pierwszych mikrokontrolerów do-
puszczających zasilanie napięciem 0,9 do
1,65 V, ale przy 0,9 V maksymalna częstotli-
wość zegarowa wynosi 1 MHz. Stosowanie
zegara 4 MHz wymaga zachowania wÄ…skie-
go zakresu napięcia zasilania 1,3...1,65 V.
Pogorszenie parametrów dynamicznych
mikrokontrolerów w pobliżu dolnej granicy
dopuszczalnego zakresu napięć zasilających
Rysunek 28. Zjawisko samorozładowanie się baterii w widoczny sposób zmniejsza jej jest zjawiskiem dość typowym, dlatego pro-
użyteczną pojemność ducenci często podają dwa zakresy napięć:
dopuszczalny i rekomendowany, albo za-
strzegają, że wybrane parametry robocze
nie są gwarantowane dla najniższych na-
pięć zasilania. Powszechne jest podawanie
dwóch różnych wartości maksymalnych
częstotliwości zegara, na przykład 16 MHz
dla Vcc=2,5...3,6 V, ale tylko 2 MHz dla
Vcc=1,8...2,5 V. Podobne ograniczenia do-
tyczą wbudowanych układów analogowych
(przetworniki A/C i C/A, komparatory), które
do prawidłowej pracy wymagają nieco wyż-
szego napięcia zasilania, niż układy cyfrowe.
Rysunek 29. Podwyższona temperatura otoczenia przyśpiesza proces Problem ten nie występuje w mikrokontrole-
samorozładowania się baterii rach z wbudowanym stabilizatorem napięcia
Low Drop: mikrokontroler jest zasilany we-
Mikrokontroler 8, 16 czy też koszt i pracochłonność oprogramowania. wnętrznie stabilizowanym napięciem np.
32-bitowy? Optymalizacja programu pod kątem oszczęd- 1,6 V. Wtedy wahania zewnętrznego napięcia
Zwolennicy mikrokontrolerów z rdze- ności energii jest zagadnieniem stosunkowo zasilającego w granicach np. 1,65...3,6 V nie
niem ARM już ogłosili rychłą śmierć syste- nowym i słabo wspieranym przez popularne wpływają znacząco na pobór prądu, ani na
mów innych, niż 32-bitowe. Jednak historia kompilatory. Często niezbędna jest ręczna parametry dynamiczne. Jest to szczególnie
uczy, że w dziedzinie elektroniki i informa- optymalizacja na poziomie asemblera i mo- istotne przy zasilaniu bateryjnym. Przykład:
tyki proroctwa rzadko się sprawdzają. Może dyfikacje pojedynczych bitów w rejestrach napięcie baterii 3 V maleje w trakcie eksplo-
się okazać, że za 10 lat zarówno rdzenie konfiguracyjnych. Takie działania są znacz- atacji od 3,0...2,0 V. Mikrokontroler bez sta-
8-bitowe, jak i ARM-Cortex będą jednakowo nie mniej pracochłonne w przypadku mikro- bilizatora będzie pobierał 300 mA przy 3 V
przestarzałe. Jak na razie, producenci mi- kontrolerów 8-bitowych. i 200 mA przy 2 V. Zastosowanie stabilizatora
krokontrolerów 8/16-bitowych znalez
li ni- 1,9 V da nam stały pobór prądu 190 mA przez
szę rynkową właśnie w dziedzinie układów Pobór prądu przez mikrokontroler cały okres eksploatacji (dane liczbowe dla
energooszczędnych. Najnowsze konstrukcje Wybierając mikrokontroler do aplikacji MSP430G2 z zegarem 1 MHz).
z kategorii Ultra Low Power zadowalają się energooszczędnych, należy bardzo uważnie Bardziej rozbudowane systemy dyspo-
poborem prądu nieosiągalnym dla rdzeni przestudiować dane katalogowe zwracając nują układem zarządzania zasilaniem, który
32-bitowych. Z drugiej strony, wydajność uwagę na parametry, które nie były krytyczne może obniżać napięcie zasilania rdzenia, pa-
obliczeniowa systemów 32-bitowych jest w tradycyjnych zastosowaniach, a mają zna- mięci i układów peryferyjnych po przejściu
nieporównywalnie większa, co pozwala na czący wpływ na pobór prądu. Dodatkowym mikrokontrolera w tryb oszczędny i ponow-
realizację zadań obliczeniowych w krótszym utrudnieniem jest, że producenci często pre- nie je podwyższać dla maksymalnej prędko-
czasie, a niektóre rdzenie (np. Cortex-M0) zentują dane katalogowe w taki sposób, aby ści pracy. W stanie uśpienia układ zarządza-
są zorientowane na jak najniższe zużycie wypaść korzystnie w stosunku do produk- nia zasilaniem może całkowicie odcinać za-
energii. W układach energooszczędnych tów konkurencji. Można tu użyć analogii do silanie poszczególnych bloków, zachowując
nie można kierować się zasadą, że mikro- wartości zużycia paliwa podawanych przez minimalne napięcie podtrzymania zawarto-
kontroler 16-bitowy będzie zawsze lepszy producentów samochodów. Pomiary produ- ści rejestrów i pamięci RAM.
od 8-bitowego, a 32-bitowy lepszy od 16-bi- centów wykonywane są w sztucznych, pre- Analizując dane katalogowe mikrokon-
towego. Jeżeli mamy do dyspozycji 4 lub cyzyjnie określonych warunkach, które nie trolerów, warto poszukać informacji z kate-
7 mA ze z
ródła zasilania, to żadna siła tego odpowiadają normalnym warunkom eksplo- gorii  pisanych drobnym drukiem , na temat
nie zmieni i musimy wybrać mikrokontroler atacji  zarówno samochodów, jak i mikro- minimalnego napięcia zasilania przy pro-
odpowiedni do aplikacji, bez oglądania się kontrolerów. Całkowite zużycie energii przez gramowaniu pamięci Flash. Zdarza się, że
na mody i trendy. Rdzeń 32-bitowy niezbęd- mikrokontroler zależy od wielu czynników, napięcie to jest wyższe od minimalnego na-
ny jest w aplikacjach wymagających szybkiej najważniejsze z nich przedstawiono poniżej. pięcia roboczego o 0,5...1 V. W konstrukcjach
arytmetyki zmiennoprzecinkowej lub FFT Napięcie zasilania. Jest rzeczą oczywi- wymagających programowania w układzie
oraz do przetwarzania dużej ilości danych stą, że niższe napięcia zasilające wiążą się (ISP lub IAP) należy zadbać o odpowiednie
(np. strumienie audio i wideo). Do aplikacji z mniejszym poborem prądu. Obecnie stan- napięcie zasilania podczas programowania.
typu maszyna stanów oraz prostych ukła- dardem jest zakres napięć 1,8...3,6 V, chociaż Pobór prądu w funkcji częstotliwości
dów pomiarowych z reguły wystarczy sys- zdarzają się już mikrokontrolery pracujące zegara. Ze względu na prawie liniową za-
tem 8/16-bitowy. Istotnym czynnikiem jest przy napięciu 0,9 V. Niestety, trzeba uważać leżność poboru prądu od częstotliwości ze-
ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 12/2010 127
KURS
garowej, często podawany jest współczynnik związany z portami zewnętrznymi GPIO. w zakresie kilku procent, a wartość popraw-
Kf=ICC/fCLK [mA/MHz]. Dla mikrokontrolerów Oprócz prądów obciążenia wyjść, należy też ki jest zapisywana w rejestrze konfiguracyj-
klasy Micropower wartości tego współczyn- uwzględnić prąd płynący przez wewnętrzne nym.
nika zawierają się w zakresie 45...300 mA/ rezystory podciągające wejść i wyjść cyfro-
MHz. Często praktykowane przez produ- wych. Przy dużej ilości portów GPIO, prąd Tryby oszczędzania energii
centów podawanie tego współczynnika wy- ten może osiągać znaczne wartości. Jeżeli Nowoczesne mikrokontrolery energoosz-
tłuszczonym tekstem może być mylące, bo konstrukcja mikrokontrolera umożliwia pro- czędne mają bardzo rozbudowane układy
sugeruje, że mikrokontroler z Kf=150 mA/ gramowe konfigurowanie rezystorów podcią- generatorów zegarowych i systemy kontroli
MHz przy częstotliwości zegara 500 kHz bę- gających, należy aktywować tylko te, które są zasilania, realizujące kilka, a nawet kilkana-
dzie pobierał 75 mA. W rzeczywistości przy- niezbędne. ście różnych trybów oszczędzania energii.
bliżony pobór prądu mikrokontrolera można Rodzaj generatora zegarowego. W ukła- Jednakże w układach mikroprądowych try-
obliczyć ze wzoru: ICC = I0+fCLK×Kf. dach energooszczÄ™dnych wybór typu ge- by oszczÄ™dzania energii polegajÄ…ce na ogra-
Prąd początkowy I0 jest niezależny od neratora jest kompromisem pomiędzy do- niczaniu częstotliwości taktowania rdzenia
częstotliwości zegara, natomiast może za- kładnością a zużyciem energii. Tradycyjne i urządzeń peryferyjnych są niewystarczają-
leżeć od rodzaju stosowanego generatora generatory kwarcowe pobierają znaczny ce. Bilans energetyczny wymaga cyklu pra-
zegarowego (RC, kwarcowy) oraz od warun- prąd, natomiast generatory RC są oszczędne cy, w którym mikrokontroler jest w stanie
ków pracy (napięcie zasilania, temperatura energetycznie, ale nie zapewniają tak dobrej głębokiego uśpienia przerywanym krótkimi
otoczenia). Jeżeli przyjmiemy przykładową stabilności i precyzji częstotliwości zegara. okresami aktywności. Istotne znaczenie mają
wartość I0=225 mA, to dla zegara 500 kHz Dlatego też nowoczesne mikrokontrolery dwa parametry: pobór prądu w stanie uśpie-
otrzymamy ICC=225 mA+75 mA=300 mA. zawierają kilka generatorów zegarowych nia i czas wybudzania. Dla mikrokontrole-
Przytoczone wartości liczbowe nie są przy- z rozbudowanym układem przełączania. rów klasy  micropower obecnie standardem
padkowe, lecz wybrane na podstawie uśred- Zestaw dzielników i multiplekserów (stero- jest pobór prądu poniżej 1 mA w stanie naj-
nionych danych katalogowych kilku pro- wany zawartoÅ›ciÄ… rejestrów konfiguracyj- gÅ‚Ä™bszego uÅ›pienia (w temperaturze 20°C).
ducentów. Współczynnik Kf nie jest stały, nych) umożliwia programowe włączanie Jednakże należy pamiętać, że jest to prąd
lecz zależy od napięcia zasilania i zakresu i wyłączanie poszczególnych generatorów statyczny, który w układach CMOS szybko
częstotliwości zegarowej. Dla zakresu ni- oraz kierowanie wybranych sygnałów zega- rośnie przy wzroście temperatury otocze-
skich czÄ™stotliwoÅ›ci 100 kHz...1 MHz war- rowych do CPU i ukÅ‚adów peryferyjnych. nia. Już przy 50°C prÄ…d ten bÄ™dzie 3-krotnie
tość współczynnika może być nieco inna, ModuÅ‚ zegarowy może skÅ‚adać siÄ™ z czterech wiÄ™kszy, a powyżej 100°C należy oczekiwać
niż dla wyższych częstotliwości zegara. Na- generatorów: nawet 10-krotnego wzrostu poboru prądu
leży pamiętać o tym, że średni pobór prądu  Klasyczny generator kwarcowy o czę- w stanie uśpienia. Porty GPIO mogą w trybie
podany w danych katalogowych dotyczy stotliwości 1...25 MHz. Może być uru- uśpienia być ustawione w stanie wysokiej
szczególnych warunków pracy: urządzenia chamiany chwilowo do obsługi wybra- impedancji, ale mogą też zachować swoje
peryferyjne wyłączone, wyjścia nieobciążo- nych procedur (transmisja szeregowa, poziomy logiczne. W tym przypadku należy
ne i ustawione w określony stan logiczny, precyzyjny pomiar czasu trwania lub bardzo uważać na rezystory podciągające.
temperatura pokojowa. Wysoka temperatura częstotliwości impulsów). Wystarczy jedno wyjście w stanie niskim
powoduje zwiększenie poboru prądu. Dla  Generator RC o częstotliwości rzędu z rezystorem pull-up o rezystancji 100 kV,
wartoÅ›ci granicznych 80...125°C należy siÄ™ 1...20 MHz, optymalizowany pod kÄ…tem aby caÅ‚kowicie zniweczyć efekt oszczÄ™dza-
liczyć ze wzrostem prądu w trybie aktyw- zużycia energii. Służy jako główny zegar nia energii (prąd 27 mA przy zasilaniu 2,7 V).
nym o 10...20 %. systemowy, gdy stabilność częstotliwo- Często pomijanym czynnikiem bilansu ener-
Układy peryferyjne. Producenci oferu- ści nie jest krytyczna. Generator ten nie getycznego jest prąd upływu wejść. W sta-
ją mikrokontrolery coraz lepiej wyposażo- wymaga zewnętrznych elementów RC, nie uśpienia na wejściach cyfrowych mogą
ne w układy peryferyjne, co w przypadku pracuje z ustaloną fabrycznie częstotli- panować określone poziomy logiczne, wy-
systemów energooszczędnych nie zawsze wością. Tak jak w przypadku generatora muszające prąd upływu. Jeżeli przykładowo
jest korzystne. W bogato wyposażonych mi- kwarcowego, niższe częstotliwości ze- mikrokontroler ma 20 wejść z prądem upły-
krokontrolerach może się okazać, że łączny garowe uzyskuje się z programowanych wu po 100 nA, to łączny prąd wyniesie 2 mA.
pobór prądu układów peryferyjnych będzie dzielników, natomiast wyższe  z powie- Niektórzy producenci stosują rozwiązania
większy, niż prąd pobierany przez CPU. Po- lacza z pętlą PLL. Stabilność częstotliwo- układowe obniżające prąd upływu wejść, na
bór prądu dla poszczególnych peryferiów ści w pełnym zakresie zmian temperatu- przykład poprzez odcięcie zasilania obwo-
podawany jest w osobnej tabeli karty kata- ry i napięcia zasilania mieści się w polu dów wejściowych.
logowej, w zależności od częstotliwości ze- tolerancji ą2% do ą4%. Wybudzanie ze stanu uśpienia może
gara i trybu pracy. Często stosowaną metodą  Generator kwarcowy 32768 Hz. Zwy- być aktywowane czynnikiem zewnętrznym
ograniczenia poboru prądu jest taktowanie kle wykorzystywany w zegarze RTC, (przerwanie) lub wewnętrznym (sygnał z Ti-
układów peryferyjnych z niższą częstotliwo- ale może też służyć do taktowania CPU mera, zegara RTC). W pierwszym przypad-
ścią niż CPU. y
ródłem sygnału zegarowego i urządzeń peryferyjnych w trybach ob- ku jest możliwe wprowadzenie wszystkich
może być dzielnik częstotliwości głównego niżonego zużycia energii. bloków mikrokontrolera w stan statyczny,
generatora zegarowego, z programowanym  Generator RC małej częstotliwości natomiast w drugim est niezbędna aktywna
współczynnikiem podziału (4, 8, 16, 32 itd.), (10...40 kHz). Używany zamiast gene- praca jednego z wewnętrznych generatorów
albo osobny generator niskiej częstotliwo- ratora kwarcowego RTC w trybach naj- zegarowych oraz układu odmierzającego
ści. Przydatną właściwością jest możliwość bardziej obniżonego zużycia energii. Sta- czas. Dla każdego z powyższych przypad-
indywidualnego ustalenia częstotliwości bilność częstotliwości nie jest najlepsza ków wymagany jest inny tryb oszczędzania
taktowania dla poszczególnych peryferiów, (rzędu 15%), ale jego zaletą jest pobór energii. W stanie najgłębszego uśpienia pod-
na przykład niska częstotliwość dla portów prądu znacznie poniżej 1 mA. trzymywana jest tylko zawartość pamięci
GPIO i przetwornika A/C, przy zachowaniu Generatory RC mogą mieć zainstalowa- RAM i rejestrów, a do wybudzenia mikro-
dużej szybkości pracy interfejsów szerego- ną funkcje kalibracji częstotliwości. Pozwa- kontrolera jest wymagana zmiana stanu
wych. Oddzielnie należy oszacować prąd la ona na przestrajanie generatora cyfrowo jednego z wejść. Jeżeli mikrokontroler jest
128 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 12/2010
Mikrokontrolery  zasady wyboru układu
wyposażony w specjalne wejście WAKEUP,
to jedyną możliwością jest zmiana stanu na
tym wejściu. Więcej możliwości dają mi-
krokontrolery, które w stanie uśpienia mają
aktywny układ kontroli przerwań. Wtedy
z
ródeł sygnału budzenia może być kilka, na
przykład naciśnięcie dowolnego klawisza na
klawiaturze, zmiana stanu wejścia transmisji
szeregowej itp. W przypadku budzenia mi-
krokontrolera wewnętrznym sygnałem upły-
wu czasu, musi cały czas pracować jeden
generator zegarowy, oraz Timer lub zegar
RTC. W takim trybie pracy pobór prądu jest
przynajmniej 2-krotnie wyższy, niż w stanie
statycznym (dla generatora zegarowego RC).
Jeżeli odmierzanie czasu ma być precyzyjne,
to musi być aktywny zegar RTC z generato-
rem kwarcowym 32768 Hz, co zwiększy po-
bór prądu o kolejne 1...3 mA.
Czas wybudzania ze stanu uśpienia
(twk  wake-up time) zależy od rodzaju uży-
wanego generatora zegarowego. Generator
kwarcowy wymaga przynajmniej 1000 cykli
zegarowych do ustabilizowania się drgań,
co oznacza czas 100 ms przy częstotliwości
10 MHz. Generator RC startuje dużo szyb-
ciej, co umożliwia uzyskiwanie czasu wybu-
dzania rzędu 3...5 ms. Jeżeli generator RTC
jest aktywny przez cały czas, to rdzeń może
podjąć pracę wykorzystując sygnał zegarowy
RTC. Co prawda, rdzeń pracuje wtedy z ni-
ską częstotliwością, ale można uzyskać czas Rysunek 30. W fazie wybudzania mikrokontroler już zużywa większą moc, ale jeszcze
budzenia CPU poniżej 1 ms. Krótki czas wy- nie wykonuje użytecznej pracy
budzania, to szybsza obsługa zdarzeń, ale też
znaczna oszczędność energii. W fazie wybu- 10-krotnie wyższej niż potrzeby aplikacji rem 32 MHz moc obliczeniowa wynosi
dzania mikrokontroler już zużywa większą byłby bardzo wygodny dla programisty, ale 33,5 MIPS... . Producent nie podaje warun-
moc, ale jeszcze nie wykonuje użytecznej niestety oznacza znaczny wzrost pobieranej ków, w których uzyskał taki wynik. Można
pracy (rysunek 30). Częstym przypadkiem mocy (niekoniecznie 10-krotny, będzie o tym jedynie zgadywać, że chodzi tu o wykorzy-
jest cykliczne wybudzanie mikrokontrolera mowa w kolejnych częściach cyklu artyku- stanie układu DMA do przesyłania danych
w celu wykonania pomiarów analogowych. łów). Oszacowanie wymaganej przez aplika- bez udziału jednostki centralnej.
Parametr katalogowy twk dotyczy wybudza- cjÄ™ mocy obliczeniowej mikrokontrolera jest
nia części cyfrowej mikrokontrolera, nato- dość trudne, a producenci wcale nie ułatwia- Porównanie parametrów
miast bloki analogowe wymagają dłuższego ją życia konstruktorom. Z reguły w nagłówku mikrokontrolerów
czasu na ustabilizowanie parametrów. Układ karty katalogowej znajdujemy napisaną tłu- W tabeli 1 zamieszczono parametry
napięcia referencyjnego jest zwykle wyposa- stym drukiem informację, że mikrokontroler wybranych rodzin mikrokontrolerów istot-
żony w kondensatory filtrujące, a czas usta- dysponuje mocą obliczeniową np. 16 MIPS ne z punktu widzenia układów energoosz-
lania napięcia może być rzędu milisekund. przy częstotliwości zegarowej 16 MHz. In- czędnych. Umieszczenie w tabeli dwóch
W takiej sytuacji czynnikiem decydującym formacja ta początkowo nie wzbudza po- układów z rodziny MSP430 wynika stąd,
o zużyciu energii może być czas wybudzania dejrzeń, ale na kolejnych stronach czyta- że mikrokontroler MSP430L092 jest uni-
bloku analogowego. Bardzo przydatna jest my  ...70% instrukcji jest wykonywanych kalnym rozwiÄ…zaniem. Po pierwsze, jest
oferowana przez niektóre mikrokontrolery w jednym cyklu zegarowym... . Oznacza to, to jeden z pierwszych dostępnych mikro-
funkcja uruchamiania bloków peryferyjnych że 30% instrukcji wymaga dwóch lub wię- kontrolerów pracujących przy napięciu za-
niezależnie od CPU. Na przykład: sygnał cej cykli zegara. W tym momencie należy silania poniżej 1 V. Po drugie  układ jest
przerwania z RTC uruchamia przetwornik odszukać te instrukcje na liście rozkazów pozbawiony standardowej pamięci progra-
analogowo-cyfrowy, który umieszcza wynik i oszacować częstotliwość ich występowania mu. Ma jedynie zapisany w pamięci ROM
pomiaru w obszarze pamięci buforowej. Po w programie. Jeżeli statystycznie połowa in- program Bootloadera, który służy do za-
zapełnieniu bufora określoną ilością wyni- strukcji w naszej aplikacji będzie wymagała ładowania aplikacji z zewnętrznej pamię-
ków, aktywowana jest jednostka centralna 2 cykli zegara, to mamy do dyspozycji tyl- ci szeregowej EEPROM do pamięci RAM
w celu ich przetworzenia. ko 12 MIPS. W szczególnych przypadkach, mikrokontrolera. Wykonywanie programu
instrukcja wymagająca 3 cykli zegara może w pamięci RAM pozwala na zaoszczędze-
Moc obliczeniowa być wielokrotnie wykonywana w pętli, co nie ok. 40% energii w porównaniu z pro-
W układach energooszczędnych nie jeszcze bardziej zmniejszy efektywną moc gramem zapisanym w pamięci FLASH.
można sobie pozwolić na wysokie margi- obliczeniową. Możliwość wykonywania programu zapi-
nesy bezpieczeństwa w zakresie mocy obli- Czasami optymizm producentów jest sanego w RAM do niedawna była dostępna
czeniowej. Wybór częstotliwości zegarowej zdumiewający. Na przykład  ...z zega- tylko w mikrokontrolerach 32-bitowych,
ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 12/2010 129
KURS
Tabela 1. Parametry energetyczne wybranych mikrokontrolerów energooszczędnych
Typ układu Vcc Icc (dla CPU) Kf [mA/MHz] IDS IPD
550 mA (FLASH)
390 mA (RAM)
[przy fclk = 2 MHz]
STM8L101xx 1,65  3,6 V 150 mA/MHz
8-bit (wewnętrzny 0,35 mA 0,8 mA
2,7 mA (FLASH)
(ST Micro) stabilizator) [2 MHz d" fclk d" 16 MHz]
1,6 mA (RAM)
[przy fclk = 16 MHz]
59 mA (RAM)
45 mA/MHz
0,9 V 4,0 mA 7,1 mA
MSP430L092
[przy fclk = 2 MHz]
16-bit
[1 MHz d" fclk d" 5 MHz,
86 mA (RAM)
(Texas Instruments)
1,65 V 7,8 mA 9,5 mA
Vcc = 1,3V]
[przy fclk = 2 MHz]
220 mA 150 mA/MHz
2,2 V 0,1 mA 0,5 mA
MSP430G2xx1
[przy fclk = 2 MHz] [1 MHz d" fclk d" 8 MHz]
16-bit
300 mA 250 mA/MHz
(Texas Instruments)
3,0 V 0,1 mA 0,6 mA
[przy fclk = 2 MHz] [1 MHz d" fclk d" 16 MHz]
260 mA
[przy fclk = 1 MHz] 250 mA/MHz
1,8 V 0,1 mA 0,52 mA
510 mA [1 MHz d" fclk d" 2 MHz]
ATXmega16/32/64
[przy fclk = 2 MHz]
8/16-bit
1,1 mA
(ATMEL)
[przy fclk = 2 MHz] 330 mA/MHz
3,0 V 0,1 mA 0,61 mA
11,4 mA [2 MHz d" fclk d" 32 MHz]
[przy fclk = 32 MHz]
LPC1111-1114 3,0 mA
2,0  3,6 V
32-bit ARM [przy fclk = 12 MHz] 160 mA/MHz
(wewnętrzny 0,22 mA 6,0 mA
Cortex M0 9,0 mA [12 MHz d" fclk d" 50 MHz]
stabilizator)
(NXP) [przy fclk = 50 MHz]
obecnie pojawia się także w układach Wyjaśnienia wymagają parametry IDS krokontrolerów 8/16-bitowych poradzi sobie
8/16-bitowych. Na przykład STM8L101 po- oraz IPD. Prąd IDS (Deep Sleep) dotyczy naj- nawet w przypadku baterii CR2032 z 5-let-
zwala na wykonywanie programu z pamię- głębszego stanu uśpienia, jaki jest dostępny nim okresem autonomii. Jeżeli pobór prądu
ci FLASH lub RAM. w danym mikrokontrolerze, tzn. wyłączone w stanie uśpienia jest rzędu 0,1...0,8 mA, to
Porównując wartości współczynnika Kf wszystkie możliwe bloki. Prąd IPD (Power dobierając odpowiednio czasy aktywności,
okazuje się, że dla rdzenia Cortex-M0 nie Down) dotyczy stanu, w którym możliwe jest można uzyskać średni pobór prądu na po-
jest on wyższy, niż dla mikrokontrolerów samoczynne wybudzenie mikrokontrolera ziomie 4 mA. Znacznie trudniej zrealizować
8/16-bitowych. Różnice w poborze prądu bez interwencji zewnętrznej, tzn. aktywny tak oszczędną konstrukcję na mikrokon-
wynikają stąd, że rdzenie 32-bitowe zwykle jest jeden układ zegara/Timera. Z porówna- trolerze 32-bitowym, ze względu na duży
taktowane są zegarem 10...60 MHz, nato- nia prądów IDS i IPD wynika, że tryb pracy pobór prądu w stanie aktywności. Pewnym
miast układy 8/16-bitowe pracują przy czę- z zewnętrznym wybudzaniem umożliwia rozczarowaniem są wysokie wartości prą-
stotliwościach 1...16 MHz. Należy jednak mniejsze zużycie energii. Jeżeli aplikacja wy- dów w stanie uśpienia dla mikrokontrolera
pamiętać, że podane wartości prądu doty- maga stosowania zegara RTC, to pobór prądu MSP430L092. Za to układ ten nadaje się do
czą wyłącznie rdzenia. Bogate wyposażenie przez układ zegara jest bardzo istotnym kry- aplikacji, w których wymagana jest ciągła
w układy peryferyjne oraz duża pojemność terium wyboru mikrokontrolera. aktywność mikrokontrolera oraz zasilanie
pamięci mikrokontrolerów 32-bitowych po- Porównując parametry z tabeli z podany- z pojedynczego ogniwa 1,5 V.
wodują łączny pobór prądu większy niż dla mi na początku artykułu wartościami poboru Jacek Przepiórkowski
systemów 8-bitowych. prądu z baterii, okazuje się, że większość mi-
R E K L A M A
130 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 12/2010