- لماذا تعديل تردد الساعة في ميكروكنترولر؟
- ما هو تأثير اختيار الترددات المتعددة على الأداء؟
- التردد المنخفض أو العالي ، أيهما تختار؟
- تقنية تبديل تردد الساعة
- اختيار طرق إدارة الساعة للعملية
- تنفيذ البرنامج من ذاكرة غير متطايرة أو ذاكرة الوصول العشوائي
- استخدام المذبذب الداخلي
- استنتاج
يواجه المطورون دائمًا تحديًا في تقديم مستويات عالية من الوظائف والأداء مع زيادة عمر البطارية في نفس الوقت. أيضًا عندما يتعلق الأمر بالمنتجات الإلكترونية ، فإن أهم ميزة هي استهلاك البطارية. يجب أن يكون أقل قدر ممكن لزيادة وقت تشغيل الجهاز. تعد إدارة الطاقة أمرًا بالغ الأهمية في التطبيقات المحمولة والتي تعمل بالبطارية. يمكن أن تؤدي الاختلافات في استهلاك ميكرو أمبير إلى شهور أو سنوات من العمر التشغيلي الذي يمكن أن يزيد أو يقلل من شعبية المنتج والعلامة التجارية للمنتج في السوق. تتطلب الزيادة في المنتجات تحسينًا أكثر كفاءة لاستخدام البطارية. في الوقت الحاضر ، يطلب المستخدمون بطارية احتياطية أطول مع حجم صغير من المنتجات ، لذلك يركز المصنعون على حجم بطارية أصغر مع عمر بطارية طويل للغاية وهي مهمة مشكوك فيها. لكن،توصل المطورون إلى تقنيات توفير الطاقة بعد المرور بالعديد من العوامل والمعلمات المهمة التي تؤثر على عمر البطارية.
هناك العديد من المعلمات التي تؤثر على استخدام البطارية مثل الميكروكونترولر المستخدم ، جهد التشغيل ، الاستهلاك الحالي ، درجة الحرارة المحيطة ، الظروف البيئية ، الأجهزة الطرفية المستخدمة ، دورات إعادة الشحن وما إلى ذلك مع اتجاه المنتجات الذكية التي تأتي في السوق ، من المهم للغاية للتركيز أولاً على MCU المستخدمة لتحسين عمر البطارية. تصبح MCU جزءًا مهمًا عندما يتعلق الأمر بتوفير الطاقة في المنتجات الصغيرة الحجم. لذلك فمن المستحسن أن تبدأ مع MCU أولا. الآن ، MCU يأتي مع تقنيات توفير الطاقة المختلفة. لمعرفة المزيد حول تقليل استهلاك الطاقة في وحدات التحكم الدقيقة (MCU) ، راجع المقالة السابقة. تركز هذه المقالة بشكل رئيسي على أحد المعلمات المهمة لتقليل استهلاك الطاقة في وحدة التحكم الدقيقة ، وهي تعديل تردد الساعةوالتي يجب مراعاتها عند استخدام MCU لتطبيقات الطاقة المنخفضة.
لماذا تعديل تردد الساعة في ميكروكنترولر؟
من بين العديد من المعلمات المذكورة أعلاه ، يلعب اختيار تردد الساعة دورًا مهمًا للغاية في توفير الطاقة. أظهرت الدراسة أن الاختيار الخاطئ لتكرار تشغيل وحدات التحكم الدقيقة يمكن أن يؤدي إلى فقد نسبة مئوية كبيرة (٪) من طاقة البطارية. من أجل تجنب هذه الخسارة ، يحتاج المطورون إلى الاهتمام باختيار التردد المناسب لتشغيل الميكروكونترولر. الآن ، ليس من الضروري أن يتم اختيار التردد في البداية ، أثناء إعداد متحكم دقيق ، حيث يمكن اختياره بين البرمجة أيضًا. هناك العديد من وحدات التحكم الدقيقة التي تأتي مع تحديد البت لتحديد تردد التشغيل المطلوب. كما يمكن تشغيل الميكروكونترولر بترددات متعددة ، بحيث يكون للمطورين خيار تحديد التردد المناسب اعتمادًا على التطبيق.
ما هو تأثير اختيار الترددات المتعددة على الأداء؟
لا شك أن اختيار الترددات المختلفة سيؤثر على أداء الميكروكونترولر. كما هو الحال في الميكروكونترولر ، من المعروف جيدًا أن التردد والأداء متناسبان. وهذا يعني أنه كلما زاد التكرار سيكون وقت تنفيذ الكود أقل وبالتالي سرعة أكبر في تنفيذ البرنامج. الآن ، من الواضح جدًا أنه إذا تم تغيير التردد ، فسيتغير الأداء أيضًا. ولكن ليس من الضروري أن يلتزم المطورون بتردد واحد فقط من أجل أداء أعلى لوحدة التحكم الدقيقة.
التردد المنخفض أو العالي ، أيهما تختار؟
ليس هذا هو الحال دائمًا عندما يتعين على المتحكم الدقيق تقديم أداء عالٍ ، فهناك العديد من التطبيقات التي تحتاج إلى أداء معتدل للمتحكم الدقيق ، في هذا النوع من التطبيقات يمكن للمطورين تقليل تردد التشغيل من جيجاهرتز إلى ميجاهرتز وحتى إلى الحد الأدنى من التردد المطلوب تشغيل متحكم. على الرغم من أنه في بعض الحالات يكون الأداء الأمثل مطلوبًا وكذلك وقت التنفيذ أمر بالغ الأهمية مثل عند تشغيل ADC خارجي للفلاش بدون مخزن مؤقت FIFO ، أو في معالجة الفيديو والعديد من التطبيقات الأخرى ، في هذه المناطق يمكن للمطورين استخدام التردد الأمثل للميكروكونترولر. حتى باستخدام هذا النوع من البيئة ، يمكن للمطورين البرمجة بذكاء لتقليل طول الكود عن طريق اختيار التعليمات الصحيحة.
على سبيل المثال: إذا كانت حلقة 'for' تأخذ المزيد من التعليمات ويمكن للمرء استخدام عدة أسطر من التعليمات التي تستخدم ذاكرة أقل للقيام بالمهمة دون استخدام حلقة for ، فيمكن للمطورين اتباع عدة أسطر من التعليمات لتجنب استخدام حلقة 'for' .
يعتمد اختيار التردد المناسب للميكروكونترولر على متطلبات المهمة. التردد العالي يعني استهلاك طاقة أعلى ولكن أيضًا قوة حسابية أكبر. لذا فإن اختيار التردد هو أساسًا المقايضة بين استهلاك الطاقة وقوة الحساب المطلوبة.
كما أن الميزة الرئيسية للعمل عند التردد المنخفض هي تيار الإمداد المنخفض إلى جانب انخفاض التردد اللاسلكي (تداخل التردد اللاسلكي).
تيار العرض (I) = تيار هادئ (I q) + (K x تردد)
المصطلح الثاني هو السائد. إن طاقة RFI الخاصة بالمتحكم الدقيق صغيرة جدًا بحيث يسهل ترشيحها.
لذلك إذا كان التطبيق يحتاج إلى سرعة عالية ، فلا تقلق بشأن التشغيل السريع. ولكن إذا كان استهلاك الطاقة مصدر قلق ، فقم بتشغيله بشكل أبطأ كما يسمح به التطبيق.
تقنية تبديل تردد الساعة
توجد وحدة PLL (Phases Lock Loop) دائمًا في وحدة MCU عالية الأداء تعمل بسرعة عالية. و يعزز PLL تردد الإدخال إلى أعلى تردد على سبيل المثال، في الفترة من 8 إلى 32 ميغاهيرتز ميغاهيرتز. من خيار المطور اختيار تردد التشغيل المناسب للتطبيق. لا تحتاج بعض التطبيقات إلى التشغيل بسرعة عالية ، وفي هذه الحالة يحتاج المطورون إلى الحفاظ على تردد ساعة MCU عند أدنى مستوى ممكن لتشغيل المهمة. ومع ذلك ، في منصة تردد ثابت ، مثل منخفضة التكلفة 8 بت MCU التي لا تحتوي على وحدة PLL ، يجب على المرء تحسين رمز التعليمات لتقليل طاقة المعالجة. أيضًا ، لا يمكن لوحدة MCU التي تحتوي على وحدة PLL الاستفادة من مزايا تقنية تبديل التردد التي تسمح لوحدة MCU بالعمل بتردد عالٍ في فترة معالجة البيانات ثم العودة إلى التشغيل منخفض التردد لفترة نقل البيانات.
يوضح الشكل استخدام وحدة PLL في تقنية تبديل التردد.
اختيار طرق إدارة الساعة للعملية
تدعم بعض وحدات التحكم الدقيقة عالية السرعة أوضاعًا مختلفة لإدارة الساعة مثل وضع الإيقاف وأنماط إدارة الطاقة (PMMs) ووضع الخمول. من الممكن التبديل بين هذه الأوضاع مما يتيح للمستخدم تحسين سرعة الجهاز أثناء استهلاك الطاقة.
مصدر الساعة القابل للتحديد
المذبذب البلوري هو مستهلك كبير للطاقة على أي متحكم ، خاصة أثناء التشغيل منخفض الطاقة. يمكن أيضًا استخدام مذبذب الحلقة ، المستخدم لبدء التشغيل السريع من وضع الإيقاف ، لتوفير مصدر ساعة يتراوح من 3 إلى 4 ميجاهرتز تقريبًا أثناء التشغيل العادي. على الرغم من أن المذبذب البلوري لا يزال مطلوبًا عند التشغيل ، فبمجرد استقرار البلورة ، يمكن تحويل تشغيل الجهاز إلى مذبذب الحلقة ، مما يحقق توفيرًا في الطاقة يصل إلى 25 مللي أمبير.
التحكم في سرعة الساعة
تردد التشغيل لوحدة التحكم الدقيقة هو أكبر عامل منفرد في تحديد استهلاك الطاقة. تدعم عائلة Microcontroller عالية السرعة من وحدات التحكم الدقيقة أوضاعًا مختلفة لإدارة سرعة الساعة تحافظ على الطاقة عن طريق إبطاء أو إيقاف الساعة الداخلية. تسمح هذه الأوضاع لمطور النظام بزيادة توفير الطاقة إلى الحد الأقصى مع أقل تأثير على الأداء.
تنفيذ البرنامج من ذاكرة غير متطايرة أو ذاكرة الوصول العشوائي
يجب على المطورين التفكير بعناية فيما إذا كان يتم تنفيذ البرنامج من ذاكرات غير متطايرة أو من ذاكرة الوصول العشوائي في تقدير الاستهلاك الحالي. يمكن أن يؤدي التنفيذ من ذاكرة الوصول العشوائي إلى توفير مواصفات حالية أقل نشطة ؛ ومع ذلك ، فإن العديد من التطبيقات ليست صغيرة بما يكفي ليتم تنفيذها من ذاكرة الوصول العشوائي وحدها وتتطلب تنفيذ البرامج من ذاكرة غير متطايرة.
تم تمكين ساعات الحافلات أو تعطيلها
تتطلب معظم تطبيقات وحدة التحكم الدقيقة الوصول إلى الذكريات والأجهزة الطرفية أثناء تنفيذ البرنامج. يتطلب هذا تمكين ساعات الحافلات ويجب أخذها في الاعتبار في التقديرات الحالية النشطة.
استخدام المذبذب الداخلي
يمكن أن يؤدي استخدام المذبذبات الداخلية وتجنب المذبذبات الخارجية إلى توفير طاقة كبيرة. نظرًا لأن المذبذبات الخارجية تجتذب تيارًا أكبر مما يؤدي إلى استخدام المزيد من الطاقة. كما أنه ليس من الصعب أن يستخدم المرء مذبذبًا داخليًا ، حيث يُنصح باستخدام المذبذبات الخارجية عندما تتطلب التطبيقات مزيدًا من تردد الساعة.
استنتاج
يبدأ صنع منتج منخفض الطاقة باختيار MCU ويكون صعبًا بشكل كبير عندما تتوفر خيارات متنوعة في السوق. يمكن أن يكون لتعديل التردد تأثير كبير على استخدام الطاقة وأيضًا يعطي نتيجة جيدة لاستهلاك الطاقة. الميزة الإضافية لتعديل التردد هي عدم وجود تكلفة إضافية للأجهزة ويمكن تنفيذها بسهولة في البرنامج. يمكن استخدام هذه التقنية لتحسين كفاءة الطاقة لوحدة MCU منخفضة التكلفة. علاوة على ذلك ، يعتمد مقدار توفير الطاقة على الاختلاف بين ترددات التشغيل ووقت معالجة البيانات وبنية وحدة MCU. يمكن توفير الطاقة بنسبة تصل إلى 66.9٪ عند استخدام تقنية تبديل التردد مقارنة بالتشغيل العادي.
في نهاية المطاف ، بالنسبة للمطورين ، يمثل تلبية احتياجات وظائف النظام المتزايدة وأهداف الأداء مع زيادة عمر بطارية المنتجات تحديًا كبيرًا. يتطلب التطوير الفعال للمنتجات التي توفر أطول عمر ممكن للبطارية - أو حتى التشغيل بدون بطارية على الإطلاق - فهمًا عميقًا لمتطلبات النظام والمواصفات الحالية لوحدة التحكم الدقيقة. هذا أكثر تعقيدًا من مجرد تقدير مقدار التيار الذي تستهلكه MCU عندما تكون نشطة. اعتمادًا على التطبيق الذي يتم تطويره ، قد يكون لتعديل التردد والتيار الاحتياطي والتيار المحيطي تأثير أكبر على عمر البطارية من طاقة MCU.
تم إنشاء هذه المقالة لمساعدة المطورين على فهم كيفية استهلاك وحدات MCU للطاقة من حيث التردد ويمكن تحسينها من خلال تعديل التردد.