تقليل استهلاك الطاقة في الميكروكونترولر

مثلما يعتبر الغاز (البنزين / الديزل) مهمًا للدراجات والشاحنات والسيارات (نعم ، باستثناء Teslas!) للتنقل ، فإن الطاقة الكهربائية لمعظم تطبيقات الإلكترونيات وأكثر من ذلك ، للتطبيقات القائمة على النظام المضمنة والتي عادة ما تكون بطارية (طاقة محدودة) تعمل بالطاقة ، من الهواتف المحمولة العادية إلى الأجهزة المنزلية الذكية وغيرها.

تشير الطبيعة المحدودة لطاقة البطارية إلى الحاجة إلى ضمان أن يكون معدل استهلاك الطاقة لهذه الأجهزة معقولاً لتشجيع اعتمادها واستخدامها. خاصة مع الأجهزة القائمة على إنترنت الأشياء حيث من المتوقع أن يستمر الجهاز لمدة تتراوح من 8 إلى 10 سنوات بشحنة واحدة دون استبدال البطارية.

جعلت هذه الاتجاهات من تنفيذ اعتبارات الطاقة المنخفضة في تصميم الأنظمة المدمجة وعلى مر السنين ، طور المصممون والمهندسون والمصنعون في عدة مراحل عدة طرق ذكية لإدارة الطاقة التي تستهلكها المنتجات بشكل فعال ، لضمان استمرارها لفترة أطول على شحنة واحدة. تركز الكثير من هذه التقنيات على المتحكم الدقيق ، وهو قلب معظم الأجهزة. في مقال اليوم ، سنستكشف بعض هذه التقنيات وكيف يمكن استخدامها لتقليل استهلاك الطاقة في الميكروكونترولر. على الرغم من أن المعالج الدقيق يستهلك طاقة أقل ولكن يمكن استخدامه في وضعه على وحدة التحكم الدقيقة في كل مكان ، اتبع الرابط لمعرفة كيف يختلف المعالج الدقيق عن وحدة التحكم الدقيقة.

تقنيات توفير الطاقة لوحدات التحكم الدقيقة

1. أوضاع النوم

يمكن القول إن أوضاع السكون (يشار إليها عمومًا باسم أوضاع الطاقة المنخفضة) هي التقنية الأكثر شيوعًا لتقليل استهلاك الطاقة في وحدات التحكم الدقيقة. وهي تنطوي بشكل عام على تعطيل بعض الدوائر أو الساعات التي تحرك بعض الأجهزة الطرفية لوحدات التحكم الدقيقة.

اعتمادًا على الهندسة المعمارية والشركة المصنعة ، عادةً ما يكون للميكروكونترولر أنواع مختلفة من أوضاع السكون ، حيث يمتلك كل وضع القدرة على تعطيل المزيد من الدوائر الداخلية أو المحيطية مقارنة بالأخرى. تتراوح أوضاع النوم عادةً من النوم العميق أو الإيقاف ، إلى وضعي الخمول والغفوة.

بعض الأوضاع المتاحة موضحة أدناه. وتجدر الإشارة إلى أن الخصائص وكذلك أسماء هذه الأوضاع قد تختلف من مصنع لآخر.

أنا. الخمول / وضع السكون

عادة ما يكون هذا هو أبسط أوضاع الطاقة المنخفضة التي يجب على المصممين تنفيذها. يسمح هذا الوضع لوحدة التحكم الدقيقة بالعودة إلى التشغيل الكامل بمعدل سريع جدًا. لذلك فهو ليس أفضل وضع ، إذا كانت دورة طاقة الجهاز تتطلب منه ترك وضع السكون كثيرًا ، حيث يتم سحب قدر كبير من الطاقة ، عندما يخرج الميكروكونترولر من وضع السكون. عادة ما تكون العودة إلى الوضع النشط من وضع الاستعداد تعتمد على المقاطعة. يتم تنفيذ هذا الوضع على المتحكم الدقيق عن طريق إيقاف تشغيل شجرة الساعة التي تدفع دائرة وحدة المعالجة المركزية بينما تظل ساعة MCU الأساسية عالية التردد قيد التشغيل. باستخدام هذا ، تكون وحدة المعالجة المركزية قادرة على استئناف العمليات على الفور يتم تنشيط مشغل الاستيقاظ. تم استخدام بوابة الساعة على نطاق واسع لقطع الإشارات في أوضاع الطاقة المنخفضة للميكروكونترولر وهذا الوضع يعمل بشكل فعال على بوابات إشارات الساعة عبر وحدة المعالجة المركزية.

ثانيا. وضعيه الإستعداد

وضع الاستعداد هو وضع آخر للطاقة المنخفضة يسهل على المصممين تنفيذه. إنه مشابه جدًا لوضع الخمول / السكون لأنه يتضمن أيضًا استخدام بوابة الساعة عبر وحدة المعالجة المركزية ، ولكن أحد الاختلافات الرئيسية هو أنه يسمح بتغيير محتوى ذاكرة الوصول العشوائي وهو ما لا يحدث عادةً مع وضع الخمول / السكون. في وضع الاستعداد ، يتم تشغيل الأجهزة الطرفية عالية السرعة مثل DMA (الوصول المباشر للذاكرة) والمنافذ التسلسلية و ADC و AES لضمان توفرها فورًا بعد تنبيه وحدة المعالجة المركزية. بالنسبة لبعض وحدات MCU ، تظل ذاكرة الوصول العشوائي نشطة ويمكن الوصول إليها عن طريق DMA مما يسمح بتخزين البيانات واستلامها دون تدخل وحدة المعالجة المركزية. يمكن أن تكون الطاقة المسحوبة في هذا الوضع منخفضة مثل 50uA / MHZ للميكروكونترولر منخفضة الطاقة.

ثالثا. وضع النوم العميق

وضع السكون العميق ، يشتمل عمومًا على تعطيل الساعات عالية التردد والدوائر الأخرى داخل المتحكم الدقيق مع ترك دائرة الساعة فقط المستخدمة لدفع العناصر المهمة مثل مؤقت المراقبة ، واكتشاف اللون البني ، والطاقة على إعادة تعيين الدوائر. قد تضيف وحدات MCU الأخرى عناصر أخرى إليها لتحسين الكفاءة العامة. يمكن أن يصل استهلاك الطاقة في هذا الوضع إلى 1uA اعتمادًا على MCU المعين.

رابعا. وضع الإيقاف / الإيقاف

تحتوي بعض المتحكمات الدقيقة على أشكال مختلفة من هذا الوضع الإضافي. في هذا الوضع ، يتم عادةً تعطيل كل من المذبذبات العالية والمنخفضة مع ترك بعض سجلات التكوين والعناصر الهامة الأخرى قيد التشغيل.

تختلف ميزات جميع أوضاع النوم المذكورة أعلاه من MCU إلى MCU ولكن القاعدة العامة هي ؛ كلما كان النوم أعمق ، زاد عدد الأجهزة الطرفية المعطلة أثناء النوم ، وانخفاض كمية الطاقة المستهلكة ، على الرغم من أن هذا يعني أيضًا ؛ كلما زادت كمية الطاقة المستهلكة لاستعادة النظام. وبالتالي ، فإن الأمر متروك للمصمم للنظر في هذا الاختلاف واختيار MCU المناسب للمهمة دون تقديم تنازلات تؤثر على مواصفات النظام.

2. التعديل الديناميكي لتردد المعالج

هذه تقنية أخرى شائعة على نطاق واسع لتقليل كمية الطاقة التي يستهلكها الميكروكونترولر بكفاءة. إنها أقدم تقنية وأكثر تعقيدًا من أوضاع النوم. إنه يتضمن البرامج الثابتة التي تحرك ساعة المعالج ديناميكيًا ، بالتناوب بين التردد العالي والمنخفض حيث أن العلاقة بين تردد المعالج وكمية الطاقة المستهلكة خطية (كما هو موضح أدناه).

عادة ما يتبع تنفيذ هذه التقنية هذا النمط ؛ عندما يكون النظام في حالة خمول ، يقوم البرنامج الثابت بتعيين تردد الساعة على سرعة منخفضة مما يسمح للجهاز بتوفير بعض الطاقة وعندما يحتاج النظام إلى إجراء عمليات حسابية ثقيلة ، يتم استعادة سرعة الساعة.

هناك سيناريوهات ذات نتائج عكسية لتعديل تردد المعالج والتي عادة ما تكون نتيجة البرامج الثابتة المطورة بشكل سيئ تنشأ مثل هذه السيناريوهات عندما يظل تردد الساعة منخفضًا أثناء قيام النظام بإجراء حسابات ثقيلة. يعني التردد المنخفض في هذا السيناريو أن النظام سيستغرق وقتًا أطول من اللازم لأداء المهمة المحددة ، وبالتالي سيستهلك بشكل تراكمي نفس القدر من الطاقة التي كان المصممون يحاولون توفيرها. وبالتالي ، يجب توخي الحذر عند تنفيذ هذه التقنية في التطبيقات الحرجة في الوقت المناسب.

3. هيكل البرامج الثابتة لمعالج المقاطعة

هذه واحدة من أكثر تقنيات إدارة الطاقة تطرفاً في المتحكمات الدقيقة. أصبح ممكنًا من خلال عدد قليل من وحدات التحكم الدقيقة مثل نوى ARM cortex-M التي تحتوي على بت سكون عند الخروج في سجل SCR. يوفر هذا البت للمتحكم الدقيق القدرة على النوم بعد تشغيل روتين المقاطعة. في حين أن هناك حدًا لعدد التطبيقات التي ستعمل بسلاسة بهذه الطريقة ، فقد يكون هذا أسلوبًا مفيدًا للغاية لأجهزة الاستشعار الميدانية وغيرها من التطبيقات القائمة على جمع البيانات طويلة الأجل.

معظم التقنيات الأخرى في رأيي هي أشكال مختلفة من الأساليب المذكورة أعلاه. على سبيل المثال ، تعد تقنية التوقيت المحيطي الانتقائي في الأساس تنوعًا في أوضاع السكون حيث يقوم المصمم بتحديد الأجهزة الطرفية لتشغيلها أو إيقاف تشغيلها. تتطلب هذه التقنية معرفة عميقة بالمتحكم الدقيق المستهدف وقد لا تكون ودية للغاية للمبتدئين.

4. قوة البرامج الثابتة المحسنة

تتمثل إحدى أفضل الطرق لتقليل كمية الطاقة التي يستهلكها متحكم دقيق في كتابة برامج ثابتة فعالة ومحسّنة جيدًا. يؤثر هذا بشكل مباشر على مقدار العمل الذي تقوم به وحدة المعالجة المركزية في كل مرة وهذا ، بالتمديد يساهم في كمية الطاقة التي يستهلكها المتحكم الدقيق. يجب بذل الجهود أثناء كتابة البرنامج الثابت لضمان تقليل حجم الكود ودوراته لأن كل تعليمات غير ضرورية يتم تنفيذها ، هي جزء من الطاقة المخزنة في البطارية يتم إهدارها. فيما يلي بعض النصائح الشائعة المستندة إلى C لتطوير البرامج الثابتة المحسّنة ؛

استخدم فئة "Static Const" قدر الإمكان لمنع نسخ المصفوفات والهياكل وغيرها من المصفوفات أثناء التشغيل التي تستهلك الطاقة.
استخدم المؤشرات. ربما تكون أصعب جزء من لغة C لفهمها بالنسبة للمبتدئين ولكنها الأفضل للوصول إلى الهياكل والنقابات بكفاءة.
تجنب Modulo!
المتغيرات المحلية على المتغيرات العالمية حيثما أمكن ذلك. يتم تضمين المتغيرات المحلية في وحدة المعالجة المركزية بينما يتم تخزين المتغيرات العامة في ذاكرة الوصول العشوائي ، تصل وحدة المعالجة المركزية إلى المتغيرات المحلية بشكل أسرع.
أنواع البيانات غير الموقعة هي أفضل صديق لك حيثما أمكن ذلك.
اعتماد "العد التنازلي" للحلقات حيثما أمكن ذلك.
بدلاً من حقول البت للأعداد الصحيحة بدون إشارة ، استخدم أقنعة البت.

لا تقتصر مناهج تقليل كمية الطاقة التي يستهلكها متحكم دقيق على الأساليب القائمة على البرامج المذكورة أعلاه ، وتوجد مناهج قائمة على الأجهزة مثل تقنية التحكم في الجهد الأساسي ، ولكن للحفاظ على طول هذا المنشور ضمن نطاق معقول ، سنوفر لهم ليوم آخر.

استنتاج

يبدأ تنفيذ منتج منخفض الطاقة من اختيار وحدة تحكم دقيقة ويمكن أن يكون مربكًا للغاية عندما تحاول تجاوز الخيارات المتنوعة المتاحة في السوق. أثناء المسح ، قد تعمل ورقة البيانات بشكل جيد للحصول على الأداء العام لوحدات MCU ، ولكن بالنسبة للتطبيقات الحيوية للطاقة ، يمكن أن يكون نهجًا مكلفًا للغاية. لفهم خصائص الطاقة الحقيقية لوحدة التحكم الدقيقة ، يجب على المطورين مراعاة المواصفات الكهربائية ووظائف الطاقة المنخفضة المتاحة للمتحكم الدقيق. لا ينبغي أن يهتم المصممون فقط بالاستهلاك الحالي لكل وضع من أوضاع الطاقة المُعلن عنها في ورقة بيانات MCU ، بل يجب عليهم النظر في وقت الاستيقاظ ومصادر التنبيه والأجهزة الطرفية المتوفرة للاستخدام أثناء أوضاع الطاقة المنخفضة.

من المهم التحقق من ميزات وحدة التحكم الدقيقة التي تخطط لاستخدامها للتأكد من الخيارات المتوفرة لديك لتنفيذ الطاقة المنخفضة. لقد كانت وحدات التحكم الدقيقة واحدة من أكبر المستفيدين من التقدم التكنولوجي ، وهناك الآن العديد من وحدات التحكم الدقيقة منخفضة الطاقة للغاية والتي تضمن أن لديك الموارد لمساعدتك في البقاء ضمن ميزانية الطاقة الخاصة بك. يوفر عدد منهم أيضًا العديد من أدوات برمجيات تحليل الطاقة التي يمكنك الاستفادة منها في التصميم الفعال. أحد العناصر المفضلة الشخصية هو خط MSP430 من المتحكمات الدقيقة من شركة Texas Instrument.