Как да модифицирате тактовата честота, за да намалите консумацията на енергия на микроконтролера

Разработчиците винаги имат предизвикателство да предоставят високи нива на функционалност и производителност, като същевременно максимизират живота на батерията. Също така, когато става въпрос за електронни продукти, най-важната характеристика е консумацията на батерията. Трябва да бъде възможно най-малко, за да се увеличи времето за работа на устройството. Управлението на захранването е много критично при преносими и захранвани с батерии приложения. Разликите в консумацията на микроампер могат да доведат до месеци или години експлоатационен живот, което може да увеличи или намали популярността и марката на продукта на пазара. Увеличаването на продуктите изисква по-ефективна оптимизация на използването на батерията. В днешно време потребителите изискват по-дълго архивиране на батерията с компактен размер на продуктите, така че производителите се фокусират върху по-малък размер на батерията със супер дълъг живот на батерията, което е съмнителна задача. Но,разработчиците са измислили Power Saving Technologies, след като са преминали през много фактори и критични параметри, влияещи върху живота на батерията.

Има много параметри, които влияят на използването на батерията, като използван микроконтролер, работно напрежение, консумация на ток, околна температура, състояние на околната среда, използвани периферни устройства, цикли на зареждане и презареждане и т.н. С тенденцията на интелигентни продукти, които се появяват на пазара, е много важно първо да се съсредоточи върху използвания MCU, за да оптимизира живота на батерията. MCU става критична част, когато става въпрос за спестяване на енергия в малките продукти. Затова се препоръчва първо да започнете с MCU. Сега MCU се предлага с различните техники за пестене на енергия. За да научите повече за минимизиране на консумацията на енергия в микроконтролери (MCU), вижте предишната статия. Тази статия се фокусира основно върху един от важните параметри за намаляване на консумацията на енергия в микроконтролера, който е модифицирането на тактовата честотаза което трябва да се внимава, когато се използва MCU за приложения с ниска мощност.

Защо да променяте тактовата честота в микроконтролерите?

От многото параметри, споменати по-горе, изборът на тактова честота играе много важна роля за спестяване на енергия. Проучването показва, че грешният избор на работна честота на микроконтролерите може да доведе до значителен процент (%) загуба на батерията. За да избегнат тази загуба, разработчиците трябва да се погрижат за подходящия избор на честота, за да стартират микроконтролера. Сега не е необходимо изборът на честота да може да се извършва първоначално, докато се настройва микроконтролер, докато той може да бъде избран и между програмирането. Има много микроконтролери, които се предлагат с избор на битове за избор на желаната работна честота. Също така микроконтролерът може да работи на множество честоти, така че разработчиците имат възможност да изберат подходяща честота в зависимост от приложението.

Какъв е ефектът от избора на множество честоти върху производителността?

Няма съмнение, че изборът на различни честоти ще повлияе на работата на микроконтролера. Както по отношение на микроконтролера, много добре е известно, че честотата и производителността са пропорционални. Това означава, че по-голямата честота ще има по-малко време за изпълнение на кода и по този начин по-голяма скорост на изпълнение на програмата. И така, сега е много ясно, че ако честотата се промени, производителността също ще се промени. Но не е необходимо разработчиците да се придържат към една честота само за по-висока производителност на микроконтролера.

Ниска или висока честота, кой да изберете?

Не винаги е така, когато микроконтролерът трябва да осигури висока производителност, има няколко приложения, които се нуждаят от умерена производителност на микроконтролера, в този тип приложения разработчиците могат да намалят работната честота от GHz до MHz и дори до минималната честота, необходима за стартирайте микроконтролер. Въпреки че в някои случаи се изисква оптимална производителност, а също така времето за изпълнение е от решаващо значение, например при управление на външни светкавични АЦП без буфер FIFO или при обработка на видео и много други приложения, в тези области разработчиците могат да използват оптималната честота на микроконтролера. Дори да използват в този вид среда, разработчиците могат да кодират умно, за да намалят дължината на кода, като изберат правилната инструкция.

Например: Ако цикълът „for“ приема повече инструкции и може да се използват няколко реда инструкции, които използват по-малко памет за изпълнение на задачата, без да се използва цикълът for , тогава разработчиците могат да използват няколко реда инструкции, като избягват използването на цикъл „for“ .

Изборът на подходяща честота за микроконтролера зависи от изискванията на задачата. По-високата честота означава по-голяма консумация на енергия, но също така и повече изчислителна мощност. Така че по същество изборът на честота е компромис между консумацията на енергия и необходимата изчислителна мощност.

Също така основното предимство на работата при ниска честота е ниският захранващ ток освен по-ниските RFI (радиочестотни смущения).

Захранващ ток (I) = Постоянен ток (I _q) + (K x Честота)

Преобладава вторият мандат. RFI енергията на микроконтролера е толкова малка, че е много лесна за филтриране.

Така че, ако приложението се нуждае от бърза скорост, не се притеснявайте да работи бързо. Но ако консумацията на енергия е проблем, работете толкова бавно, колкото приложението позволява.

Техника на превключване на тактова честота

PLL (Phases Lock Loop) блок винаги съществува в MCU с висока производителност, работещ с висока скорост. В PLL увеличава входната честота по-висока честота, например от 8 MHz до 32 MHz. Възможността на разработчика е да избере подходяща работна честота за приложението. Някои приложения не трябва да работят с висока скорост, в този случай разработчиците трябва да поддържат тактовата честота на MCU възможно най-ниска, за да изпълнят задачата. Въпреки това, в платформа с фиксирана честота, като 8-битов MCU с ниска цена, която не съдържа PLL единица, трябва да се подобри кода на инструкциите, за да се намали енергията на обработка. Също така MCU, който съдържа PLL единица, не може да използва предимствата на техниката за превключване на честота, която позволява на MCU да работи с висока честота в периода на обработка на данните и след това да се върне към нискочестотна работа за периода на предаване на данни.

Фигурата обяснява използването на PLL единица в Техниката на честотно превключване.

Избор на режими на управление на часовника

Някои от високоскоростните микроконтролери поддържат различни режими на управление на часовника, като режим Stop, режими за управление на захранването (PMM) и режим на готовност. Възможно е да превключвате между тези режими, позволявайки на потребителя да оптимизира скоростта на устройството, докато консумира енергия.

Избираем източник на часовник

Кристалният генератор е голям консуматор на енергия на всеки микроконтролер, особено по време на работа с ниска мощност. Пръстеновият осцилатор, използван за бързо стартиране от режим Stop, може да се използва и за осигуряване на приблизително 3 до 4MHz тактов източник по време на нормална работа. Въпреки че при включване все още се изисква кристален осцилатор, след като кристалът се стабилизира, работата на устройството може да се превключи на пръстеновиден осцилатор, като се реализират икономии на енергия до 25 mA.

Контрол на тактовата скорост

Работната честота на микроконтролера е най-големият фактор за определяне на консумацията на енергия. Семейството микроконтролери с високоскоростен микроконтролер поддържа различни режими за управление на тактовата честота, които пестят енергия чрез забавяне или спиране на вътрешния часовник. Тези режими позволяват на разработчика на системата да максимизира икономиите на енергия с минимално въздействие върху производителността.

Изпълнение на софтуер от енергонезависима памет или RAM

Разработчиците трябва внимателно да преценят дали софтуерът се изпълнява от енергонезависими памет или RAM, за да се оцени текущото потребление. Изпълнението от RAM може да предложи по-ниски активни текущи спецификации; много приложения обаче не са достатъчно малки, за да се изпълняват само от RAM и изискват изпълнението на програми от енергонезависима памет.

Автоматичните часовници са активирани или деактивирани

Повечето приложения за микроконтролер изискват достъп до паметта и периферните устройства по време на изпълнение на софтуера. Това изисква да се активират часовниците на шината и трябва да се вземат предвид при активните текущи оценки.

Използване на вътрешния осцилатор

Използването на вътрешни осцилатори и избягването на външни осцилатори може да спести значителна енергия. Тъй като външните генератори изтеглят повече ток, което води до по-голямо потребление на енергия. Също така не е трудно да се използва вътрешен осцилатор, тъй като външните осцилатори е препоръчително да се използват, когато приложенията изискват повече тактова честота.

Заключение

Осъществяването на продукт с ниска мощност започва с избор на MCU и е значително трудно, когато на пазара се предлагат различни опции. Модификацията на честотата може да окаже голямо влияние върху потреблението на енергия и също така да даде добър резултат за консумация на енергия. Допълнителното предимство на модифицирането на честотата е, че няма допълнителни хардуерни разходи и тя може лесно да бъде внедрена в софтуера. Тази техника може да се използва за подобряване на енергийната ефективност на евтин MCU. Освен това, количеството на енергоспестяването зависи от разликата между работните честоти, времето за обработка на данни и архитектурата на MCU. Икономията на енергия до 66,9% може да бъде постигната при използване на техниката на превключване на честотата в сравнение с нормалната работа.

В крайна сметка, за разработчиците, задоволяването на нуждите от повишена функционалност на системата и целите за производителност, като същевременно се увеличава живота на батерията на продуктите, е значително предизвикателство. За ефективното разработване на продукти, които осигуряват възможно най-дълъг живот на батерията - или дори да работят без батерия - изисква задълбочено разбиране както на системните изисквания, така и на текущите спецификации на микроконтролера. Това е много по-сложно, отколкото просто да се изчисли колко ток консумира MCU, когато е активен. В зависимост от разработваното приложение модификацията на честотата, токът в режим на готовност, периферният ток могат да имат по-значително влияние върху живота на батерията, отколкото захранването на MCU.

Тази статия е създадена, за да помогне на разработчиците да разберат как MCU консумират енергия по отношение на честотата и могат да бъдат оптимизирани с модификация на честотата.