Entwicklungstechniken für stromsparende Mikrocontroller

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Obwohl die Sleep-, Deep-Sleep- und Software-Standby-Betriebsarten der RX100-MCUs nützlich zur Senkung des Stromverbrauchs der Chips sind, können Entwickler auch andere Techniken zur weiteren Senkung des Energieverbrauchs nutzen. So lassen sich individuell verschiedene Taktsignal-Teilungsverhältnisse einstellen. Diese Fähigkeit bezieht sich auf den Systemtakt, den Takt für die Peripherie, den A/D-Wandler-Takt und den Takt für den Flash. Bei unterschiedlichen Anwendungsanforderungen für die verschiedenen Funktionsblöcke ist dies eine nützliche Design-Option. Jedes Peripheriemodul besitzt ein separates Stop-Steuerbit. Damit kann die Software die integrierten Funktionen der MCU individuell steuern und den dynamischen Stromverbrauch weiter senken.

Anwendungsbeispiel für die RX100-MCU: Durchflussmesser

Im Folgenden wird der Einsatz des RX100 in einer realen Anwendung, einem Durchflussmesser, näher erläutert. Anhand der Leistungsdaten lassen sich der durchschnittliche Stromverbrauch des Beispieldesigns und die daraus folgende Batterielebensdauer berechnen.Moderne Durchflussmesser haben sich aus einfachen, manuell ablesbaren mechanischen Geräten zu MCU-gestützten elektronischen Versionen mit Funkanbindung entwickelt.

Komplexere Designs bieten flexible Überwachung und Datenkommunikation und ermöglichen damit eine Fernsteuerung durch das zentrale Steuerungssystem des Versorgungsunternehmens. Diese Funktionen müssen implementiert werden, obwohl das Messgerät im Dauerbetrieb arbeitet. Die Elektronik darf daher im Durchschnitt nur geringste Energiemengen verbrauchen. Batteriebetrieb ist die Norm, da Wechselstrom für den Betrieb des Messgeräts nur selten verfügbar ist. Typische Design-Spezifikationen fordern eine Batterie-Lebensdauer von mehr als 20 Jahren.

Die wichtigsten Low-Power-Anforderungen eines elektronischen Durchflussmessers lassen sich entsprechend der Hauptfunktionen der Geräte gruppieren. Die meiste Zeit arbeitet die MCU in den Betriebsarten mit dem geringsten Stromverbrauch, bei denen lediglich der Real-Time Clock (RTC) und der Low Voltage Detector (LVD) aktiv sind. Darüber hinaus empfiehlt es sich, dass das SRAM aktiv gehalten wird, damit sich Zwischenergebnisse der Datenverarbeitung speichern lassen, so dass nicht ständig Daten in den Flashspeicher geschrieben werden müssen.

Das Messgerät wacht in regelmäßigen Zeitabständen auf und nimmt eine Durchflussmessung vor. Die wichtigsten Parameter (für die Abrechnung) werden in nichtflüchtigem Speicher abgelegt, so dass sie bei einer Unterbrechung der Stromversorgung nicht verloren gehen. Zur Abfrage der Daten und zum Einspielen von Updates erfolgt die Datenkommunikation mit dem zentralen Steuersystem über den implementierten seriellen Transceiver. Zusätzlich wird der Spannungspegel der Batterie für die Steuerung der MCU-Betriebsarten regelmäßig überprüft. Im vorliegenden Beispiel werden die Daten aus einer Implementierung auf der Basis eines RX111-Chips abgeleitet.

Prozessor, Speicher und Peripherie

Prozessor, Speicher und Peripherie im RX111 führen den Großteil der Funktionen des Durchflussmessers aus. Die wichtigsten dabei verwendeten Peripherieelemente sind der A/D-Wandler (ADC) zur Messung des Durchflusssensor-Ausgangssignals, ein SPI-Port als Verbindung zum zentralen Controller, der die Daten aus den unterschiedlichen Messgeräten sammelt und ein weiterer SPI-Port zur Ansteuerung des LCDs, das die Durchfluss-Nutzungsdaten und den Systemstatus anzeigt. Zusätzlich zeichnet der RTC der MCU genau die Zeiten auf, zu denen eine Messung gemacht wird und der Low-Voltage Detector (LVD) überwacht laufend die Spannung der Messgeräte-Batterie.

Zur Abschätzung des Stromverbrauchs und der Batterie-Laufzeit des Durchflussmessers sind zunächst die wichtigsten Gegebenheiten zu ermitteln: die Hauptfunktionen, die die MCU des Messgeräts ausführen muss, welche Module für die Ausführung der Aufgaben genutzt werden, wie oft diese Funktionen ausgeführt werden, wie lange die Ausführung dieser Funktionen dauert und der Strom, den die MCU bei der Ausführung dieser Aufgaben verbraucht. Manche der integrierten Peripherieschaltungen der MCU, wie der RTC und der LVD, arbeiten kontinuierlich, während andere wie der ADC oder die SPI-Ports jeweils nur für eine kurze Dauer benötigt werden.

• Batterie-Monitor: Diese Funktion überprüft den Spannungspegel der Batterie und liefert Informationen, die Teil der regelmäßig an das zentrale Steuersystem versendeten Betriebsstatus-Daten sind. Der Batterie-Monitor kann auch eine Manipulations-Erkennungsfunktion ausführen, mit der sich ermitteln lässt, ob das Messgerät Ziel eines Manipulationsversuchs wurde. Die gemessene Batteriespannung (und ihre Schwankungen über die Zeit) dienen zur Einstellung der Taktfrequenz verschiedener Messgeräte-Funktionen, da die Ausweitung der Zeitspanne zwischen den einzelnen Arbeitsschritten bei sinkendem Batteriepegel die Batterie-Laufzeit verlängern kann. Sobald die Batteriespannung zu niedrig wird, kann der Monitor ein Selbstabschaltungssignal starten, das eine Speicherung der wichtigsten Durchfluss-Nutzungsdaten und Systemdaten in den Flash zum späteren Auslesen sowie für eine Gerätediagnose veranlasst. Dieser Vorgang wird allerdings nur selten benötigt und ist daher nicht bei der Berechnung der Batterielebensdauer berücksichtigt. (Entwickler sind angehalten, den Auslösewert für die Low-Level-Warnung des Batteriemonitors hoch genug zu setzen, so dass die MCU noch genügend Energie erhält, um eine Datenerfassung sowie Sicherungs- und Sicherheitsaufgaben auszuführen.)

• Durchfluss-Monitor: Der A/D-Wandler der MCU liest den Sensorausgang, um eine genaue Messung der Durchflussrate zu ermöglichen. Anschließend müssen die gelieferten Daten weiterverarbeitet werden, um abrechnungskonforme Messwerte zu erhalten. Die erforderlichen Berechnungen lassen sich mit der Rechenleistung der RX111 erledigen.

• Update versenden: Diese Funktion übermittelt die wichtigsten Daten (Durchflussrate, Batteriepegel, Servicequalität usw.) an das zentrale Steuersystem. Die Zeit zwischen den Sende- und Empfangsübertragungen lässt sich bei sinkendem Batterieladezustand verlängern, um Batteriekapazität zu sparen.

• Updates empfangen:Die Empfangsfunktion des Durchflussmessers lässt sich bei Bedarf vom zentralen Steuersystem aktivieren. Beim Empfang von Update-Dateien durch das Messgerät muss die MCU vor der Ausführung des Updates schnell wichtige Housekeeping-Funktionen ausführen können. Eine einfache Funktionstabelle ist eine praktische Möglichkeit, diese grundlegenden Betriebsfunktionen zu organisieren. Die Tabelle zeigt die mit jeder Messgerätefunktion verbundenen aktiven Peripherieschaltungen, wie oft die entsprechende Aufgabe ausgeführt wird, und wie lange die MCU zur Ausführung jeder Funktion braucht.

Die Daten dieser Tabelle enthalten Schätzwerte der für jede Funktion benötigten MCU-Rechenzeit anstelle von Messwerten, da diese Funktionen nicht wirklich implementiert wurden. Allerdings handelt es sich hierbei um bestmögliche konservative Schätzwerte, die aus ähnlichen Funktionen in anderen Anwendungen abgeleitet wurden, und die aussagekräftig für die Energieverbrauchs-Berechnungen sind.

Implementierung und Low-Power-Design-Techniken

Bei der Entwicklung von Systemen auf der Basis von Low-Power MCUs gibt es meist mehrere Implementierungsmöglichkeiten. Einige gängige Software-Option besteht darin, das System in einen Stromspar-Modus zu versetzen und es nach Ablauf eines spezifizierten Zeitintervalls einzuschalten (periodischer Wake-up). Das Konzept kommt beim Durchflussmesser zum Einsatz. Folgender Betriebsplan wurde hierfür spezifiziert: Die Software weckt die CPU einmal pro Sekunde auf. Die MCU muss die Update-Sendefunktion alle 10 Minuten, den Batteriemonitor-Task einmal pro Minute und die Durchfluss-Überwachungsfunktion einmal pro Sekunde aktivieren.

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