Entwicklungstechniken für stromsparende Mikrocontroller

Anbieter zum Thema

RECOM Power GmbH

Renesas Electronics Europe GmbH

Die Update-Empfangsfunktion ist jedoch anders konzipiert. Sie ist eine Ausnahme im Betriebsplan, da sie auf Anfrage des zentralen Steuersystems asynchron zur Zeitbasis der MCU ausgeführt wird. Für den Zweck dieses Beispiels ist der schlimmstmögliche Fall der, dass die Update-Empfangsfunktion ungefähr einmal alle 10 Minuten ausgeführt wird. Für die Messgeräte-Stromverbrauchsberechnung gilt die Update-Empfangsfunktion daher als eine regelmäßig im 10-Minuten-Turnus ausgeführte Funktion. Der Beitrag schildert nachfolgend weitere Details über die wichtigsten, vom Mikrocontroller des Messgeräts ausgeführten Aufgaben.

Erzeugung von periodischen Wake-up-Signalen: Da die RTC in diesem Design kontinuierlich arbeitet, bietet sie eine praktische und energieeffiziente Methode zur Erzeugung des Wake-up-Signals im Sekundentakt. Das 128Hz-Taktsignal für die RTC-Ansteuerung wird aus dem Sub-Clock-Signal (XCIN) mit 32,768 kHz abgeleitet. Zähler im RTC produzieren genaue Zeitsignale (Jahr, Monat, Woche, Tag, Stunde, Minute und Sekunde) für eine Dauer von bis zu 99 Jahren, und nehmen automatische Schaltjahrkorrekturen vor.

Der Alarm-Modus (ALM) der MCU kann jeweils einen Interrupt beim Ablauf eines Jahres, eines Monats, eines Tages, eines Wochentags, einer Stunde, einer Minute oder einer Sekunde erstellen. Eine weitere Interrupt-Quelle – der Periodic Interrupt (PRD) – eignet sich für die Erstellung kürzerer Zeitabläufe, da sie alle 2 Sekunden, jede Sekunde, alle 1/2, 1/4, 1/8, 1/16, 1/32, 1/64 oder 1/256 Sekunde einen Interrupt erzeugen kann. Das Design nutzt den 1-Sekunden-PRD-Interrupt für das Timing der Betriebsabläufe.

Durchfluss-Überwachung und Messung des Batteriepegels

Durchfluss-Überwachung: Einmal pro Sekunde wandelt der A/D-Wandler der MCU das Ausgangssignal des externen Durchflusssensors in digitale Durchflussdaten um. Der A/D-Wandler schaltet sich per Software vor jeder Messung ein. Dies hält die Verlustleistung auf einen niedrigen Wert, da der Wandler bei einem MCU-Betrieb mit 32 MHz nur 0,66 mA zum Stromverbrauch beiträgt. Bei dieser Taktgeschwindigkeit muss der A/D-Wandler zur Ausführung einer Messung für 3 µs eingeschaltet sein: 1 µs zur Aktivierung des A/D-Wandlers, 1 µs zur Ausführung des Wandlungsvorgangs sowie eine Verzögerungszeit von 1 µs, bevor der Wandler wieder ausgeschaltet wird. Bei 32 MHz beträgt die Wake-up-Zeit des RX111 in den Run-Modus 40 µs. Diese Zeit muss zu den 15 µs hinzu addiert werden, die die CPU zur Verarbeitung der Durchflussdaten aus dem A/D-Wandler benötigt.

Messung des Batteriepegel: Der Low Voltage Detector in den RX100 MCUs verfügt über zwei separate Spannungs-Detektorschaltungen. Die LVD1-Schaltung misst die Batteriespannung (VCC). Sie kann diese Spannung mit zehn unterschiedlichen Spannungs-Schritten von 1,86 bis 3,1 V vergleichen. Demgegenüber kann die LVD2-Schaltung eine externe Spannungsquelle mit vier unterschiedlichen Spannungsschritten von 1,8 bis 2,9 V vergleichen. In diesem Design wird der Zustand von VCC einmal pro Minute vom LVD1-Modul überprüft, um eine besonders genaue Messung zu erhalten.

Der Schaltkreis erzeugt einen Interrupt, wenn sich der Spannungspegel dem unteren Spannungslimit des RX111 von 2,7 V bei 32 MHz Taktfrequenz annähert. In diesem Fall speichert die MCU die gemessene Batteriespannung und versendet bei Bedarf während des nächsten Update-Sendeschritts einen Alarm an das zentrale Steuersystem des Versorgers. Die Batterie-Messfunktion kann bei einem Takt von 1 MHz arbeiten, so dass ihre zugehörige Wake-up-Zeit nur 4,8 µs beträgt. Die zugehörige Datenverarbeitungszeit (bei 1 MHz) liegt geschätzt bei 35 µs. Daher beträgt die gesamte aktive Zeit für diese Funktion ca. 40 µs.

Versenden von Updates: Einmal alle 10 Minuten nutzt der Update-Sendebefehl die SPI-Peripherieschaltung zur Übertragung von Daten an das zentrale Steuersystem. Zur Berechnung der vom Design verwendeten Energie sei angenommen, dass die Verarbeitung und Übertragung der Daten 1000 µs dauert.

Update-Empfang: Einmal alle 10 Minuten nutzt der Update-Empfangsbefehl die SPI-Peripherieschaltung zur Entgegennahme von Daten aus dem zentralen Steuersystem. Für das Aufwachen, Empfangen und Verarbeiten der Daten wird ein Zeitbedarf von 2000 µs angenommen.

Berechnung des durchschnittlichen MCU-Stromverbrauchs

Der Stromverbrauch von 0,6 mA (High-Speed Run-Modus) wird hier verwendet, da die CPU der RX111-MCU aktiv ist, und einige der auf dem Chip integrierten Peripheriefunktionen ebenfalls aktiv sein könnten. Bei aktivem A/D-Wandlerbetrieb kommt zusätzlich ein Stromverbrauch von 0,66 mA hinzu.

(ID:42691996)