Know-how, előadás, mikrokontroller segédeszköz

Abstract: Az előadás bemutatja a mikrokontroller az energiatakarékos módok, valamint a szerkezeti és szervezeti ilyen kisegítő hardver, mint az óra, feszültségszabályozó áramkört, watchdog időzítő és kiegészítő mikrokontroller modulokat.

4.7. Az MK-alapú rendszerek energiafogyasztásának minimalizálása

Az energiafogyasztás alacsony szintje gyakran meghatározó tényező a digitális vezérlési rendszer bevezetésének módja során. A modern MC-k nagyszerű lehetőségeket kínálnak a felhasználó számára az energiafogyasztás megtakarításában, és általában a következő fő működési módokat kínálják:

• aktív üzemmód (Run üzemmód) - az MC fő működési módja. Ebben az üzemmódban az MC végrehajtja a munkaprogramot, és minden erőforrása rendelkezésre áll. Az energiafogyasztás maximális PRUN értéke. A legtöbb modern MC-t CMOS technológiával készítik, így az aktív üzemmódban az energiafogyasztás erősen függ az órafrekvenciától;
• készenléti állapotban (Várakozó üzemmód, Készenléti üzemmód vagy Halasztás mód). Ebben a módban a CPU leáll, de a vezérlő objektum állapotát vezérlő perifériás modulok továbbra is működnek. Szükség esetén a perifériás modulokból származó jelek továbbítják az MC-t az aktív üzemmódba, és a munkaprogram létrehozza a szükséges ellenőrzési intézkedéseket. Az MK átvitele készenléti üzemmódból az üzemmódba külsõ forrásokból vagy periférikus modulokból történõ megszakítással vagy az MK újraindításakor történik. Készenléti üzemmódban a PWAIT MC energiafogyasztása 5 ... 10-szeresére csökken az aktív üzemmódhoz képest;
• Stop üzemmódban (alvó üzemmód, alvó üzemmód vagy tápellátás üzemmód). Ebben a módban mind a központi processzor, mind a legtöbb perifériás modul leáll. Az MC átmenet a stop állapotból a működési módba, általában csak külső forrásokból történő megszakításokkal vagy a reset jel használatát követően lehetséges. A stop üzemmódban a PSTOP MC energiafogyasztása megközelítőleg három nagyságrenddel csökkenti az aktív üzemmódot, és néhány mikrowatt.

Az utolsó két üzemmódot a csökkentett energiafogyasztásnak nevezzük. A rendszer energiafogyasztásának minimálisra csökkentése a MK-ben az aktív üzemmódban az MK energiafogyasztásának optimalizálásával, valamint a csökkentett energiafogyasztású módok használatával érhető el. Nem szabad megfeledkezni arról, hogy a készenléti és a leállítási módok jelentősen eltérnek a kis energiaigényű üzemmódtól az aktív üzemmódig tartó átmeneti időtől. A készenléti üzemmódból való kilépés általában a MC szinkronizálásának 3 ... 5 periódusa alatt következik be, míg a stop üzemmódból kilépési késleltetés több ezer szinkronizálási periódus. A rendszer dinamikájának csökkentése mellett az aktív üzemmódra való átállás jelentős időt jelent az energia további ráfordításának okaként.

Az MK aktív üzemmódban az energiafogyasztása a vezérlő egyik legfontosabb jellemzője. Nagymértékben függ az MK tápfeszültségétől és az órafrekvenciától.

A tápfeszültségek tartományától függően az összes MK három fő csoportra osztható:

• MK 5,0 V ± 10% tápfeszültséggel. Ezeket az MK-t rendszerint úgy tervezték, hogy ipari vagy háztartási hálózatok által működtetett eszközök részeként működjenek, funkcionális képességekkel és magas energiafogyasztással rendelkeznek.
• MK egy nagyobb tápfeszültség tartományban: 2,0 ... 3,0 V-ról 5,0-7,0 V-ra. Ez a csoport MK és hálózati és autonóm teljesítményű készülékeken dolgozik.
• MK kisebb tápfeszültséggel: 1,8-3V. Ezeket az MK-t úgy tervezték, hogy önálló teljesítményű készülékekben működjön, és alacsony energiafogyasztást biztosít az elemek számára.

A fogyasztási áram függősége az MK tápfeszültségén szinte egyenesen arányos. Ezért a tápfeszültség csökkentése jelentősen csökkenti az MC fogyasztását. Ugyanakkor szem előtt kell tartani, hogy a tápfeszültség csökkenésével járó MC sok típus esetében a maximális megengedett órajel frekvenciája csökken, vagyis az energiafogyasztás nyeresége csökken a rendszer teljesítményében.

A legtöbb modern MC-t CMOS technológiával készítik, így az aktív PRUN üzemmódban az energiafogyasztás szinte egyenesen arányos az óra frekvenciájával. Ezért választja ki az óra generátor frekvenciáját. Ne próbálja maximalizálni a MK sebességét olyan feladatokban, amelyek nem igénylik. Gyakran döntő tényező az időmérő mérők vagy időzítők felbontási ereje a soros csatorna időzítőjén vagy adatátviteli sebességén alapulva.

A legmodernebb IC-k statikus CMOS technológiát használnak, így tetszőlegesen alacsony órajelig üzemelhetnek. A referenciaadatokban azt jelzik, hogy a minimális órajel frekvenciája DC (egyenáram). Ez azt jelenti, hogy az MC-t lépésenkénti módban, például a hibakereséshez használhatja. Az MK alacsony fogyasztású frekvenciákon mért energiafogyasztása általában az áramfelvétel értékét tükrözi fOSC = 32768 Hz-ben (óramutató járásával megegyező kristály rezonátor).

4.8. Óra generátorok MK

A modern MC-k beépített óra generátorokat tartalmaznak. amelyek minimális számú külső időbeállító elemet igényelnek. A gyakorlatban három fő módja van a generátor órajelének meghatározására: kvarc rezonátor, kerámi rezonátor és külső RC áramkör használatával.

A kvarc vagy kerámia rezonátor összekapcsolására jellemző sémát mutatunk be. 4.9a.

Ábra. 4.9. A kvarc vagy kerámia rezonátorok (a) felhasználásával és az RC áramkör (b) alkalmazásával végzett tacturing.

A Q kvarc vagy kerámia rezonátor az XTAL1 és XTAL2 csatlakozókhoz van csatlakoztatva. amelyek általában egy invertáló erősítő bemenete és kimenete. A C1 és C2 kondenzátor minőségeit az MC gyártó határozza meg egy adott rezonátor frekvenciájához. Néha meg kell adni egy több mega-om-sorrendű ellenállást az XTAL1 és XTAL2 terminálok között a generátor stabil működéséhez.

A kvarc rezonátor használata nagy pontosságot és stabilitást biztosít az órajel frekvenciájának (a kvarc rezonátor frekvencia-eloszlása ​​általában kevesebb, mint 0,01%). Ez a pontossági szint szükséges a valós idejű óra pontos mozgásának, illetve a felület más eszközökkel történő szervezésének biztosításához. A kvarc rezonátor legfőbb hátrányai az alacsony mechanikai szilárdság (magas törékenység) és viszonylag magas költségek.

Az órafrekvencia stabilitásának kevésbé szigorú követelményei mellett a kerámia rezonátorok ütésállósága jobban ellenállhat. Számos kerámia rezonátor beépített kondenzátorral rendelkezik, amely lehetővé teszi a külső csatlakoztatott elemek számának csökkentését háromról egyre. A kerámia rezonátorok frekvenciatartalma néhány tized százalék (általában körülbelül 0,5%).

Az MC órajelfrekvenciájának beállításához a legolcsóbb mód az, ha külső RC áramkört használunk, amint az az 1. ábrán látható. 4.9b. A külső RC-áramkör nem biztosít nagy pontosságot az órafrekvencia beállításnak (a frekvenciák elterjedése akár tíz százalékot is elérhet). Ez sok olyan alkalmazás esetében elfogadhatatlan, ahol pontos időszámításra van szükség. Van azonban sok gyakorlati probléma, ahol az órafrekvencia beállításának pontossága nem nagy jelentőséggel bír.

Az MC órajelfrekvencia függvénye az RC-áramkör-besorolásokon a belső oszcillátor specifikus végrehajtásától függ, és a vezérlő alkalmazási kézikönyvében található.

Gyakorlatilag minden MC lehetővé teszi a működést egy külső óraforrásból. amely a belső erősítő XTAL1 bemenetéhez van csatlakoztatva. Külső órajel-generátor használatával beállíthatja az MK bármelyik órajelét (a működési tartományon belül), és több eszköz szinkron működését biztosítja.

Egyes modern MC-k beépített RC vagy gyűrűgenerátorokkal rendelkeznek, amelyek lehetővé teszik a vezérlőnek, hogy külső szinkronizációs áramkörök nélkül működjön. A belső generátor működését általában úgy oldják meg, hogy programozzák az MC konfigurációs rekord megfelelő bitjét.

A legtöbb modell MK gyakorisága az időzítés elem (rezonátor vagy RC-kör), és az órajel fBUS mereven kapcsolódik az integrált frekvenciaosztóját osztásarányú. Ezért a frekvencia változása szoftverrel nem lehetséges. Azonban a közelmúltban számos MCU (például a cég HC08 Motorola) állnak elve alapján a frekvencia szintetizátor alapú óraáramkör egy fáziszárt hurok (PLL - fázis hurok zár). Ez az áramkör működik, mint egy frekvencia szorzó, és lehetővé teszi, hogy hozzanak az órajel az alacsony frekvenciájú kvarc rezonátor, amely csökkenti a elektromágneses sugárzás MC. A szétválás tényezők PLL áramkör lehet megváltoztatni szoftver, ezáltal csökkentve az órajel (és így az energiafogyasztás) az időintervallumban, amikor a nagy teljesítményű nem szükséges.

Az Atmel AVR család egyes MC-jeiben a vezérlő órajelsebessége, amelyet a belső RC áramkör határoz meg, szoftverrel is megváltoztatható.