- Miksi kellotaajuutta muokataan mikro-ohjaimissa?
- Kuinka monien taajuuksien valitseminen vaikuttaa suorituskykyyn?
- Matala tai korkea taajuus, kumpi valita?
- Kellotaajuuden vaihtotekniikka
- Kellonhallintatoimintojen valitseminen
- Ohjelmiston suorittaminen haihtumattomasta muistista tai RAM-muistista
- Sisäisen oskillaattorin käyttö
- Johtopäätös
Kehittäjillä on aina haaste tarjota korkeatasoinen toiminnallisuus ja suorituskyky samalla maksimoimalla akun käyttöikä. Myös elektronisten tuotteiden osalta tärkein ominaisuus on akun kulutus. Laitteen käyttöaikaa tulisi lisätä mahdollisimman vähän. Virranhallinta on erittäin tärkeää kannettavissa ja paristokäyttöisissä sovelluksissa. Mikroampereiden kulutuserot voivat johtaa käyttöiän kuukausiin tai vuosiin, mikä voi lisätä tai vähentää tuotteen suosiota ja tuotemerkkiä markkinoilla. Tuotteiden lisääntyminen edellyttää paristojen käytön tehostamista. Nykyään käyttäjät vaativat pidempää akun varmuuskopiointia pienikokoisilla tuotteilla, joten valmistajat keskittyvät pienempään akun kokoon ja erittäin pitkään akkuun, mikä on kyseenalainen tehtävä. Mutta,kehittäjät ovat keksineet virransäästötekniikan, kun he ovat käyneet läpi monia tekijöitä ja kriittisiä parametreja, jotka vaikuttavat akun käyttöikään.
Akun käyttöön vaikuttaa monia parametreja, kuten käytetty mikrokontrolleri, käyttöjännite, virrankulutus, ympäristön lämpötila, ympäristöolosuhteet, käytetyt oheislaitteet, lataus- ja lataussyklit jne. Markkinoille tulevien älykkäiden tuotteiden trendin myötä on erittäin tärkeää keskittyä ensin käytettyyn MCU: han optimoidaksesi akun käyttöiän. MCU: sta tulee kriittinen osa pienikokoisten tuotteiden virran säästämisessä. Joten on suositeltavaa aloittaa ensin MCU: lla. Nyt MCU: lla on erilaisia virransäästötekniikoita. Jos haluat lisätietoja virrankulutuksen minimoimisesta mikrokontrollereissa (MCU), katso edellinen artikkeli. Tämä artikkeli keskittyy pääasiassa yhteen tärkeistä parametreista mikro-ohjaimen virrankulutuksen vähentämiseksi, joka on kellotaajuuden muuttaminenjoka on varottava käytettäessä MCU: ta pienitehoisissa sovelluksissa.
Miksi kellotaajuutta muokataan mikro-ohjaimissa?
Monista yllä mainituista parametreistä kellotaajuuden valinnalla on erittäin tärkeä rooli virran säästämisessä. Tutkimus osoittaa, että mikro-ohjaimien väärä toimintataajuuden valinta voi johtaa merkittävään prosenttiosuuteen (%) akkuvirran menetykseen. Tämän menetyksen välttämiseksi kehittäjien on huolehdittava asianmukaisesta taajuuden valinnasta mikrokontrollerin ajamiseksi. Nyt ei ole välttämätöntä, että taajuuden valinta voidaan tehdä alun perin asettamalla mikro-ohjain, kun taas se voidaan valita myös ohjelmoinnin välillä. On olemassa monia mikro-ohjaimia, joiden mukana tulee bittivalinta halutun toimintataajuuden valitsemiseksi. Myös mikro-ohjain voi toimia useilla taajuuksilla, joten kehittäjillä on mahdollisuus valita sopiva taajuus sovelluksesta riippuen.
Kuinka monien taajuuksien valitseminen vaikuttaa suorituskykyyn?
Epäilemättä eri taajuuksien valinta vaikuttaa mikro-ohjaimen suorituskykyyn. Kuten mikrokontrolleri, on hyvin tiedossa, että taajuus ja suorituskyky ovat verrannollisia. Se tarkoittaa, että suuremmalla taajuudella on vähemmän koodin suoritusaikaa ja siten nopeampi ohjelman suorittaminen. Joten nyt on hyvin selvää, että jos taajuutta muutetaan, myös suorituskyky muuttuu. Mutta se ei ole välttämätöntä, että kehittäjien täytyy stick yhdellä taajuudella vain vuoksi paremman suorituskyvyn mikro.
Matala tai korkea taajuus, kumpi valita?
Ei aina, kun mikro-ohjaimen on tuotettava korkea suorituskyky, on olemassa useita sovelluksia, jotka tarvitsevat mikro-ohjaimen kohtalaisen suorituskyvyn. Tämäntyyppisissä sovelluksissa kehittäjät voivat vähentää toimintataajuutta GHz: stä MHz: iin ja jopa minimitaajuuteen, jota tarvitaan aja mikrokontrolleri. Vaikka joissakin tapauksissa vaaditaan optimaalista suorituskykyä ja myös suoritusaika on kriittinen, kuten ajettaessa ulkoisia flash-ADC: itä ilman FIFO-puskuria tai videoprosessoinnissa ja monissa muissa sovelluksissa, kehittäjät voivat käyttää näillä alueilla optimaalista mikrotaajuutta. Jopa tällaisessa ympäristössä kehittäjät voivat koodata älykkäästi koodin pituuden pienentämiseksi valitsemalla oikeat ohjeet.
Esimerkiksi: Jos 'for' -silmukka vie enemmän ohjeita ja voidaan käyttää useita komentoriviä, jotka käyttävät vähemmän muistia tehtävän suorittamiseen käyttämättä for- silmukkaa, kehittäjät voivat käyttää useita ohjeita, välttäen 'for' -silmukan käyttöä.
Sopivan taajuuden valinta mikro-ohjaimelle riippuu tehtävän vaatimuksista. Suurempi taajuus tarkoittaa suurempaa virrankulutusta, mutta myös enemmän laskentatehoa. Joten taajuuden valinta on kompromissi virrankulutuksen ja vaaditun laskentatehon välillä.
Myös matalalla taajuudella työskentelyn tärkein etu on matala syöttövirta matalamman RFI: n (radiotaajuushäiriöt) lisäksi.
Syöttövirta (I) = lepovirta (I q) + (K x taajuus)
Toinen termi on hallitseva. Mikrokontrollerin RFI-energia on niin pieni, että se on erittäin helppo suodattaa.
Joten jos sovellus tarvitsee nopean nopeuden, älä huolehdi nopeasta juoksemisesta. Mutta jos virrankulutus on huolenaihe, aja niin hitaasti kuin sovellus sallii.
Kellotaajuuden vaihtotekniikka
PLL (Phases Lock Loop) -yksikkö on aina olemassa suuritehoisessa MCU: ssa, joka toimii suurella nopeudella. PLL boosteja panos taajuus korkeammalla taajuudella esim, 8 MHz: n 32 Mhz. Kehittäjä voi valita sovellukselle sopivan toimintataajuuden. Joidenkin sovellusten ei tarvitse toimia suurella nopeudella, jolloin kehittäjien on pidettävä MCU: n kellotaajuus mahdollisimman alhaisena tehtävän suorittamiseksi. Kiinteässä taajuusalustassa, kuten edullisessa 8-bittisessä MCU: ssa, joka ei sisällä PLL-yksikköä, on kuitenkin parannettava käskykoodia prosessointienergian vähentämiseksi. Myöskään MCL, joka sisältää PLL-yksikön, ei voi hyödyntää taajuudenvaihtotekniikan etuja, joka sallii MCU: n toimia suurella taajuudella tietojenkäsittelyjaksolla ja palata sitten matalataajuiseen toimintaan tiedonsiirtojaksoksi.
Kuvassa selitetään PLL-yksikön käyttö taajuuskytkentätekniikassa.
Kellonhallintatoimintojen valitseminen
Jotkut nopeista mikro-ohjaimista tukevat erilaisia kellonhallintatiloja, kuten pysäytystila, virranhallintatilat (PMM) ja valmiustila. Näiden tilojen välillä on mahdollista vaihtaa, jolloin käyttäjä voi optimoida laitteen nopeuden virrankulutuksen aikana.
Valittavissa oleva kellolähde
Kideoskillaattori on suuri virrankuluttaja missä tahansa mikro-ohjaimessa, erityisesti pienitehoisen käytön aikana. Rengasoskillaattoria, jota käytetään pikakäynnistykseen Stop-tilasta, voidaan käyttää myös noin 3-4 MHz: n kellolähteen tarjoamiseen normaalin toiminnan aikana. Vaikka kideoskillaattoria tarvitaan edelleen käynnistettäessä, kiteen stabiloitumisen jälkeen laitteen toiminta voidaan vaihtaa rengasoskillaattoriin, jolloin saavutetaan jopa 25 mA: n virransäästö.
Kellonopeuden säätö
Mikrokontrollerin toimintataajuus on ainoa suurin tekijä virrankulutuksen määrittämisessä. Suurten nopeuksien mikrokontrolleriperhe tukee erilaisia kellonopeuden hallintatiloja, jotka säästävät virtaa hidastamalla tai pysäyttämällä sisäistä kelloa. Nämä tilat antavat järjestelmän kehittäjälle mahdollisuuden maksimoida virransäästöt vaikuttamalla mahdollisimman vähän suorituskykyyn.
Ohjelmiston suorittaminen haihtumattomasta muistista tai RAM-muistista
Kehittäjien on arvioitava nykyinen kulutus huolellisesti, suoritetaanko ohjelmisto haihtumattomista muistista vai RAM-muistista. Suorittaminen RAM-muistista voi tarjota matalammat aktiivivirran määritykset; monet sovellukset eivät kuitenkaan ole tarpeeksi pieniä suoritettavaksi pelkästään RAM-muistista, ja ne edellyttävät ohjelmien suorittamista haihtumattomasta muistista.
Väylä kellot käytössä tai pois käytöstä
Suurin osa mikrokontrollerisovelluksista vaatii pääsyn muistiin ja oheislaitteisiin ohjelmiston suorituksen aikana. Tämä vaatii väyläkellojen käyttöönoton ja se on otettava huomioon aktiivisissa virta-arvioissa.
Sisäisen oskillaattorin käyttö
Sisäisten oskillaattoreiden käyttö ja ulkoisten oskillaattoreiden välttäminen voivat säästää merkittävästi energiaa. Kun ulkoiset oskillaattorit vetävät enemmän virtaa, mikä lisää virrankulutusta. Ei ole myöskään kovaa, että tulisi käyttää sisäistä oskillaattoria, koska ulkoisia oskillaattoreita on suositeltavaa käyttää, kun sovellukset vaativat enemmän kellotaajuutta.
Johtopäätös
Pienitehoisen tuotteen valmistaminen alkaa MCU: n valinnasta, ja se on huomattavasti vaikeaa, kun markkinoilla on tarjolla erilaisia vaihtoehtoja. Taajuuden muokkauksella voi olla suuri vaikutus virrankulutukseen ja se voi myös antaa hyvän virrankulutustuloksen. Taajuuden muuttamisen lisäetu on, että laitteistolle ei aiheudu lisäkustannuksia ja se voidaan toteuttaa helposti ohjelmistossa. Tätä tekniikkaa voidaan käyttää edullisen MCU: n energiatehokkuuden parantamiseen. Lisäksi energiansäästön määrä riippuu toimintataajuuksien, tietojenkäsittelyajan ja MCU: n arkkitehtuurin erosta. Taajuuskytkentätekniikkaa käytettäessä voidaan saavuttaa energiansäästö jopa 66,9% normaaliin toimintaan verrattuna.
Päivän päätteeksi kehittäjille merkittävä haaste on vastata järjestelmän lisääntyneiden toimintojen ja suorituskykytavoitteiden tarpeisiin ja samalla lisätä tuotteiden akunkestoa. Tuotteiden tehokkaan kehittämisen, joka tuottaa mahdollisimman pitkän akun käyttöiän tai jopa toimivat ilman akkua, edellyttää sekä järjestelmävaatimusten että mikro-ohjaimen nykyisten spesifikaatioiden syvällistä tuntemusta. Tämä on paljon monimutkaisempaa kuin yksinkertaisesti arvioida, kuinka paljon virtaa MCU kuluttaa aktiivisena. Kehitettävästä sovelluksesta riippuen taajuuden muokkauksella, valmiustilavirralla, oheisvirralla voi olla merkittävämpi vaikutus akun kestoon kuin MCU-teholla.
Tämä artikkeli on luotu auttamaan kehittäjiä ymmärtämään, kuinka MCU: t kuluttavat virtaa taajuuden suhteen ja voidaan optimoida muuttamalla taajuutta.