Sätta konstruktioner på energidiet

Mellan batteribyten och laddningscykler känner jag ibland att jag ständigt vårdar energitrötta elektroniska enheter och väcker liv i dem igen till full funktion. Trots att jag är ganska uppmärksam på strömstatusen är det inte ovanligt att träningsapparaten eller Bluetooth-hörlurarna dör under träningen, och för att inte tala om alla gånger min smartphone har laddat ur vid sämsta tänkbara tillfälle.

Tänk på en persons upplevelse av lite personelektronik och jämför den med en IoT-tillämpning med tusentals batteridrivna enheter. Då är det lätt att föreställa sig att dessa tillämpningar kollapsar enbart på grund av allt batteriunderhåll. För dessa storskaliga IoT-nätverk, liksom för personliga enheter, förstärks strömproblemet av önskan om mer omedelbara data och ”alltid på”-sensorer. Lyckligtvis blir den här dystra bilden av strömsvältande elektronik allt mindre trolig då kiseltillverkare finslipar energieffektiviteten i mikrostyrenheter och lyfter bort lite av bearbetningsbördan från huvudprocessorn.

Klassisk strömhantering förstärkt med avancerad teknik

Den konventionella synen på mikrostyrenhetsbaserade system fokuserar främst på huvudprocessorns driftcykel eftersom den normalt är ansvarig för det mesta av effektförbrukningen i små inbäddade system. Designers har lärt sig att jobba mot att minimera mängden tid som processorn tillbringar i aktiv status med högsta effektförbrukning. Istället har ett effektbegränsat system utformats så att processorn kan villa i energibesparande viloläge så mycket som möjligt. För tillämpningar som kräver periodisk datainsamling från sensorer låter utvecklare processorn vila och använder perifera brytare för att väcka den precis tillräckligt länge för att samla in och bearbeta data innan den återgår till viloläge.

Framväxten av mer avancerade on-chip-kringutrustning har gjort att utvecklare kan utöka tiden processorn tillbringar i viloläge. Mikrostyrenheter integrerar rutinmässigt kringutrustning som analog-till-digitalomvandlare (ADC) som kan samla in sensordata utan att alls väcka huvudprocessorn. Halvledartillverkare har utvidgat konceptet ytterligare i mer avancerade mikrostyrenhetsarkitekturer byggda att stödja mellanliggande effektlägen mellan helt aktiv och helt i vila. I dessa enheter kan de mellanliggande effektlägena aktivera olika separata effektdomäner för processorskärnan, on-chip-minnet, analog kringutrustning och digital kringutrustning.

Avancerade processorfamiljer som Maxim Integrateds Darwin-mikrostyrenheter tar metoden till en ny nivå med en omfattande uppsättning mekanismer särskilt designade att minska effektförbrukningen utan att kompromissa med tillämpningsfunktioner och prestandakrav (se ”Build More Effective Smart Devices: Part 1 – Low-Power Design with MCUs and PMICs” (Bygg effektivare smarta enheter: del 1 – Lågeffektdesign med MCU och PMIC). Till följd av det kan utvecklare finjustera balansen mellan effekt och prestanda för att möta tajta energibudgetar.

Kringutrustning får sina egna processorer

I separationen av kringutrustningsfunktioner från kärnbearbetningen har mer avancerade mikrostyrenheter förbättrat de kringutrustningsdelsystemen med dedikerade processorer. Till exempel innehåller Maxim Integrateds Darwin-serie, liksom många enheter i den här klassen, en hanteringsenhet för kringutrustning (PMU) som går utöver det normala stödet för DMA-åtgärder (direkt minnesåtkomst) med inkluderingen av Round Robin-schemaläggning och andra mer avancerade funktioner.

Spridningen av bearbetningskapacitet utöver processorskärnan utgör grunden i några av de effektivaste effektminsknings- och prestandaförbättringsmetoderna som är tillgängliga idag. Ett uppenbart exempel på den här trenden är kryptografiska maskinvaruacceleratorer inbyggda i de mest avancerade mikrostyrenheterna designade för IoT eller andra anslutna tillämpningar. Genom att påskynda algoritmkörningen kan dedikerade acceleratorer göra så att enheten återgår snabbare till ett lågeffektläge.

Ett intressantare exempel på den här trenden uppstår i trådlösa mikrostyrenheter som Texas Instruments SimpleLink-produktfamilj. Till exempel har den trådlösa mikrostyrenheten från Texas Instruments CC2640R2F med lågenergi-Bluetooth (BLE) kombinationen Arm® Cortex®-M3-huvudprocessor och ett dedikerat BLE-delsystem som består av en dedikerad Arm Cortex-M0-processor och en RF-sändtagare (radiofrekvens) (figur 1).

Figur 1: Avancerade trådlösa mikrostyrenheter som Texas Instruments CC2640R2F BLE-enhetsoptimerad effektförbrukning genom att använda en energieffektiv Arm Cortex-M0-processorkärna för behålla den trådlösa anslutningen när Arm Cortex-M3-huvudprocessorn är i viloläge. (Bildkälla: Texas Instruments)

Medan huvudprocessorn kör programmet är Cortex-M0-processorn otillgänglig för utvecklaren och körs bara på BLE-protokollstacken. Eftersom den energieffektiva Cortex-M0-kärnan kan fortsätta fungera vid låga effektnivåer medan huvudprocessorn är i viloläge kan mikrostyrenheten ge alltid på-anslutning utan att överbelasta tajta energibudgetar.

Behovet av alltid på-funktioner är såklart inte ett bara ett krav för anslutningsbarhet. Då avkänningstillämpningarna blir allt fler förväntar sig användarna att deras enheter svarar direkt på förändringar i temperatur, rörelse, luftkvalitet och andra egenskaper. Med konventionella metoder skulle alltid på-funktioner i praktiken tvinga mikrostyrenheten att drivas i aktivt läge kontinuerligt, eller nästan kontinuerligt, vid insamling och undersökning av data för betydande händelser.

Med många avancerade sensorer kan utvecklare programmera högsta och lägsta tröskelvärden för att utlösa ett avbrott, så att mikrostyrenheten kan förbli i viloläge tills händelsen då tröskelvärdet överskrids inträffar. Men i vissa tillämpningar räcker det inte ens med tröskelvärdeskapaciteten. Till exempel kan en alltid på-rörelsesensor behöva känna igen karakteristiska förändringar eller mönster i uppmätt acceleration eller orientering som anger att enheten går, springer, går i trappor, svänger eller är med vid andra aktiviteter. Även för avancerade sensorer med tröskelvärdesfunktion skulle mikrostyrenheten behöva vara aktiv för att identifiera dessa karakteristiska förändringar. I stället kan STMicroelectronics LSM6DSOX-sensormodul identifiera mönster av intresse tack vare dess inbyggda finit tillstånd-maskin och bearbetningsmotor för beslutsträd.

För utvecklare är funktioner som drift av autonom kringutrustning, dedikerade bearbetningsmotorer och lokal sensorbearbetning bara några få av de metoder som finns för att sätta batteridrivna konstruktioner på energidiet.

Referens:

Build More Effective Smart Devices: Part 1 – Low-Power Design with MCUs and PMICs (Bygg effektivare smarta enheter: del 1 – Lågeffektdesign med MCU och PMIC) – https://www.digikey.com/en/articles/techzone/2018/oct/build-more-effective-smart-devices-part-1-low-power-design-mcus-pmics