Разработка нового электронного устройства часто сводится к поиску компромиссов. Стоимость часто расходится с производительностью. На рынках, чувствительных к стоимости вещей, таких как продуктов, ориентированных на потребителя, выбор микроконтроллера или микропроцессора в основе встраиваемой системы, возможно, является наиболее важным решением, влияющим на производительность.
Зачастую существуют конкурирующие друг с другом системные характеристики, которые могут повлиять на общую производительность встраиваемой системы. Это могут быть следующее параметры:
- Срок службы на одном заряде батареи
- Отклик системы
- Тепловые характеристики
- Диапазон и скорость беспроводного сигнала
- Функциональность, обеспечиваемая внешними периферийными компонентами
Проект, характеризующийся низким энергопотреблением, имеет решающее значение для устройств с батарейным питанием или устройств, основанных на технологиях сбора энергии. К некоторым начальным вопросам проектирования данных систем могут относиться:
- Насколько доступным будет устройство для обслуживания в полевых условиях?
- Можно ли будет заменить батареи?
- Какова рабочая среда (диапазоны температур, диапазоны влажности, воздействие солнечного света, воздействие химических веществ и т. д.)?
- Какие ограничения по габаритам и весу?
- Какие виды средств связи потребуются?
- Как часто нужно будет отправлять телеметрию?
- Сколько внешних устройств (датчиков, исполнительных механизмов) предполагается взаимодействовать с нашим устройством?
- Какие у них интерфейсы?
После того, как требования «общей картины» будут понятны, настанет время сформировать приблизительный бюджет мощности. Во-первых, мы можем сложить все текущие комбинации внешних устройств. Затем надо будет рассмотреть возможные микроконтроллеры/микропроцессоры, отвечающие функциональным требованиям, и определить, насколько они эффективны. Как правило, в спецификации указывается КПД в единицах мкА, потребляемых на Гц тактовой частоты. Заранее потратив время на исследование и выбор правильного микроконтроллера или микропроцессора (как с точки зрения функциональности, так и с точки зрения производительности) это будет иметь большое значение для удовлетворения требований к низкому энергопотреблению системы. Как только у нас будет хорошее представление об ожидаемом энергопотреблении в активном режиме и режиме простоя, мы можем провести некоторые «обратные расчеты», рассматривая различные варианты аккумуляторов или батареек, чтобы оценить, как долго продлится работа на одном заряде. Не забывайте, что выбор правильного химического состава батареи или аккумулятора имеет важное значение. Например, никель-кадмиевые (NiCd) и никель-металлические (NiMH) аккумуляторы плохо держат заряд в холодном климате.
Оставив в стороне общие вопросы на уровне архитектуры, пришло время сосредоточиться на соображениях на уровне проектирования, которые оптимизируют энергопотребление встраиваемой системы. К некоторым эмпирическим правилам проектирования, которые следует учитывать как для аппаратного, так и для микропрограммного обеспечения, в широком смысле относятся следующие:
- Выберите минимально возможное рабочее напряжение. Долгое время нормой было 5В, потом 3,3В. Сегодня нередко можно увидеть рабочие напряжения ядра и памяти 2,7 В и 1,8 В. Некоторые встраиваемые компоненты на рынке достигают 0,9 В.
- Уменьшите тактовую частоту ядра до минимально возможной скорости, не влияя на производительность.
- В дополнение к наименьшему рабочему напряжению старайтесь выбирать компоненты с одинаковым рабочим напряжением, что снижает потребность в преобразователях постоянного тока и прокладке нескольких шин питания.
- Остерегайтесь светодиодов и жидкокристаллических дисплеев! Они красивы и могут добавить функциональности, но они могут быть энергоемкими (относительно их полезности). Добавляйте светодиоды с умом. Если необходим ЖК-дисплей, дайте пользователю возможность регулировать яркость.
- Топография схемы и выбор компонентов могут оказать существенное влияние на бюджет мощности. Делители напряжения и подтягивающие резисторы, хотя и необходимы, могут потреблять ток. Убедитесь, что они необходимы, и размер их подходящий, чтобы быть эффективными и действенными.
- Не ограничивайтесь постоянным включением периферийных устройств. Вместо этого выделите время на разработку и запланируйте вывод GPIO от МК, чтобы микропрограмма могла включать и выключать периферийные устройства по мере необходимости.
- Избегайте использования в коде задержек или постоянного опроса датчиков, это приводит к бесполезным тактовым циклам, которые функционально ничего не делают, но потребляют энергию. Вместо этого используйте планировщики задач и прерывания.
- Выберите протокол связи, который соответствует расстоянию, которое необходимо покрыть, но не превышает его. Например, Zigbee® будет более эффективным, чем BLUETOOTH®. Выключайте радио, когда оно не нужно. Хотя учтите время, необходимое для включения радио. Для маломощных приложений с низкой скоростью передачи данных это не должно быть большой проблемой.
- Не оставляйте контакты GPIO плавающими. Для контактов GPIO с внутренними подтягиваниями НЕ включайте подтягивание, если оно не требуется.
- Уменьшите тактовую частоту коммуникационных шин, таких как I2C и SPI.
- Резистор и конденсатор, используемые при аналого-цифровом преобразовании, могут потреблять довольно много энергии. Уменьшите частоту, с которой считываются показания АЦП, и выключите цепь RC в промежутках между считываниями. Но не забудьте дать конденсаторам достаточно времени для зарядки, прежде чем снимать показания.
Оптимизация дизайна по энергопотреблению не только экономит заряд батареи. Меньшая мощность означает меньшее выделение тепла, что повышает надежность и снижает риск отказов, вызванных перегревом. Наконец, не забудьте проверить свой дизайн. Будь то недорогие USB-измерители мощности, мультиметры, джоульскопы или анализаторы энергии, найдите время, чтобы наблюдать за энергопотреблением устройства как в лабораторных, так и в реальных условиях. Чтобы сделать это проще, обязательно поместите контрольные точки на плату, чтобы можно было измерить ток и напряжение.
© digitrode.ru