Метеостанция с E-Ink дисплеем. Часть 1. Уличный датчик

Идея названия Gecko возникла у одного из ведущих менеджеров компании Energy Micro, на сегодняшний день входящей в состав Silicon Labs. В одной из телевизионных программ, посвященной жизни рептилий, он услышал об уникальных способностях ящериц сохранять энергию. По сравнению с млекопитающими того же размера, гекконы для поддержания жизнедеятельности потребляют в 10 раз меньше энергии, а энергопотребление микроконтроллеров Gecko в среднем составляет 25% от аналогичных показателей других 32‑разрядных микроконтроллеров с ARM-ядром. Благодаря замеченному сходству и появился бренд EFM32 Gecko.

Между технологиями, заложенными в кристаллы EFM32 Gecko для снижения энергопотребления, и некоторыми особенностями строения ящериц можно провести интересные параллели. Подобно рептилиям, способным останавливать рост, регулировать собственные биоритмы, а также практически прекращать жизнедеятельность в неблагоприятных условиях, микроконтроллеры Gecko поддерживают различные режимы энергосбережения и комплекс технологий, направленных на оптимизацию энергопотребления кристалла.



Режимы энергосбережения

Для многих рептилий характерен анабиоз — временное состояние организма, при котором жизненные процессы существенно замедляются, а видимые признаки жизни отсутствуют. Ящерицы переходят в такое состояние при сильном ухудшении условий существования и практически не расходуют энергию, пребывая в состоянии «мнимой смерти», пока внешняя среда вновь не станет благоприятной для их жизнедеятельности.

Весьма широкий спектр электронных устройств, реализованных с применением микроконтроллеров, предполагает, что управляющий контроллер значительную часть времени не задействован в работе системы, но должен начинать выполнять какие-либо действия при наступлении определенного события. Именно поэтому в борьбе за снижение энергопотребления устройства в различных типовых приложениях (бытовых счетчиках, измерительных приборах, в портативной технике и т. п.) от микроконтроллера требуется поддержка своеобразного анабиоза. Для оптимизации энергопотребления кристалла производители микроконтроллеров предусматривают различные режимы энергосбережения. Режим «самого глубокого сна» микроконтроллеров семейства EFM32 Gecko позволяет кристаллу потреблять не более 20 нА/МГц, работа всех периферийных модулей в этом режиме приостанавливается до получения внешнего прерывания, сигнала от монитора питания или до аппаратного сброса МК.

Всего у микроконтроллеров EFM32 предусмотрено пять режимов энергосбережения, каждый из которых характеризуется определенными показателями энергопотребления и набором периферийных модулей, доступных для активации в данном режиме

Время «пробуждения»

Вы обращали внимание на скорость, с которой ящерицы захватывают добычу? Проводящим большую часть времени в неподвижном состоянии ящерицам требуются доли секунды для прыжка и поглощения жертвы.

Подобно гекконам, микроконтроллеры EFM32 способны за предельно короткое время переключаться между режимами энергосбережения и режимом активной работы. Поскольку в критичных к энергопотреблению приложениях переходы между различными режимами работы могут происходить довольно часто, а время переключения фактически тратится контроллером впустую, такой параметр, как время «пробуждения», может оказаться одним из определяющих при выборе кристалла. Малое время «пробуждения» позволяет разработчику не экономить на переходах и наиболее эффективно использовать возможности режимов энергосбережения, предусмотренных в EFM32 Gecko.

Рефлексная система периферии

Рассмотрим другое примечательное сходство представителей гекконовых ящериц с одноименными микроконтроллерами. В основе поведения рептилий преобладают безусловные рефлексы. Можно сказать, что чаще всего поведение ящериц в конкретной ситуации определяется не принятым в мозгу рептилии решением, а по заранее известному алгоритму при наступлении определенного события. Так в пустыне, в часы сильного нагрева песка, почувствовав изменение температуры поверхности, ящерицы всегда перемещаются в тень или на ветки кустарников, где температура значительно ниже. Ящерица не оценивает ситуацию, не принимает решения, ее действия продиктованы исключительно рефлексами.

Как и в нервной дуге, по которой нервный импульс проходит от рецептора на лапках ящерицы к исполнительным органам, минуя головной мозг, в микроконтроллерах семейства EFM32 Gecko разработчик может настроить работу периферийных модулей без участия процессорного ядра. Для организации прямых связей между периферийными блоками служит рефлексная система периферии (Peripheral Reflex System, PRS) (рисунок).
Пример взаимодействия периферийных блоков через рефлексную систему периферии (PRS)

В качестве триггеров могут выступать аналоговый компаратор, АЦП, ЦАП, таймеры-счетчики, линии ввода/вывода, малопотребляющий интерфейс датчиков, компаратор напряжения питания, интерфейсы USB, UART и USART. Сигнал, сгенерированный на одном из перечисленных блоков, может быть напрямую передан блокам АЦП, ЦАП, таймеру-счетчику, малопотребляющему интерфейсу датчиков, счетчику импульсов, UART или USART. Разработчику доступно до двенадцати каналов PRS, с использованием которых может быть реализован ряд алгоритмов для решения простых задач управления. Процессорное ядро используется только на этапе настройки рефлексной системы периферии и ее использование позволяет в дальнейшем экономить как энергию источника питания, так и память кристалла.

Помимо «природных» свойств, унаследованных от гекконов, в кристаллах EFM32 реализован ряд специальных технологий для снижения энергопотребления. Среди них можно отметить интерфейс аналоговых датчиков и аппаратный счетчик импульсов, работа которых не требует участия процессорного ядра. Можно выделить также доступный в различных режимах сна модуль мониторинга напряжения питания и малое энергопотребление некоторых типовых периферийных модулей (последовательных интерфейсов, таймеров/счетчиков, АЦП и ЦАП).

Микроконтроллеры Wireless Gecko (EFR32) компании Silicon Labs разделены на три подсемейства: EFR32 Mighty Gecko, Blue Gecko и Flex Gecko. Они реализуют различные наборы стандартных и проприетарных протоколов передачи данных, указанные в таблице 1. Каждое из подсемейств состоит из микросхем, у которых сочетания параметров наилучшим образом подходят для реализации базового протокола подсемейства. Разработчик может выбрать двухдиапазонную микросхему или микроконтроллер, который содержит только приемопередатчик на диапазон 2,4 ГГц или только на диапазон <1 ГГц. Также имеется возможность подобрать микроконтроллер с различными объемами памяти, разной выходной мощностью и в разных корпусах. Сравнивая подсемейства между собой, следует также отметить, что наиболее низкую цену имеют микроконтроллеры подсемейства EFR32 Blue Gecko.
Микроконтроллеры EFR32 имеют ядро ARM Cortex-M4F, представляющее собой расширенную версию популярного 32-разрядного ядра ARM Cortex-M3. Ядро Cortex-M4F имеет такую же архитектуру, что и Cortex-M3. Разница заключается в наличии у Cortex-M4F блока вычислений с плавающей точкой (Floating Point Unit) и поддержке дополнительного набора DSP-команд. Эти команды соответствуют типовым для цифровой обработки сигнала операциям: умножение с накоплением, операции параллельной обработки данных и операции с насыщением. Благодаря аппаратной поддержке таких команд можно существенно сократить требуемое для определенных типов вычислений время и, как следствие, уменьшить общее энергопотребление устройства [2].

Встроенный в микросхему EFR32 высокоинтегрированный приемопередатчик (рис. 1) имеет широкий набор конфигурационных настроек для установки параметров радиосигнала. Пользователь имеет доступ к буферам приема и передачи данных. Приемопередатчик поддерживает статические и динамические длины пакетов, автоматическую адресную фильтрацию и вставку/проверку контрольной суммы.

Структурная схема EFR32 Wireless Gecko

Приемопередатчик содержит синтезатор частоты с малыми фазовыми шумами, который формирует опорную частоту для понижающего смесителя во время приема радиосигнала и непосредственно формирует модулированную несущую во время передачи. Синтезатор частоты имеет разрешение по частоте лучше, чем 100 Гц, низкое энергопотребление и малое время установки частоты, что позволяет микросхеме быстро выходить из спящих режимов.

В процессе передачи модулятор получает данные от контроллера пакетов, которые считывает из буфера. Основываясь на выбранном типе модуляции и полученных данных, модулятор, используя синтезатор частоты, формирует радиосигнал с необходимой частотой и фазой. После завершения передачи пакета приемо­передатчик может автоматически переключаться в режим приема.

Приемник имеет малошумящий усилитель, за которым следует квадратурный понижающий частоту смеситель. Квадратурные сигналы промежуточной частоты фильтруются и усиливаются перед тем, как поступить на АЦП. Промежуточная частота может конфигурироваться пользователем. Функция автоматической подстройки коэффициента усиления (AGC) позволяет увеличить чувствительность приемника и избежать насыщения усилителя.

Демодуляция выполняется в цифровой области. Путем настроек параметров демодулятора можно задавать ширину частотного канала от 0,1 до 2530 кГц.

Демодулятор анализирует принятый пакет на соответствие заданным типу модуляции и скорости передачи. В случае обнаружения такого пакета данные передаются контроллеру пакетов, который записывает их в приемный буфер. По завершении приема пакета приемо­передатчик может автоматически переключаться в режим передачи или оставаться в режиме приема в ожидании очередного пакета данных.

Помимо упомянутых микропроцессорного ядра и приемопередатчика, микросхемы EFR32 Wireless Gecko имеют в своем составе блок управления энергопотреблением, схему тактирования, блоки цифровой и аналоговой периферии и пять портов ввода/вывода. Благодаря наличию 12-канальной системы событий (Peripheral Reflex System) периферийные устройства могут обмениваться данными и синхронизироваться без участия процессорного ядра.

Богатый набор периферийных узлов микросхем EFR32 Wireless Gecko, позволяющий подключать различные внешние датчики и взаимодействовать с внешними устройствами, включает в себя:

• АЦП;
• ЦАП;


• два аналоговых компаратора;
• восемь контроллеров прямого доступа к памяти;
• два 16-разрядных таймера/счетчика;
• 32-разрядные часы реального времени и календарь;
• 16-разрядный низкопотребляющий таймер;
• 32-разрядный свехнизкопотребляющий таймер/счетчик;
• сторожевой таймер (Watchdog);
• 16-разрядный счетчик импульсов;
• два универсальных приемопередатчика USART, каждый из которых может выступать в роли UART/SPI/IrDA/I2S;
• низкопотребляющий UART;
• интерфейс I2C с поддержкой SMBus.

Микросхемы EFR32 Wireless Gecko выпускаются в корпусах QFN48 (7×7 мм) и QFN32 (5×5 мм). Пользователю доступно множество вариантов исполнения, отличающихся набором реализуемых протоколов, поддерживаемыми частотными диапазонами, выходной мощностью передатчика и объемом памяти [3–5]. Столь широкая номенклатура дает возможность подобрать оптимальный по соотношению цена/функциональность вариант практически для любой задачи по разработке миниатюрных устройств с батарейным питанием.

Режимы энергопотребления

Микроконтроллеры Wireless Gecko (EFR32) предназначены для использования в батарейных устройствах. Они сочетают высокую производительность с низким энергопотреблением как в рабочих, так и в спящих режимах.
Поддержка режимов пониженного энергопотребления

В таблице 2 приведены значения тока потребления для различных режимов. Значения указаны как для случая использования с DC/DC-преобразователем, так и без него, при напряжении питания 3,3 В. На рис. 2 цветом обозначен режим с наименьшим энергопотреблением, в котором может работать тот или иной блок микросхемы. Например, процессорное ядро может быть задействовано только в полнофункциональном режиме, а сверхнизкопотребляющий таймер/счетчик (Cryotimer) можно использовать во всех режимах, вплоть до EM4 Shutoff.

Микросхемы EFR32 имеют в своей схеме уникальный блок RFSENSE, определяющий наличие несущей в заданном частотном диапазоне. Это позволяет микросхеме находиться в любом из режимов пониженного энергопотребления, переходя в полнофункциональный режим только в случае получения сообщения на определенной частоте.

Ниже приведены основные особенности работы в каждом из режимов энергопотребления.

Полнофункциональный режим (EM0 Active):
процессорное ядро Cortex-M4 исполняет программный код;
беспроводной интерфейс активен;
высокочастотное и низкочастотное дерево синхронизации активны;
вся периферия готова к использованию.

Спящий режим (EM1 Sleep):
процессорное ядро находится в спящем режиме, тактирование ядра отключено;
беспроводной интерфейс, оба дерева синхронизации и вся периферия активны.

Режим «глубокого сна» (EM2 Deep Sleep):
процессорное ядро находится в спящем режиме, тактирование ядра отключено;
беспроводной интерфейс отключен, блок RFSENSE активен;
высокочастотное дерево синхронизации отключено;
низкочастотное дерево синхронизации активно, доступны часы реального времени и календарь, сторожевой таймер, низко­потребляющий UART, низкопотребляющий таймер, счетчик импульсов, сверхнизко­потребляющий таймер/счетчик;
память и регистры сохраняют свои значения.

Режим останова (EM3 Stop):
процессорное ядро находится в спящем режиме, тактирование ядра отключено;
беспроводной интерфейс отключен, блок RFSENSE активен;
высокочастотное и низкочастотное дерево синхронизации отключены;
в случае тактирования от генератора ультранизкой частоты ULFRCO доступны часы реального времени и календарь, сторожевой таймер, сверхнизкопотребляющий таймер/счетчик;
память и регистры сохраняют свои значения.

Режим гибернации (EM4 Hibernate):
процессорное ядро отключено;
беспроводной интерфейс отключен, блок RFSENSE активен;
высокочастотное и низкочастотное дерево синхронизации отключены;
доступны часы реального времени, календарь, сверхнизкопотребляющий таймер/счетчик;
значения памяти и регистров не сохраняются.

Режим отключения (EM4 Shutoff):
процессорное ядро отключено;
беспроводной интерфейс отключен, блок RFSENSE активен;
высокочастотное и низкочастотное дерево синхронизации отключены;
доступен сверхнизкопотребляющий таймер/счетчик;
значения памяти и регистров не сохраняются.

Другим преимуществом микросхем EFR32 является минимальное время перехода из режимов пониженного энергопотребления в полнофункциональный режим (табл. 3). Например, максимальное время пробуждения из режима останова, в котором ток потребления ≤2,8 мкА, не превышает 3 мкс (в случае выполнения кода из оперативной памяти). Данный параметр оказывает существенное влияние на общее энергопотребление устройства и время жизни батареи.

Таким образом, используя оптимальный для конкретных условий эксплуатации режим, можно достичь значительного снижения энергопотребления микросхемы, что является важнейшим фактором в случае разработки устройства с батарейным питанием.