Zaloguj
Optymalne zarządzanie poborem prądu jest zawsze jednym z celów, których osiągnięcie zakłada sobie zespół tworzący urządzenie elektroniczne. Powody, dla których jest to istotny cel, jest wiele.
Pobór prądu ma kluczowe znaczenie w urządzeniach, dla których źródłem zasilania jest bateria. Im niższy jest pobór prądu, tym dłużej urządzenie może działać bez konieczności ładowania baterii. Pobór prądu jest również istotny w kontekście emisji ciepła: niższy pobór prądu oznacza mniejszy stopień nagrzania podzespołów elektronicznych, co niekiedy pozwala uniknąć stosowania rozwiązań chłodzących takich jak radiatory czy wentylatory.Pobór prądu warto ograniczać również z powodów ekologicznych. Urządzenia zużywające mniej prądu są bardziej przyjazne środowisku.
W stanie aktywnym mikrokontroler może ograniczyć zużycie prądu głównie przez zmniejszenie swojej wydajności obliczeniowej, co sprowadza się do zredukowania częstotliwości sygnału taktującego CPU, pamięć i peryferia. Ponadto, peryferia mikrokontrolera, które w danej chwili nie są używane mogą zostać wyłączane wraz z dedykowanymi im sygnałami zegarowymi. W stanie nieaktywnym mikrokontroler może przełączyć się w specjalny tryb pracy, który znacznie ogranicza pobór prądu. W trybie tym zarówno praca CPU, jak też wszystkich sygnałów zegarowych i peryferiów jest zatrzymana, a więc kod aplikacji nie jest wykonywany. Układ wychodzi z tego trybu pracy za pomocą przerwania (zewnętrznego lub wewnętrznego), po czym następuje wznowienie wykonywania kodu aplikacji.
Sposoby ograniczenia poboru prądu układu STM8S001J3 w stanie aktywnym
W stanie aktywnym urządzenia układ STM8S001J3 używa trybu RUN, który pozwala na wykonywanie kodu aplikacji i używanie wszystkich zasobów mikrokontrolera bez żadnych ograniczeń. Zgodnie z tym co napisano we wstępnie, mikrokontroler może zmniejszyć pobór prądu przez redukcję częstotliwości sygnału taktującego CPU, pamięć i peryferia. W przypadku układu STM8S001J3 sygnał ten dostarczać może jeden z bloków: HSI (High Speed External) o częstotliwości 16 MHz, HSE (High Speed Internal) o częstotliwości 1..16 MHz lub LSI (Low Speed Internal) o częstotliwości 128 kHz. Jakie zatem dostępne są możliwości redukcji częstotliwości taktowania?
W wypadku używania źródła sygnału zegarowego HSE możliwe jest przełączenie się na źródło sygnału zegarowego HSI lub LSI. W przypadku używania źródła sygnału zegarowego HSI możliwe jest zmodyfikowanie wartości podzielnika HSIDIV w zakresie 1, 2, 4 i 8. Dodatkowo możliwe jest przełączenie się na źródło sygnału zegarowego LSI. W przypadku używania dowolnego źródła sygnału zegarowego (HSE, HSI, LSI) możliwe jest zmodyfikowanie wartości podzielnika CPUDIV w zakresie 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64 i 128.
Dodatkowo, mikrokontroler STM8S001J3 może ograniczyć pobór prądu przez wyłączenie sygnałów zegarowych taktujących peryferia. Jest to mechanizm PCG (Peripheral Clock Gating), który można zastosować dla peryferiów ADC, I2C, AWU, SPI, TIM i UART.
Sposoby ograniczenia poboru prądu układu STM8S001J3 w stanie nieaktywnym
Kolejne korzyści pod względem poboru prądu mikrokontroler STM8S001J3 uzyskać może w stanie nieaktywnym. Dostępne są trzy dedykowane tryby pracy: WAIT, HALT oraz ACTIVE HALT.
Mikrokontroler STM8S001J3 przechodzi z trybu RUN do trybu WAIT poprzez wykonanie instrukcji WFI (Wait For Interrupt). W efekcie praca CPU zostaje zatrzymana przy jednoczesnej możliwości dalszego działania peryferiów. Zawartość rejestrów oraz pamięci SRAM jest podtrzymana. Mikrokontroler powraca do trybu RUN na skutek przerwania wewnętrznego lub zewnętrznego.
- skonfigurowanego jako linia GPIO (General Purpose Input Output) wytwarzająca przerwanie,
- lub skonfigurowanego jako linia AF (Alternate Function) a więc peryferium (np. UART) wytwarzające przerwanie.
W oparciu o tryb pracy HALT powstał dodatkowo tryb ACTIVE HALT. Tryby te różnią się od siebie jedną rzeczą. Wybudzenie mikrokontrolera z trybu ACTIVE HALT następuje nie tylko na skutek przerwania zewnętrznego, ale też wewnętrznego, którego źródłem jest blok AWU (Auto Wake-Up timer). AWU jest prostym układem licznikowym, który odmierza czas. Jego schemat blokowy pokazano na rysunku 3. Źródłem sygnału taktującego AWU może być albo zegar LSI, albo HSE. W przypadku LSI częstotliwość sygnału to 128 kHz. W przypadku HSE jest to częstotliwość z zakresu 1..16 MHz, przy czym podzielnik bloku AWU redukuje tą wartość do 128 kHz. Oba sygnały (LSI lub zredukowany HSE) podawane są na wejście multipleksera, który wybiera jeden z nich do taktowania AWU. Sygnał na wyjściu multipleksera opcjonalnie może zostać zmierzony przez układ licznikowy TIM1, co w efekcie pozwala na zwiększenie dokładności AWU. Jednocześnie sygnał ten podawany jest na 6-bitowy podzielnik, za którym znajdują się liczniki zliczające impulsy. Wartości liczników porównywane są z wybranym interwałem tworzącym podstawę czasu wybudzania mikrokontrolera. Zakres możliwych do wybrania interwałów to 15 µs…31 s. Gdy na skutek zliczania impulsów sygnału taktującego wartość licznika osiągnie wartość odpowiadającą wybranemu interwałowi czasu, generowane jest przerwanie i następuje wybudzenie mikrokontrolera.
We wszystkich trybach HALT (HALT, SLOW ACTIVE HALT, FAST ACTIVE HALT) istnieje możliwość ustawienia pamięci Flash w jeden z dwóch trybów: ON lub OFF (Power-down). Podobnie jak w przypadku sterowania regulatorem, konfiguracja pamięci Flash wpływa na czas wybudzenia mikrokontrolera i jego pobór prądu. Pamięć Flash w trybie ON skutkuje krótszym czasem wybudzenia, ale wyższym poborem prądu. Efekt ustawienia pamięci Flash w tryb OFF jest odwrotny.
Aby w prosty sposób obniżyć pobór prądu mikrokontrolera STM8S001J3, warto w aplikacji użyć bibliotek SPL (Standard Peripheral Library) przygotowanych dla mikrokontrolerów z rodziny STM8S. Funkcje przydatne do kontroli bloku zegarowego zostały wymienione i szczegółowo opisane w artykule zamieszczonym w EP 3/2018. Funkcje dedykowane do sterowania układem licznikowym AWU i pamięcią Flash udostępniają odpowiednio pliki stm8s_awu.h i stm8s_awu.c oraz stm8s_flash.h i stm8s_flash.c. Zestawienie najważniejszych funkcji zaprezentowano w tabeli 3.
Przykładowa aplikacja z trybem HALT i ACTIVE HALT
W celu wykonania przykładowej aplikacji użyte zostało środowisko programistyczne STVD (ST Visual Develop) oraz kompilator Cosmic CXSTM8. Opis tych narzędzi, jak również instrukcja jak stworzyć za ich pomocą szablon nowego projektu wraz z dodaniem bibliotek SPL dostępne są w artykule numer 3 z tej serii (EP 2/2018). Korzystając ze wspomnianego szablonu projektu należy edytować kod pliku main.c, w którym umieszczony zostanie kod aplikacji.
Pierwsza przykładowa aplikacja wykorzystuje tryb pracy HALT. Na potrzeby wyjścia z tego trybu i powrotu do trybu RUN port PC3 skonfigurowano w tryb wejściowy z możliwością generowania przerwania. Po wybudzeniu mikrokontroler zmieni stan portu PA3 włączając tym samym diodę LED. W celu zaimplementowania opisanej aplikacji wykonane zostaną następujące kroki w pliku main.c:
- Na początku aplikacji wywołana zostanie funkcja opóźniająca, co przeciwdziała przez kilka sekund ewentualnemu późniejszemu wyłączeniu interfejsu programowania i debugowania SWIM będącemu efektem rekonfiguracji portów.
- Wykonany zostanie kod konfiguracji portów wejścia/wyjścia, które nie są poł?czone z?wyprowadzeniami mikrokontrolera (kod wzi?ty z?noty aplikacyjnej AN5047: ączone z wyprowadzeniami mikrokontrolera (kod wzięty z noty aplikacyjnej AN5047: Getting started with the STM8S001J3 microcontroller).
- Wywołana zostanie funkcja GPIO_Init() w celu skonfigurowania portu PC3 jako wejście (z możliwością generowania przerwania) oraz portu PA3 jako wyjście.
- Wywołana zostanie funkcja EXTI_SetExtIntSensitivity() ustawiająca aktywne zbocze dla przerwania.
- Wywołana zostanie funkcja FLASH_SetLowPowerMode() ustawiająca pamięć Flash w tryb Power-down.
- Wywołana zostanie funkcja enableInterrupts() włączająca przerwania.
- Wywołana zostanie funkcja halt() skutkująca w zmianie trybu pracy mikrokontrolera z RUN na HALT.
- Po wybudzeniu mikrokontrolera (np. przez wciśnięcie przycisku dołączonego do pinu PC3): wywołana zostanie funkcja GPIO_WriteHigh(), która włączy diodę LED dołączoną do pinu PA3.
Kod zgodny z zaprezentowanym opisem pokazano na listingu 1.
Druga aplikacja wykorzystuje tryb pracy ACTIVE HALT. W zaprezentowanym przykładzie układ licznikowy AWU wybudzi mikrokontroler z trybu ACIVE HALT po 12 sekundach. Analogicznie do poprzedniej aplikacji, tutaj również po wybudzeniu port PA3 zmieni stan diody LED. W celu zaimplementowania opisanej aplikacji wykonane zostaną następujące kroki w pliku main.c:
- Zostanie utworzona funkcja opóźniająca delay().
- Na początku aplikacji wywołana zostanie funkcja opóźniająca, co przeciwdziała przez kilka sekund ewentualnemu późniejszemu wyłączeniu interfejsu programowania i debugowania SWIM będącemu efektem rekonfiguracji portów.
- Wykonany zostanie kod konfiguracji portów wejścia/wyjścia, które nie są poł?czone z?wyprowadzeniami mikrokontrolera (kod wzi?ty z?noty aplikacyjnej AN5047: ączone z wyprowadzeniami mikrokontrolera (kod wzięty z noty aplikacyjnej AN5047: Getting started with the STM8S001J3 microcontroller).
- Wywołana zostanie funkcja GPIO_Init() w celu skonfigurowania portu PA3 jako wyjście.
- Wywołana zostanie funkcja FLASH_SetLowPowerMode() ustawiająca pamięć Flash w tryb Power-down.
- Ustawiony zostanie bit SWUAH w rejestrze ICKR w celu wyłączenia regulatora napięcia w trybie ACTIVE HALT.
- Wywołana zostanie funkcja AWU_DeInit() w celu domyślnego skonfigurowania układu licznikowego AWU.
- Wywołana zostanie funkcja AWU_Init() w celu ustawienia 12-sekundowego interwału wybudzania mikrokontrolera przez układ licznikowy AWU.
- Wywołana zostanie funkcja AWU_Cmd() włączająca układ licznikowy AWU.
- Wywołana zostanie funkcja enableInterrupts() włączająca przerwania.
- Wywołana zostanie funkcja halt() skutkująca w zmianie trybu pracy mikrokontrolera z RUN na ACIVE HALT.
- Po wybudzeniu mikrokontrolera: wywołana zostanie funkcja GPIO_WriteHigh(), która włączy diodę LED.
Kod zgodny z zaprezentowanym opisem pokazano na listingu 2.
Podsumowanie
W artykule przekazano informacje o rozwiązaniach pozwalających obniżyć pobór prądu układu STM8S001J3. W stanie aktywnym urządzenia mikrokontroler wykorzystuje tryb RUN i może obniżyć pobór prądu kosztem wydajności obliczeniowej (niższa częstotliwość sygnału taktującego) i poprzez wyłączanie sygnałów zegarowych dla peryferiów. Z kolei w stanie nieaktywnym mikrokontroler może wejść w tryb WAIT, HALT lub ACTIVE HALT. Ponadto w trybie HALT i ACTIVE HALT możliwe jest wyłączenie pamięci Flash, a tryb ACTIVE HALT może dodatkowo sterować regulatorem napięcia. Opis wszystkich zaprezentowanych rozwiązań uzupełniono o przykładowe aplikacje.
Osoby chcące dowiedzieć się bardziej szczegółowych informacji powinny sięgnąć do dokumentacji technicznej producenta. Krótki opis trybów pracy mikrokontrolera, układu licznikowego AWU oraz dane odnośnie pobieranego prądu i czasu wybudzenia można znaleźć w nocie katalogowej mikrokontrolera (datasheet). Z kolei schematy oraz szczegółowy opis wszystkich funkcjonalności i rejestrów wymienionych zasobów znajdują się w podręczniku użytkownika mikrokontrolera (user manual RM0016). Dodatkowo aplikacja testowa dostępna jest w dedykowanym podkatalogu bibliotek SPL: …STM8S_StdPeriph_LibProjectSTM8S_StdPeriph_ExamplesAWU.
Szymon Panecki
szymon.panecki@st.com
