Cele mai recente microcontrolere dispun de caracteristici ce conduc la creşterea duratei de viaţă a bateriilor şi a siguranţei de funcţionare pentru proiectele industriale portabile, explică David Otten şi Joel Machde la Microchip Technology Inc.
Echipamentele portabile industriale, precum cititoarele de cod de bare, înregistratoare de date, sisteme de urmărire, telefoane cu reducere a zgomotului, dispozitive de control pentru motoare mici şi încărcătoare de baterii, au un lucru în comun: combinaţia dintre microcontrolere de ultimă generaţie şi tehnici de proiectare simple pot extinde semnificativ durata de viaţă a bateriilor, pot reduce costurile şi îmbunătăţi performanţele.
Extinderea duratei de viaţă a bateriilor
Una dintre tehnicile cheie în ceea ce priveşte extinderea duratei de viaţă a bateriilor este aceea de a păstra microcontrolerul în modul de funcţionare cu consum energetic cel mai redus posibil pentru perioada cea mai mare de timp posibilă. Figura 1 prezintă cum vitezele de operare ridicate şi timpii reduşi de revenire la funcţionare pot fi combinate pentru a reduce energia medie consumată. Scopul, în acest caz, este ca microcontrolerul să-şi îndeplinească sarcina cât mai repede posibil, astfel încât acesta să petreacă un timp cât mai mare în starea de joasă putere.
Un microcontroler ce suportă operare în mod de joasă tensiune este de asemenea crucial pentru maximizarea duratei de viaţă a bateriilor. Figura 2, reprodusă cu amabilitatea Energizer, prezintă durata de utilizare pentru o baterie tip buton alcalină şi una similară cu litiu într-un înregistrator de date tipic, în care cea mai mare parte a timpului este petrecută în stare de joasă putere, cu reveniri ocazionale la procesarea informaţiei. Graficul arată că, operând la o tensiune mai mică, cei cinci ani de viaţă recomandaţi pentru bateriile alcaline AAAA pot fi extinşi cu o perioadă suplimentară de şase luni.
Creşterea siguranţei de funcţionare
Oscilatorul microcontrolerului are impact asupra multor caracteristici ale sistemului: performanţe, cost, mod de fabricare şi siguranţă de funcţionare. Cele mai recente generaţii de microcontrolere nu numai că operează la viteze mari, dar sunt capabile de a lucra la viteze maxime fără o sursă externă de ceas şi de a furniza o gamă largă de frecvenţe de ceas generate intern. Acest lucru permite software-ului să comute la o frecvenţă mai joasă pentru a rămâne în cadrul specificaţiilor de operare precum căderi de tensiune, sau să crească viteza atunci când este ataşata o sursă de tensiune. Obţinerea unei porniri sigure a cristalului este o altă provocare comună a fabricanţilor. Cauzele pornirilor nesigure includ calitatea variabilă a componentelor, reziduul de flux şi erori în layout.
Multe dintre aceste probleme pot fi evitate, dacă folosim un cristal de înaltă calitate şi este implementat pe un layout cu tehnici de testare, precum test de rezistenţă negativă.
Pentru circuite de joasă frecvenţă în particular, negativarea configurabilă a cristalului poate fi folositoare. Ea permite creşterea negativării pentru asigurarea unei porniri sigure într-o varietate de condiţii, sau scăderea negativării pentru a reduce consumul energetic.
O caracteristică esenţială pentru îmbunătăţirea siguranţei de funcţionare este monitorul de ceas de siguranţă (fail-safe) ce monitorizează continuu tranziţiile de ceas ale sistemului. Atunci când lipsesc câteva tranziţii, monitorul de ceas de siguranţă comută automat sursa de ceas pe oscilatorul intern şi asigură întreruperi pentru CPU.
Aceasta permite ca microcontrolerul să păstreze funcţii critice şi să gestioneze o închidere controlată.
Un alt factor care are impact asupra siguranţei de funcţionare este acela că memoria de date EEPROM de pe placă este adesea înlocuită prin emulare software utilizând memorie Flash, în ciuda faptului că unele aplicaţii necesită încă stocare de date independentă. Noua generaţie de microcontrolere integrează memorie EEPROM de mare rezistenţă, cu până la 100000 de cicluri ştergere/scriere, în timp ce rămâne eficientă economic pentru aplicaţii industriale portabile. Oricum însă, consideraţiile trebuie făcute la gama de tensiuni minimă pentru operaţiile de scriere, care pot fi mai mari decât tensiunea de operare minimă a microcontrolerului, ceea ce limitează plaja de operare efectivă.
Gestionarea zgomotului
Deşi microcontrolere de joasă tensiune pot fi utilizate în aplicaţii ce necesită siguranţă mare în funcţionare, utilizarea unei surse de 5V poate simplifica layout-urile de placă, poate creşte imunitatea la zgomot şi poate îmbunătăţi suportul pentru proiecte succesive. Însă, odată cu restrângerea geometrică, disponibilitatea de noi microcontrolere de 5V s-a micşorat. Ca răspuns la cererea continuă de operaţii la 5V, producătorii de cipuri au dezvoltat noi căi de operare la tensiuni ridicate utilizând geometrii mai mici, mai puţin scumpe.
Pentru a îmbunătăţi şi mai mult imunitatea la zgomot, diferite tipuri de buffere de intrare, utilizate pe pinii porturilor şi perifericelor, suportă diferite funcţii chiar dacă sunt multiplexate pe acelaşi pin. Intrările trigger Schmitt oferă nivele de prag de intrare mai largi decât corespondentele lor TTL şi cresc toleranţa sistemului la zgomot.
Rezistenţa ridicată de comandă a portului este un alt element important de proiectare care se referă la comanda directă a LED-urilor.
Această rezistenţă previne cuplările nedorite sub influenţa circuitelor zgomotoase, precum stabilizatoare de comutaţie şi semnale PWM de mare viteză. Potenţiala contrapartidă pentru zgomot radiat crescut poate fi compensată prin utilizarea unui mic filtru RC pe pinul portului pentru a menţine beneficiile rezistenţei ridicate de comandă.
Un bun exemplu în ceea ce priveşte subiectul acestui articol este debitmetrul prezentat în Figura 3. Unitatea integrată a microcontrolerului pentru măsurarea timpului de încărcare (CTMU) citeşte debitul, temperatura şi suprafaţa tactilă capacitivă. Tensiunea bateriei este monitorizată utilizând un convertor analog/digital diferenţial pe 12 biţi şi o referinţă de tensiune, în vreme ce modulul de revenire de ultra-joasă putere iniţiază reveniri periodice (wake-up). Acest design demonstrează faptul că, utilizând caracteristicile oferite de cele mai recente microcontrolere, se pot obţine proiecte robuste şi de joasă putere, care pot permite atingerea de nivele ridicate de performanţă.
www.microchip.com