Маломощные микроконтроллеры C8051F96x для построения эффективных счетчиков газа и воды
О дним из направлений
использования электронных и газовых счетчиков являются встроенные системы
мониторинга с радиочастотной совместимостью. В то же время, это направление
является одним из самых неудобных среди систем с низким питанием, потому что
для таких применений необходимо питание от батареи (т. к. электросеть
переменного тока не подводится к счетчикам воды или газа). Ожидаемый срок
эксплуатации батареи для таких систем превышает 20 лет. Это требование
объясняется тем, что часто вызов технолога обойдется дороже стоимости самого
счетчика. Поэтому практически во всех счетчиках воды и газа используются
литий-тионилхлоридные батареи (LiSOCL2). Однако у этих батарей есть
существенный недостаток — их дороговизна (1.5 $/A-ч).
Многие поставщики
"интеллектуальных счетчиков" разбивают свою продукцию по
коммуникационным диапазонам. В их системах фиксированное число счетчиков
посылает информацию об использовании и затратах транслятору, вмонтированному в
стоечную опору через суб-ГГц радиосеть. Транслятор собирает информацию и передает
ее обратно коммунальной организации через сотовый сетевой модем или канал
обратного транзита. Один репитер может поддерживать примерно 1000 узловых
счетчиков. Однако сто и мость репитера может быть в 10–100 раз больше, чем
стоимость одного счетчика. Поставщики счетчиков часто сталкиваются с
требованием заказчиков уменьшить число репитеров в заданной сети. Это можно
достигнуть улучшением надежности звена передачи.
Существует
множество способов экономии питания передатчика. Наиболее очевидным решением
является увеличение выходной мощности передатчика за счет использования
усилителя мощности (УМ). Это выгодно, если говорить о сроке эксплуатации
батареи. Другим вариантом является улучшение протокола для минимизации числа
пропущенных сообщений и последующих ретрансляций. Хотя этот метод и будет
уступать по мощности подходу с УМ, но такая технология на 40 % лучше
существующих решений по экономии питания.
При переработке
конструкции интеллектуального счетчика необходимо учитывать три требования:
установить на 40 % большую мощность
передатчика, чтобы увеличить дальность связи;
сохранить существующий размер и емкость
(3650 мА-ч) батареи LiSOCl 2 ;
сохранить существующий срок службы батареи
(20 лет).
Стратегия
очевидна: увеличить мощность ТХ, не увеличивая общей мощности устройства.
Однако это отразится на других функциях: приеме сигнала, ресурсах активного
режима и режиме сна. На рисунке ниже слева показан стандартный ресурс мощности,
на правом — целевой ресурс после изменения дизайна интеллектуального счетчика:
Диаграммы
стандартного бюджета мощности (а) и целевого ресурса
Диаграммы
стандартного бюджета мощности (а) и целевого ресурса мощности для
"смарт" счетчика (б)
Семейство
микроконтроллеров C8051F96x
Семейство
микроконтроллеров C8051F96x — это маломощное, современное решение для
встроенных систем с высокой чувствительноостью, используемое устройствами,
питаемыми от батарей, и устройствами с электроэнергией, полученной экологически
чистым методом. C8051F96x может работать совместно с приемопередатчиком
EZRadioPRO®
Silicon Labs в суб-ГГц
диапазоне.
Направления
применения микроконтроллеров C8051F96x:
системы безопасности;
детекторы дыма;
датчики температуры и системы давления;
датчики движения;
контроль "утилит";
счетчики.
Уникальной
особенностью микроконтроллеров C8051F96x является наличие встроенного
управляющего DC-DC преобразователя, который преобразовывает напряжения
эффективнее, чем линейный стабилизатор напряжения, не влияя на
производительность системы.
Сравнение КПД
традиционных микроконтроллеров и усовершенствованных С8051F960 показано на
следующем рисунке:
Сравнение кПД
традиционных микроконтроллеров и C8051F896x
Сравнение КПД
традиционных микроконтроллеров и C8051F896x
Используя этот
метод, мы можем существенно уменьшить ресурс питания для приемника:
Другими словами,
потребляемый от батареи ток радиоприемника составляет 62.5 % от того, что
использовал бы понижающий DC-DC преобразователь (в отличие от использования
просто LDO).
Основные
характеристики семейства микроконтроллеров C8051F96x приведены в следуюей
таблице, а блок-схема — на рисунке.
Основные
характеристики C8051F96x
Количество
входов/выходов 57
Диапазон
напряжений питания, В 1, 8...3, 8
Типы
поддерживаемых интерфейсов SMBus™ (совместимый с I2C™), 2 x
SPI™, UART
Количество и
разрядность таймеров 4
16-битных таймера общего назначения
Объемы встроенной
Flash-памяти, Кбайт 128, 64, 32, 16
Объем RAM-памяти,
Кбайт До 8
Тип и разрядность
АЦП 10-битный ksps(тысяч выборок
в сек) или 12-битный 16-канальный 75 ksps с одним выходом
Маломощное
питание @ 3, 6 В Ультранизкое
питание в активном режиме: 110 мкА/МГц, разрешен режим DC-DC
Ток в режиме сна:
110 нА с сохранением энергии, разрешен режима контроля сигнала сброса при
включении питания (POR)
Ток в режиме сна
с RTC: 400 нА (внутренний LFO)
Ток в режиме сна
с RTC: 700 нА (внешний XTAL)
Температура
эксплуатации, °C –40...+85
Типы
поддерживаемых корпусов 76-DQFN (6
? 6 мм),
40-QFN (6 ? 6 мм),
80-QFP (12 ? 12 мм)
Другие
характеристики Высокоскоростное
совместимое с 8051 ядро (до 25 миллионов команд за сек)
Встроенный
высокоскоростной неинтрузивный (работающий без сбоев) интерфейсный отладчик
16 внешних
аналоговых входов
4 внутренних
аналоговых входа
6-битное
программируемое значение тока
Прецизионный
программируемый внутренний генератор на 24 МГц с технологией широкополосного
спектра
Аппаратное
обеспечение: AES, DMA и счетчик импульсов
Ультранизкая
мощность @ 3, 6 В
Два компаратора с
низким током
Наличие
встроенного управляющего DC-DC преобразователя
конфигурация
микроконтроллеров семейства C8051F96x
Конфигурация
микроконтроллеров семейства C8051F96x
Основные задачи,
для решения которых были разработаны микроконтроллеры C8051F96x:
уменьшение времени активного режима;
уменьшение мощности режима бездействия;
улучшение КПД при передаче энергии от
батареи к системе.
Рассмотрим, каким
образом они были реализованы.
Уменьшение
времени работы в активном режиме
Основными
функциями по контролю за потреблением мощности для счетчиков газа или воды
являются:
проверка положения герконового реле (20 раз
в секунду) для вычисления потока;
формирование каждые 15 секунд пакета
радиоинформации и ее передача на радиопередатчик.
Для уменьшения
потребления питания и времени работы в активном режиме у микроконтроллеров
C8051F896x можно выделить такие функции:
AES (Advanced Encryption Standard —
симметричный алгоритм блочного шифрования) модулей аппаратного
шифрования/дешифрования, быстродействие которого в 500 раз выше, чем та-же
функция в программном обеспечении;
аппаратная реализация для циклического
избыточного кода (Cyclic Redundancy Code), позволяющая генерировать CRC за
такое-же время, как и в программном обеспечении;
Аппаратная реализация "Манчестерский
кодер и декодер 3 из 6" для спецификации М-Bus, обеспечивающая линейные
переходы напряжения прямо пропорционально частоте и помогающая восстановить
импульс. Использование этого периферийного модуля значительно повышает
эффективность кодирования информации;
прямой доступ к памяти (DMA — Direct Memory
Access), позволяющий микроконтроллеру осуществить полный цикл обмена данными
без задействования микропроцессора;
маломощный счетчик импульсов, выполняющий
функцию счета импульсов в спящем режиме.
Уменьшение
времени работы в спящем режиме
Часто счетчики,
которые питаются от батарей, находятся в спящем состоянии на протяжении 99, 9 %
времени. Поэтому очень важно иметь как можно меньшее потребление мощности в
спящем режиме. Для этих целей в микроконтроллере Silabs организованы такие
решения:
Оптимизированный расход мощности для часов
реального времени (RTC, Real Time Clock). Блок RTC имеет на 15 % меньшую
мощность, чем предыдущая разработка и на 40 % меньшую, чем наилучший
микроконтроллер. Другими словами, данные RTC обладают самой низкой мощностью в
мире!
Низкочастотный внутренний генератор (LFO) —
опция для RTC. Он используется для дальнейшего снижения уровня тока в спящем
режиме. Данный генератор может периодически переключаться в режим резонатора.
Ультразникочастотный ЖКИ. Включает в себя
32 4-сегментных ЖКИ-контроллера.
Увеличение КПД
при преобразовании напряжения
Для увеличения
производительности и уменьшения требований по питанию для КМОП-микросхем,
разработчики чипов применяют минимизацию геометрии устройств для построения
интегральных микросхем. Нет ничего удивительного в том, что встроенные
процессоры и РЧ-приемопередатчик сделаны в геометриях 0.18 мкм, 0.13 мкм или
даже 0.09 мкм.
Одним из способов
уменьшения потребляемой мощности является уменьшения внутреннего рабочего
напряжения:
I (импульсные
потери) = С (канала) * V ( канала) *
частота.
Даже если
батарея, поддерживающая устройство, имеет конечное напряжение 3.6 В, само
устройство будет работать со значительно меньшим внутренним напряжением.
Практически каждое рыночное устройство включает в себя внутренние встроенные
линейные стабилизаторы напряжения (LDO). Поэтому, имея входное напряжение 3.6 В
и используя линейный стабилизатор с выходом 1.8 В, мы получаем 50 % КПД при
преобразовании. Очевидно, что КПД становится меньше при уменьшении выходного
напряжения.
Более
современные встроенные контроллеры, такие как C8051F960, имеют встроенные
импульсные регуляторы с эффективностью, значительно большей, чем их аналоги —
стабилизаторы с низким падением напряжения. Во многих случаях, эти устройства
имеют КПД преобразования более чем 85 %. Такой высокий КПД способствует
уменьшению общего тока питания от батареи и увеличивает срок ее эксплуатации.
Посетители также читают:
CortexM от NXP – переход к универсальной архитектуре проектирования систем на микроконтроллерах