Юрий Ревич - Занимательная микроэлектроника

Глупо тратить энергию только на поддержание работоспособности МК: как и ПК, основное время современные контроллеры тратят на ожидание прерывания или внешних команд. Даже самая громоздкая процедура (не считая медленных по самому принципу действия алгоритмов передачи данных к внешним устройствам и записи в EEPROM), состоящая, к примеру, из тысячи команд процессора, будет выполнена в МК с весьма невысокой тактовой частотой 4 МГц примерно за треть миллисекунды, а то и быстрее. Остальное время контроллер будет простаивать, но потреблять практически столько же, сколько в рабочем режиме. Хочется придумать механизм, который бы позволял «будить» процессор только тогда, когда это требуется. Оказывается, это очень непросто.

Потребляет типичный микроконтроллерный прибор немного: даже с самосветящимися LED-индикаторами наш измеритель температуры и давления тратит не более нескольких ватт, из которых на долю контроллера приходятся лишь доли ватта. Оставшееся расходуется на индикацию и при желании это потребление можно предельно снизить, если использовать ЖК-индикаторы. Потому к таким устройствам не придерется даже самый упертый «зеленый» (в отличие от процессоров для ПК с их гигагерцевыми частотами, часто совсем неоправданными).

И на практике режимы энергосбережения в большинстве случаев целесообразны только тогда, когда ваша схема работает от автономного источника. Посчитайте: типичный AVR семейства Mega потребляет около 15 мА при напряжении питания 5 В. Таким образом, щелочные батарейки самого распространенного для таких устройств типа АА (см. Приложение 2 ) при емкости примерно 2000 мА ч проработают всего 133 часа или чуть больше 5,5 суток — это не считая потребления внешних устройств.

При использовании режима энергосбережения следует очень тщательно продумывать и схему, и саму процедуру перехода в этот режим. Может случиться, что какие-то внешние устройства у вас потребляют больше, чем сам контроллер, тогда все ваши усилия пойдут насмарку. Например, в схеме часов из главы 14 (там энергосбережение нецелесообразно, но я использую его схему, как наглядный пример) разряды порта D и В управляют транзисторными ключами. Если мы введем МК в режим энергосбережения, то процессор остановится, но состояния портов останутся такими, какими они были к моменту остановки. И если вдруг они случайно оказались в состоянии высокого уровня, то на каждый вывод придется немного менее чем по 1 мА вытекающего тока. При всех включенных выводах это около 10 мА, что сравнимо с потреблением самого контроллера. Какое уж тут энергосбережение…

В контроллерах AVR доступны несколько разных режимов энергосбережения (до пяти). Все они вызываются единой командой sleep, а результат ее выполнения различается в зависимости от предварительных установок. Интересно, что фирменное описание рекомендует производить установки и разрешать режим «сна» непосредственно перед подачей команды sleep— иначе МК, по словам разработчиков, может уйти в «сон» самопроизвольно. Это неудобно, но придется такой рекомендации следовать.

Что касается самих режимов, то принципиально отличаются от остальных лишь режим Idle (ждущий) и ADC Noise reduction. В первом из них отключение касается лишь центрального процессора, а все остальные устройства продолжают функционировать. При этом потребление микросхемы уменьшается всего лишь на треть, и на фоне общего расхода энергии всей схемы с учетом внешних устройств такая экономия теряется. Режим Idle удобен тем, что «просыпание» происходит мгновенно по любому прерыванию. В режиме ADC Noise reduction (подавления шумов АЦП — мы его не задействовали), кроме отключения процессорного ядра, отключаются также порты ввода/ вывода, в остальном он аналогичен Idle. Его используют только по прямому назначению, т. к. питание также практически не экономится, а выводить МК из этого режима сложнее, чем в случае Idle.

С точки зрения энергосбережения более интересны остальные режимы, которые не очень сильно отличаются друг от друга. Во всех моделях AVR без исключения имеется наиболее универсальный режим Power Down, при котором отключаются все внутренние тактовые сигналы. Потребление МК при этом снижается до нескольких микроампер. Вывести МК из такого состояния можно лишь внешним прерыванием (и то не всяким, о чем далее) или сбросом, т. е. выключением/включением питания, подачей внешнего сигнала Reset или сигналом от сторожевого таймера (последним мы займемся в конце этой главы). Вывод из состояния «сна» в режиме Power Down занимает довольно много времени, и это время еще требуется контролировать с помощью конфигурационных битов.