Аналіз методів зниження споживання енергії та моделювання енергетичного профілю мікроконтролерних пристроїв

Автор: та

Анотація: Досліджені методи зниження споживання енергії та підвищення енергоефективності електронних пристроїв у вбудованих системах.

Бібліографічний опис статті:

та . Аналіз методів зниження споживання енергії та моделювання енергетичного профілю мікроконтролерних пристроїв//Наука онлайн: Міжнародний електронний науковий журнал - 2020. - №12. - https://nauka-online.com/publications/technical-sciences/2020/12/analiz-metodiv-znizhennya-spozhivannya-energiyi-ta-modelyuvannya-energetichnogo-profilyu-mikrokontrolernih-pristroyiv/

Стаття опублікована у: : Наука Онлайн No12 декабрь 2020

Технічні науки

УДК 53.087

Новоселов Сергій Павлович

кандидат технічних наук, доцент,

професор кафедри КІТАМ

Харківський національний університет радіоелектроніки

Моцний Валерій Олегович

студент

Харківського національного університету радіоелектроніки

АНАЛІЗ МЕТОДІВ ЗНИЖЕННЯ СПОЖИВАННЯ ЕНЕРГІЇ ТА МОДЕЛЮВАННЯ ЕНЕРГЕТИЧНОГО ПРОФІЛЮ МІКРОКОНТРОЛЕРНИХ ПРИСТРОЇВ

Анотація. Досліджені методи зниження споживання енергії та підвищення енергоефективності електронних пристроїв у вбудованих системах.

Ключові слова: моделювання, енергоефективність,  мікроконтролерний засіб, STM32CubeIDE.

Вступ. Вузли бездротової мережі вбудованих систем здатні ретранслювати повідомлення по віртуальному ланцюгу, забезпечуючи значну площу покриття системи при малій потужності передавачів і, отже, істотної економії енергії.

В більшості пристроїв використовуються досить прості профілі конфігурування, що не передбачають оптимального використання ресурсів пристрою з точки зору споживання енергії джерела живлення. Для пристроїв з автономним живленням відключення кожного зайвого мікроампера може суттєво подовжити час автономної роботи.

Виконаний аналіз показав, що існують наступні поширені методи зниження споживання енергії:

  • використання енергозберігаючої серії пристроїв;
  • відключення периферії мікроконтролера, що не використовується;
  • перевід пристрою до режиму сну зі зниженням споживання енергії.

1.    Вибір типу мікроконтролеру для енергоефективного пристрою

Для обирання енергозберігаючої серії пристроїв потрібно визначити сімейство мікроконтролерів з можливістю реалізації економії енергії. Наразі широко використовуються два типи пристрої: контролери Arduino, контролери STM32.

В результаті попереднього аналізу було прийняте рішення використовувати мікроконтролери сімейства STM32L, що дозволяє досягти ультранизького енергоспоживання [1]. Сім режимів енергозбереження спільно з гнучкою системою тактування і живлення ядра дозволяють знизити споживання енергії до 10,5 мкА при активному ядрі і менш 270 нА в режимі глибокого сну, коли відключене живлення практично всіх модулів мікроконтролера, але зберігається можливість виходу з режиму по настанню зовнішніх подій. Лінійка STM32L об’єднує в собі накопичений досвід компанії STMicroelectronics в розробці платформ з ультранизьким енергоспоживанням, щільністю коду і продуктивністю ядра ARM Cortex-M3.

2.    Вибір інструменту для моделювання

Для моделювання роботи мікрконтролерного пристрою було обрано інтегроване середовище STM32CubeIDE. Даний інструмент є сучасної розробкою фірми STM та поєднує дві популярних програми: CubeMX та Atollic TrueStudio.

STM32CubeIDE – перша інтегрована середовище розробки від ST, яка дає можливість попередньо конфігурувати проект, налаштувати периферію і тактування мікроконтролера, згенерувати код ініціалізації і провести компіляцію коду. Також STM32CubeIDE володіє просунутим набором інструментів для налагодження та моделювання роботи мікрокнтролерного засобу. Як було зазначено раніш, дана платформа, створена на базі Atollic TrueStudio для STM32 і STM32CubeMX, об’єднує їх сильні сторони, поєднуючи в собі потужний функціонал першої та зручні та практичні утиліти другий. Додаткові можливості для налагодження містять: перегляд регістрів периферії, ядра і пам’яті; системний аналіз і відстеження в реальному часі (SWV); інструменти, що дозволяють проводити аналіз роботи мікроконтролера.

За допомогою інтегрованого середовища STM32CubeIDE виконаємо моделювання енергозберігаючого профілю роботи IoT модуля в основі якого буде закладений мікроконтролер STM32L031. На рисунку 1 показано зовнішній вигляд демонстраційної плати NUCLEO-L031, яка має в своему складі вищевказаний контролер.

Рис. 1. Демонстраційна плата NUCLEOL031

Інтегрований STM32CubeMX дозволяє [7]: здійснити вибір мікроконтролера STM32; налаштувати тактуваня, периферію або додаткове програмне забезпечення; створити проект і згенерувати код ініціалізації.

Додаткові можливості для налагодження містять:

  • перегляд регістрів периферії, ядра і пам’яті;
  • системний аналіз і відстеження в реальному часі (SWV);
  • інструменти, що дозволяють проводити аналіз помилок процесора.

В програмі реалізована підтримка ST-LINK і J-Link, є імпорт проекту з Atollic® TrueSTUDIO® і AC6 System Workbench STM32. Також реалізована кросплатформеність: Windows, Linux і macOS.

  1. Моделювання енергетичного профілю мікроконтролерних пристроїв

Для початку моделювання порубано обрати джерело автономного живлення. За допомогою вбудованого інтерфейсу настроювання програми обираємо літієву батарею напругою 3,6В типу Li-SOCL2 розміру AAA700.

На рисунку 2 наведено інформаційний звіт, що надається програмою при обиранні джерела живлення.

Рис. 2. Інформаційний звіт, що надається програмою при обиранні джерела живлення

Після запуску процесу моделювання ми отримали графік розподілу споживання енергії в часі. На рисунку 3 наведено приклад сформованого графіку.

Рис. 3. Графік розподілу споживання енергії в часі

Як можна бачити з наведеного рисунку, контролер буде знаходитись в режимі сну більшість часу – 900 мс. Споживання енергії в даний період буде на рівні 380нА. Також в результаті моделювання ми отримали прогноз щодо часу роботи пристрою від одного джерела живлення напругою 3,6В потужністю 700мАч. Як можна бачити з рисунку 3 такий час склав один місяць та 26 діб. При цьому середнє споживання енергії склало 510мкА.

На рисунку 4 наведено більш інформативне вікно з даними про частоту роботи ядра контролеру, температуру, при якої проводилось моделювання, та додатковими параметрами, шо властиві перехідним процесам при пробудженні пристрою.   

Рис. 4. Звіт з додатковим даними про умови моделювання

Висновки. В даній роботі було виконане моделювання енергетичного профілю роботи мікроконтролерного модуля NUCLEO-L031. Для моделювання було обрано інтегроване середовище STM32CubeIDE. Було задано реальний сценарій роботи для перевірки очікуваного рівня споживання енергії від батареї потужністю 700мАч. Моделювання показало, що запропонований сценарій та використання обраних методів зберігання енергії дало змогу працювати пристрою від батареї один місяць та 26 діб. При цьому середнє споживання енергії склало 510мкА.

Література

  1. Автономное питание? – выбираем STM32L. Електрон. текстові дані. URL: https://www.compel.ru/lib/53956#rlcje – 01.10.2020 р.
  2. Integrated Development Environment for STM32. Електрон. текстові дані. URL: https://www.st.com/en/development-tools/stm32cubeide.html  – 11.10.2020 р.

Перегляди: 359

Коментарі закрито.

To comment on the article - you need to download the candidate degree and / or doctor of Science

Підготуйте

наукову статтю на актуальну тему, відповідно до роздлів журналу

Відправте

наукову статтю на e-mail: editor@inter-nauka.com

Читайте

Вашу статтю на сайті нашого журналу та отримайте сертифікат