Юрий Ревич - Занимательная микроэлектроника

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.

Потому мы здесь будем рассматривать его модификацию под названием Standbye. В этом режиме выключается все, кроме тактового генератора, что несколько повышает потребление (до десятков микроампер), зато вывод из «сна» занимает всего 6 машинных тактов. Так как Standbye имеется не во всех AVR семейства Mega, а в семействах Classic и Tuny его нет вообще, то для этих МК можно без переделок задавать обычный режим Power Down, не забывая только, что пробуждение тогда может длиться до более чем 10 мс (это важно, например, если МК управляется случайными сигналами и промежуток между ними может быть короче времени «пробуждения» — сигнал попросту потеряется).

Внешние прерывания, которыми можно вывести МК из режима Standbye, — это прерывания INTO, INTI и INT2 (если последнее имеется в данной модели). Однако сначала требуется тщательно изучить их режимы, т. к. они делятся на синхронные и асинхронные. Мы уже знаем из главы 12 , что синхронные прерывания — это те, которые обнаруживаются лишь в момент прихода фронта тактового импульса. Их преимущество в практически мгновенном обнаружении сигнала на прерывание, но в режиме «сна», когда тактовые сигналы отключены, они, естественно, не могут быть обнаружены. К синхронным относятся прерывания по фронту и по спаду INTO и INT1. Режим прерывания по низкому уровню асинхронный, потому он пригоден для «пробуждения» МК. Кроме этого, очень удобно, если МК поддерживает прерывание INT2, поскольку оно имеет режимы только по фронту или по спаду, которые обнаруживаются асинхронно, в отличие от INTO и INT1 (из основных представителей семейства Mega INT2 нет только у ATmega8).

Очень важный момент здесь — ответ на вопрос: а что, собственно, будет делать МК, если его «разбудить» по прерыванию? Если это происходит в результате сброса (от любого источника), то выполняется, естественно, процедура начальной загрузки, как при включении питания. А «разбуженный» внешним прерыванием контроллер сделает совсем другое: в первую очередь он выполнит процедуру прерывания, которое его разбудило, а после этого перейдет к выполнению команды, следующей после sleep, на которой выполнение программы было прервано уходом в состояние «сна». Такая определенность очень важна. Хочу обратить также внимание, что команда sleepигнорируется, если она расположена внутри обработчика прерывания, она допустима лишь в тексте основной программы. Этот момент в фирменных руководствах явно не прописан, потому обратите на него особое внимание.

Покажем возможную схему действий на примере нашего измерителя температуры и давления из главы 15 (без часов и записи в память). Схема его была приведена на рис. 15.2, и мы помним, что там не показана индикация (она такая же, как у часов на рис. 14.2, только используются другие разряды портов). В принципе можно было бы использовать ЖК-индикаторы, и тогда срок службы батарей сильно увеличивается (и их количество можно уменьшить, см. далее), но это потребует заметного изменения системы управления индикаторами (на ЖК, напомню, надо подавать переменное напряжение). К тому же подобрать удобный и эстетичный ЖК-индикатор для нашей конкретной цели — тоже отдельная и непростая задача. Чтобы не уходить в сторону от темы, я решил не останавливаться на этом вопросе: оставим LED-индикаторы, как более яркую иллюстрацию особенностей программирования режима энергосбережения.