DAQ (parte 4) – Power management e bus interface

Pubblicato il 12 maggio 2014

Nei sistemi DAQ la gestione dell’energia è un fattore di design che il progettista deve tener conto in accordo alla sua applicazione. In particolare, è indispensabile per prolungare la durata della batteria nei sistemi embedded portatili, ridurre i requisiti di raffreddamento, il rumore e i costi operativi. Il trasferimento di dati tra vari stadi e/o dispositivi elettronici è un ulteriore problema di design, noto come bus di sistema.

Power Management

Il consumo energetico di un componente elettronico in tecnologia CMOS è dovuto principalmente da 3 contributi:

  • consumo energetico dovuto alla carica e scarica delle capacità di uscita;
  • correnti di polarizzazione inversa;
  • correnti di corto circuito durante le commutazioni.

I parametri su cui intervenire, quindi, per proporre una riduzione del consumo energetico sono la frequenza e la tensione di lavoro.

Considerando che la maggior parte del consumo dei sistemi CMOS è dovuto anche alla commutazione dei circuiti, è utile considerare la possibilità di evitare l’innesco del clock per componenti che non sono coinvolti della commutazione.

figura1

Fig. 1 – Progressione della gestione del clock

La gestione dell’energia elettrica è fondamentale in applicazioni alimentate a batteria. Differenze di microampere possono tradursi in mesi o anni di vita operativa, che può creare o distruggere un prodotto sul mercato. Il singolo fattore più grande del consumo di potenza di un microcontrollore è la frequenza di clock. La potenza consumata da un microprocessore è direttamente proporzionale alla sua velocità operativa, ne consegue che un dispositivo funzionante alla minor frequenza produrrà il massimo risparmio di potenza. La velocità scelta dipende dai requisiti di sistema, in particolare l’interruzione del tempo di servizio. La temperatura, inoltre, può colpire anche il consumo di energia.

Possiamo distinguere un certo numero di fattori di cui un progettista deve essere consapevole in fase di progettazione:

  1. Tensione e frequenza di funzionamento: il sistema operativo deve essere in grado di monitorare la tensione di lavoro e determinare quando la frequenza di funzionamento deve essere cambiata.
  2. I processori non possono funzionare in modo affidabile durante la fase di transizione della tensione o della frequenza;
  3. CPU con PLL integrate possono ampliare la gamma di risparmio energetico.
figura2

Fig. 2 – MAX16920, esempio di applicazione

I microcontrollori ad alta velocità supportano quattro modalità di gestione di clock: Stop, PMM1 (modalità Power Management 1), PMM2 (modalità Power Management 2), Idle. Essi possono alternare tra queste modalità, permettendo all’utente di ottimizzare la velocità del dispositivo, riducendo al minimo il consumo energetico.

Power Management Mode 1 (PMM1) consente all’utente di eseguire operazioni a velocità ridotta per risparmiare energia. L’impostazione del clock farà si che tutte le periferiche e le istruzioni opereranno a questa velocità ridotta. Il microcontrollore può riprendere il funzionamento originale, impostando gli appropriati bit o utilizzando la funzione di regressione.

Power Management Mode 2 (PMM2) permette all’utente di funzionare a una velocità ancora più lenta per migliorare il risparmio energetico. Il microcontrollore può riprendere la modalità full-speed con opportuni settaggi sui bit dei registri. Questa modalità consente un risparmio ancora maggiore in potenza oltre a PMM1.
La modalità di arresto è lo stato di alimentazione più bassa disponibile (ovviamente). In questa modalità l’oscillatore a cristallo è fermo, e tutti i clock interni, anche il Watchdog Timer, vengono interrotti.  Il Real Time clock è influenzato dalla modalità Stop. La modalità di arresto, inoltre, si verifica da un interrupt esterno, un reset esterno tramite il pin RST, o un power- on reset.

figura3

Fig. 3 – Esempio di (a) bus punto-punto e (b) bus multi-punto

La modalità stand-by blocca il funzionamento del core del processore del microcontrollore, ma lascia clock interni, porte seriali e timer in esecuzione. L’uso di questa modalità non è raccomandata nei nuovi progetti.

A differenza di altre tecniche, le modalità di gestione dell’energia 1 e 2 (PMM1 e PMM2) consentono all’utente di ridurre il consumo energetico senza compromettere le prestazioni. Sebbene le funzioni di gestione dell’alimentazione rappresentano una parte importante di un design efficiente di potenza, una conoscenza approfondita del microprocessore consentirà al progettista del sistema di ottenere il massimo risparmio energetico. Le modalità di gestione della velocità di clock sono progettati per essere parte di un livello di progressiva riduzione di potenza, in base alle esigenze di attività e prestazioni esterne. PMM1 e PMM2 forniscono il più basso livello di consumo di energia, pur consentendo piena computazionalità e il funzionamento periferico (Fig. 1).

Differenze e vincoli possiamo trovarli per il progettista di piccoli prodotti palmari. A parte le consuete restrizioni sulle dimensioni e peso, questi vincoli sono limitazioni di costo, orari rigorosi e obiettivi circa la durata della batteria misurata in settimane invece di ore.
Poiché i requisiti di potenza per applicazioni portatili variano notevolmente con l’uso del prodotto, non esiste una “migliore” fonte di energia per queste applicazioni.

figura4

Fig. 4 – Bus Interface

Nella progettazione di un prodotto portatile, limitazioni di dimensioni spesso dettano il numero di batterie nelle prime fasi del processo. Questo è frustrante per l’ingegnere è rappresenta un vincolo sostanziale, poiché il numero (e il tipo) di cellule determina l’intervallo operativo di tensione. Questo, a sua volta, influenza fortemente il costo e la complessità del sistema di alimentazione. Alto numero di celle consentono l’impiego di regolatori lineari e semplici circuiti. Basso numero di cellule costringono l’uso di un regolatore di commutazione più costoso, ma il basso costo della batteria possono compromettere il power management. Un disegno con quattro batterie a cella singola fornisce spesso un compromesso interessante tra peso e durata di funzionamento. Questo numero è particolarmente popolare per le batterie alcaline, perché sono comunemente vendute in multipli di quattro.

Automotive Power-Management MAX16920

MAX16920 (Fig. 2) è un IC  power management, integra tre convertitori ad alta tensione  DC-DC step down, un regolatore lineare ad alta tensione e un blocco di protezione da sovratensione. MAX16920 è ottimizzato per l’alta efficienza e bassa corrente di standby. La dissipazione di potenza di MAX16920 è costituita da tre componenti: dissipazione di potenza a causa dei convertitori DC-DC, dissipazione di potenza a causa del regolatore lineare e di dissipazione interna.

Bus Interface

Un bus è un dispositivo che collega vari componenti di un sistema elettronico. Questa tecnica è stata sviluppata per ridurre i costi e migliorare modularità. L’obiettivo si basa sulla gestione dei bus dati e bus indirizzi per determinare che cosa e dove i dati devono essere inviati, inoltre, un bus di controllo determina il suo funzionamento (Figg. 3 e 4).

I bus sono progettati, principalmente, in uno dei seguenti tre modi:

  • collegamento punto a punto: un particolare bus è progettato per ogni trasferimento;
  • bus comune: un bus comune viene utilizzato per tutti i trasferimenti;
  • diversi bus: è una combinazione dei due metodi precedenti.
figura5

Fig. 5 – Bus USB

L’obiettivo del bus è di collegare CPU e memoria, che rappresentano la principale
caratteristica del sistema. Molte CPU utilizzano una serie di pin per comunicare con la memoria, in grado di operare a velocità differente con differenti protocolli. Altri sono usati come controllori intelligenti per inviare i dati direttamente in memoria, questo è noto come accesso diretto alla memoria. Inoltre, la maggior parte dei sistemi moderni combinano entrambe le soluzioni.

Nei sistemi moderni ad alta velocità è costruito direttamente nella CPU, nota come cache, utilizzando bus ad alte prestazioni che operano a velocità molto maggiore della memoria.
Tali sistemi sono architettonicamente più simili a multi-computer.

Un sistema USB (Fig. 5) è costituito da un design asimmetrico. E ‘stato progettato per evitare l’uso di schede di espansione del bus PCI del computer. Per molti dispositivi, come fotocamere digitali, USB è diventata la connessione standard. Oggi USB è l’interfaccia di comunicazione di maggior successo in uso tranne che per i monitor e video digitali di alta qualità, dove il FireWire viene utilizzato come bus dati.
Il design dell’USB è standardizzato dall’USB Implementers Forum ( USB – IF ), un organismo standard di settore che incorpora aziende leader dei computer e dell’elettronica.

Leggi gli articoli precedenti

DAQ (parte 1) – Sistemi di acquisizione dati: generalità di progettazione

DAQ (parte 2) – Il condizionamento dei segnali e digitalizzazione

DAQ (parte 3) – Timing system e filtering

Maurizio Di Paolo Emilio



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