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PROJETANDO SISTEMAS EMBARCADOS COM BAIXO CONSUMO DE ENERGIA

PROJETANDO SISTEMASPROJETANDO SISTEMAS EMBARCADOS COM BAIXOEMBARCADOS COM BAIXO

CONSUMO DE ENERGIACONSUMO DE ENERGIA

www.techtraining.eng.br Prof. Alessandro F. Cunha


AGENDAAGENDAPorque projetar sistemas de baixo consumo?Porque projetar sistemas de baixo consumo?

Recursos de hardware para baixo consumo

Recursos de software para baixo consumo

Arquitetura da Texas para o MSP430

A it t d Mi hi hi PICArquitetura da Microchip para os chips PIC

Arquitetura da Freescale para os chips FlexisArquitetura da Freescale para os chips Flexis

Arquitetura da Luminary para o ARM Cortex M3

Técnicas de software para utilizar um uC em baixo consumo



A importância de projetos com baixo consumoA importância de projetos com baixo consumo



A importância de projetos com baixo consumoA importância de projetos com baixo consumo

Tempo de duração da bateriaTempo de duração da bateriaReduzir os custos de operaçãoReduzir os custos de operação

Tempo de duração da bateriaTempo de duração da bateriaFazer a diferenciação do produtoFazer a diferenciação do produto

Reduzir dissipação de calorReduzir dissipação de calorRemover custos com dissipadoresRemover custos com dissipadores

Reduzir dissipação de calorReduzir dissipação de calorou ventoinhasou ventoinhas

Reduzir a complexidade do sistemaReduzir a complexidade do sistemaO desenvolvimento fica mais rápidoO desenvolvimento fica mais rápido

Reduzir a complexidade do sistemaReduzir a complexidade do sistemaatendimento de metasatendimento de metas

Possibilidade de atender a novas Possibilidade de atender a novas Aumentar o mercado de consumoAumentar o mercado de consumo

Regras para baixo consumoRegras para baixo consumoAumentar o mercado de consumoAumentar o mercado de consumo

Aumentar a confiabilidade deAumentar a confiabilidade deDiferenciação do produto finalDiferenciação do produto final

Back up em aplicações com bateriaBack up em aplicações com bateriaDiferenciação do produto finalDiferenciação do produto final

Aumentar a densidade das PCIsAumentar a densidade das PCIs Aumentar a performance do sistemaAumentar a performance do sistemaAumentar a densidade das PCIsAumentar a densidade das PCIs Aumentar a performance do sistemaAumentar a performance do sistema



Atendimento a normas

internacionaisinternacionais



Seu projeto pode trabalhar em baixo consumo?Seu projeto pode trabalhar em baixo consumo?



Qual é a definição de Baixo Consumo?Qual é a definição de Baixo Consumo?Como os fabricantes de semicondutores definem o que é baixo consumo?

Medindo a corrente durante a operação normal dos microcontroladores (mA ou mA/MHz)

Altos valores de corrente durante o modo de operação normal significa alto consumo de potência?

Medindo a corrente na condição de menor consumo possível (nA ou uA)

A menor potência possível de ser consumida aparecerá na condição de menor consumo (Lowest Power Mode).

Será que temos aplicações práticas para isto? Será que isto é comum em aplicações reais?

Medindo a performance por watts (MIPS/Watt)

Será que isto faz sentido?


q


Qual é a definição de Baixo Consumo?O que será baixo consumo para os usuários de produtos com tecnologia

Qual é a definição de Baixo Consumo?q p p g

embarcada?

É dú id ét d f id l id

Medindo a duração da bateria (em anos!)

É, sem dúvidas, o método preferido pelos consumidores

Medindo a potência média( Watt/Hour)

Acaba por influenciar a durabilidade da bateria

Medir o pico de corrente consumido? ( mA )

Acaba por influenciar a durabilidade da bateria

Medir o pico de corrente consumido? ( mA )



Qual é a definição de Baixo Consumo?

Aplicações com baterias

Qual é a definição de Baixo Consumo?

Aplicações com bateriasReduzir o ciclo de trabalho

Minimizar corrente nos modos de espera

Aplicações alimentadas na redeExecução eficiente

Minimizar potência dinâmicaMinimizar potência dinâmicaReduzir frequência de clock



Qual é a definição de Baixo Consumo?Qual é a definição de Baixo Consumo?Tipos de potência consumidap p

Potência DinâmicaPotência consumida quando o circuito está ativo e

com oscilador funcionandocom oscilador funcionando

Potência EstáticaPotência EstáticaPotência consumida quando VDD é aplicado ao DD

circuitoÉ independente do uso do circuitoÉ independente do uso do circuito



Potência dinâmicaPotência dinâmica

dV CVfIdVIC =⇒= CVfdt

C ⇒

C projeto do CIC projeto do CIV tensão de funcionamentof frequência de operaçãowww.techtraining.eng.br Prof. Alessandro F. Cunha


Potência EstáticaPotência Estática

Correntes de f ga dos transistoresCorrentes de fuga dos transistoresCausada por:Causada por:•Geometria do processo de construção•Tensão aplicada•Temperatura de operaçãowww.techtraining.eng.br Prof. Alessandro F. Cunha

p p ç


Potência TotalPotência Total

Onde:Onde:f frequência de operação do sistemaA fator de atividade das portas lógicasI corrente de curto circuito por τ tempoIshort corrente de curto circuito por τ tempoI leak corrente de fuga do dispositivoV tensão de alimentação

O primeiro termo da equação é referente a potência dinâmica, o segundo termo é para a condição de curto circuito (pouco presente em microcontroladores) e o terceiro termo é

referente a potência estática.


referente a potência estática.


Cálculo do consumoCálculo do consumo

621uA*(744us +621uA (744us + 580us)301.1uA*(275us)46.9uA*(40ms)

on

( )2uA*(0.9582)4.93uA average

CC

onsu

mpt

ioI C

C

Note: Drawing not to scale

Time (sec)0 1



F t f tQ i ã d d b i d

Fatores que afetam o consumo• Quantos e quais são os modos de baixo consumo de um µCµ

• Qual a velocidade de clock do µC

• O consumo dos periféricos deste µC

• Portas de entrada e saída projetadas para baixoPortas de entrada e saída projetadas para baixo consumo

• Período para a retirada de um modo de baixo consumo

• Tecnologia de construção do semicondutor• Tecnologia de construção do semicondutor



Modos de baixo consumoQuantos são os modos de operação de um µC e quais são eles?

Modos de baixo consumo

Apenas um modo? Para sair deste modo é preciso resetar o µC?

Quais são as características de operação em cada um destes modos?

Qual é a máxima velocidade em que se pode operar em cada modo?

Utilizar um modo de baixo consumo é possível em sua aplicação?Utilizar um modo de baixo consumo é possível em sua aplicação?

Qual o tempo necessário para que o µC retorne a funcionar após entrar em um modo de baixo consumo?Este tempo é adequado a sua aplicação?O que continua funcionando em seu µC enquanto ele permanece em modo deO que continua funcionando em seu µC enquanto ele permanece em modo de baixo consumo?Como eu retiro o meu µC do modo de baixo consumo?



Modos de baixo consumo ‐ FreescaleModos de baixo consumo FreescaleMode Description S08 V1

Stop2 with RTC (1kHz LPO) External clock is off; RTC is running with internal reference clock 670 nA 670 nA

Stop3 with RTC (32kHz crystal) External clock is on at 32 kHz; RTI is running off external clock 920 nA 980 nA

Run (FBELP) ADC off

Core is fully functional at 16 kHz bus speed. Clock gates are closed on all unused modules. ADC in low-power mode 22 uA 50 uA

Run (FBELP) ADC reading

Core is fully functional at 16 kHz bus speed. Clock gates are closed on all unused modules. ADC in low-power mode 224 uA 252 uA

Run (FEE/FEI) ADC reading

Core is fully functional at 8 MHz bus speed. Clock gates are closed on all unused modules. ADC in high speed mode 5.1 mA 11.9 mA

Run (FEE/FEI)ADC off

Core is fully functional at 24 MHz bus speed. Clock gates are closed on all unused modules. SCI baud = 115.2 kbps 12 mA 27 mA



Modos de baixo consumo – MSP430Modos de baixo consumo MSP430



Modos de baixo consumo – PIC18F46J11Modos de baixo consumo PIC18F46J11



Modos de baixo consumo ‐MicrochipModos de baixo consumo Microchip



Modos de baixo consumo ‐ StellarisModos de baixo consumo Stellaris



Tempo para sair de um modo de baixo consumoTempo para sair de um modo de baixo consumo

InterrupçãoInterrupção

• É NECESSÁRIO AGUARDAR A ESTABILIZAÇÃO DODCO ESTABILIZAÇÃO DO CLOCK????



slay015 ‐ Ultra‐Low Power Comparison: MSP430 vs. Microchip XLP Tech Briefs ay0 5 U a o o e o pa so S 30 s c oc p ec ef



Velocidade da CPUVelocidade pode matar seu projeto!!!!

Velocidade da CPU

A potência consumida pelas modernas arquiteturas CMOS são quase sempre dominadas por quão rápido um dispositivo pode ser chaveado. Como regra geral, pode‐se dizer que ao dobrar a velocidade, dobra‐se também aComo regra geral, pode se dizer que ao dobrar a velocidade, dobra se também a potência dissipada.Nos geralmente nos esquecemos, mas se dobrarmos a largura do barramento, também dobraremos a potênciatambém dobraremos a potência. Tente projetar o seu sistema para rodar na menor velocidade possível.

Será possível mudar a velocidade do µC durante o processamento?Será possível mudar a velocidade do µC durante o processamento?

Permitir que o processador modifique sua velocidade dinamicamente durante o uso é uma excelente alternativa para produzir capacidade de processamentouso é uma excelente alternativa para produzir capacidade de processamento instantânea quando isto for necessário

Funcionar em velocidade máxima em toda a faixa de alimentação?

Qual a máxima velocidade que se pode obter para baixas tensões de alimentação?


alimentação?


Consumo dos periféricosO seu periférico consome energia enquanto não está sendo utilizado?

Consumo dos periféricos

Tente desligar os periféricos que não estão sendo utilizados

Arquiteturas modernas já reduzem o consumo de energia de periféricos quando q j g p qnão estão em uso.

Será que é prático desligar todos os periféricos quando se está em modo de baixo consumo?Será que é prático desligar todos os periféricos quando se está em modo de baixo consumo?

Este geralmente é um dos pontos críticos em projetos de sistemas embarcados com baixo consumocom baixo consumoDesligar a máquina UART durante um modo de baixo consumo pode não ser uma boa ideia quando se deseja receber uma informação pela porta serial.

Todos os periféricos estão operacionais quando a tensão é baixa?

É possível salvar dados na memória Flash em baixas tensões? Tipicamente sãoÉ possível salvar dados na memória Flash em baixas tensões? Tipicamente são necessários mais de 2V de alimentação para istoO conversor AD pode funcionar em baixas tensões? Isto afeta sua precisão?



Portas de I/O para baixo consumoQuais os valores ideais para os resistores de pull‐up? Eles são realmente necessários?

Portas de I/O para baixo consumoOs dias de glória dos resistores de 4 7 KΩ para pull‐up se foram! 3 V / 4 7 KΩ = 638 uAOs dias de glória dos resistores de 4,7 KΩ para pull up se foram! 3 V / 4,7 KΩ = 638 uAComece a pensar em resistores com valor a partir de 1 MΩ. 3 V / 1 M Ω = 3 uA

Todos os resistores de pull‐up são necessários o tempo todo?

Considere a opção de diminuir potência consumida retirando resistores de pull‐up.

Já pensou em utilizar resistores de pull‐down?

Observe qual é o nível lógico esperado em uma porta de I/O na maioria do tempo. Se você perceber que na maioria do tempo o nível de sinal é baixo, considere a opção por resistores de pull‐down.

Já pensou em escolher um µC que tenha os resistores de pull‐up e pull‐down internos?

Alguns µCs tem os resistores de pull‐up e pull‐down embutidos internamente, o que facilita o uso (são i d i d ) d ú d j

Não deixe uma porta de I/O que não está sendo utilizada flutuando!!!

acionados por registradores) e reduzem o número de componentes externos no projeto.

A corrente é consumida no ponto em que o transistor comuta de estado.Aplicar uma tensão intermediária em uma porta de I/O causará uma corrente do VDD para o VSS.Tenha certeza que as entradas então conectadas ao VDD ou ao VSS nunca as deixando flutuando


Tenha certeza que as entradas então conectadas ao VDD ou ao VSS, nunca as deixando flutuando.


Como fazer projetos para baixo consumo?Como fazer projetos para baixo consumo?1 Definições e seleções iniciais para a aplicação

2 Cálculo das correntes previstas2 Cálculo das correntes previstas

d ã d í i3 Redução de consumo em pontos críticosFonte de alimentaçãoçComponentesProjeto da placa PCIProjeto da placa PCIAlgoritmos

4 Verificar o consumo realwww.techtraining.eng.br Prof. Alessandro F. Cunha


Redução de consumo em pontos críticosRedução de consumo em pontos críticosFonte de alimentaçãoç

B iBaterias

Características de cada química



Arquitetura do MSP430Arquitetura do MSP430



Arquitetura do MSP430



A iArquitetura do PIC24Fdo PIC24F



Arquitetura do PIC24FArquitetura do PIC24F



Arquitetura do Freescale MCF51QEArquitetura do Freescale MCF51QE



Arquitetura do LM3S9B96



ArquiteturaArquitetura dodo

LM3S9B96



Técnicas de software para baixo consumoTécnicas de software para baixo consumo

Faça uso das interrupções para entrar e sairFaça uso das interrupções para entrar e sair dos modos de baixo consumodos modos de baixo consumo

Deixe que os periféricos adequados retirem d d d bo µC do modo de baixo consumo

Deixe a maioria do processamento ocorrerDeixe a maioria do processamento ocorrer dentro das rotinas de interrupção



Pisca Led com alto consumoPisca Led com alto consumo



Pisca Led com baixo consumoPisca Led com baixo consumo



Comparativo entre os fabricantesComparativo entre os fabricantesAN1267 ‐ An Introduction to Microchip’s Low‐Power Devices



Comparativo entre os fabricantesComparativo entre os fabricantes

slay015 ‐ Ultra‐Low Power Comparison: MSP430 vs Microchip XLP Tech Brief


slay015 Ultra Low Power Comparison: MSP430 vs. Microchip XLP Tech Brief


Comparativo entre os fabricantesslay015 ‐ Ultra‐Low Power Comparison: MSP430 vs. Microchip XLP Tech Brief

Comparativo entre os fabricantes


PROJETANDO SISTEMAS EMBARCADOS COM BAIXO CONSUMO DE ENERGIAhttp://groups.google.com.br/group/texas-sc



Treinamentos em microcontroladores MSP430

Básico – Linguagem Assembly – 40 horas 1 micro por aluno

Treinamentos em microcontroladores Freescaleg g y

Avançado I – Linguagem C – 60 horas– 1 micro por aluno

– 1 kit por aluno

Avançado II – Periféricos em C – 60 horas – Livro texto fornecido

ESCOLA SENAI DEESCOLA SENAI DE ELETRÔNICA

Rua Gandavo, 550Rua Gandavo, 550 Vila Mariana – SP

www.sp.senai.br/eletronica109@ i b

www.techtraining.eng.br Prof. Alessandro F. [email protected]

Telefone: (11) 5579-7426

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