Setzen Sie Ihre Designs auf eine Stromdiät

Ganz gleich ob beim permanenten Nachladen oder bei der Anschaffung von Ersatzakkus: Manchmal habe ich das Gefühl, ich bin ständig damit beschäftigt, meine batteriebetriebenen elektronischen Geräte wieder fit zu machen. Obwohl ich eigentlich immer auf den Ladezustand der Geräte achte, kommt es nicht selten vor, dass meinem Fitness-Wearable oder meinen Bluetooth-Ohrstöpseln mitten im Training der Saft ausgeht, und ich will gar nicht erst mit den Stories anfangen, bei denen der Smartphone-Akku im ungünstigsten Moment leer ist.

Rechnet man die Erlebnisse von Privatpersonen mit vielleicht einer Handvoll mobiler elektronischer Geräte auf eine Anwendung im Internet der Dinge (IoT) hoch, bei der Tausende von batteriebetriebenen Geräten im Einsatz sind, so kann man sich leicht vorstellen, dass solche Anwendungen allein schon am Aufwand für die Batteriewartung scheitern können. Für diese großen IoT-Netzwerke und privaten Geräte gilt gleichermaßen, dass der Wunsch nach immer mehr sofort verfügbaren Daten von immer aktiven Sensoren mit den Möglichkeiten der Stromversorgung kollidiert. Doch zum Glück wird dieses düstere Bild von Elektronik, der der Strom ausgeht, immer unwahrscheinlicher, denn Chip-Hersteller arbeiten an der ständigen Optimierung der Energieeffizienz von Mikrocontrollern, was unter anderem die Auslagerung von Teilen der Rechenlast aus dem Hauptprozessor ermöglicht.

Klassisches Energiemanagement ergänzt durch modernste Technologien

Bisher stand bei Mikrocontroller-basierten Systemen vor allem die Auslastung des Hauptprozessors im Mittelpunkt. Denn dieser trug typischerweise die Verantwortung für den Großteil des Stromverbrauchs in kleinen, eingebetteten Systemen. Entwicklern wurde gelehrt, möglichst eine Minimierung der Zeit zu erreichen, die der Prozessor in seinem Aktivzustand mit dem höchsten Stromverbrauch arbeitet. So entstanden in ihrer Leistung eingeschränkte Systeme, damit der Prozessor so lange wie möglich in seinem stromsparenden Ruhemodus bleiben kann. Bei Anwendungen, die eine regelmäßige Datenerfassung von Sensoren erfordern, lassen Entwickler den Prozessor „schlafen“ und nutzen Interrupts von Peripheriegeräten, um ihn gerade lange genug „aufzuwecken“, um die Daten zu erfassen und zu verarbeiten, bevor er wieder in seinen Ruhezustand zurückversetzt wird.

Mit dem Aufkommen immer anspruchsvollerer On-Chip-Peripherie konnten Entwickler die Zeit, die der Prozessor im Ruhezustand bleibt, noch weiter verlängern. In Mikrocontrollern sind heute standardmäßig Peripheriekomponenten wie etwa Analog/Digital-Wandler (ADCs) integriert, die in der Lage sind, Sensordaten zu erfassen, ohne dass dazu der Hauptprozessor aktiviert werden muss. Dieses Konzept haben die Chip-Hersteller weiter verfolgt. Sie bieten jetzt noch komplexere Mikrocontroller-Architekturen an, die Leistungsmodi unterstützen können, die irgendwo zwischen „ganz aktiv“ und „ganz im Ruhezustand“ liegen. Bei diesen Bausteinen können die mittleren Leistungsmodi selektiv die verschiedenen Leistungsdomänen für den Prozessorkern, den On-Chip-Speicher sowie die analoge und digitale Peripherie aktivieren.

Moderne Prozessorfamilien wie die Darwin-Mikrocontroller von Maxim Integrated erreichen bei diesem Konzept ein neues Niveau: Sie bieten eine ganze Palette an Mechanismen, die speziell dazu entwickelt wurden, den Stromverbrauch zu senken, ohne dass das zu Einschränkungen bei der Anwendungsfunktionalität und den Leistungsanforderungen führt (siehe „Entwicklung von effektiveren intelligenten Geräten: 1. Teil – Energiesparendes Design mit MCUs und PMICs“). Damit können Entwickler das Gleichgewicht zwischen Stromverbrauch und Leistung angesichts knapper Strombudgets immer präziser ausbalancieren.

Peripheriekomponenten erhalten ihre eigenen Prozessoren

Durch die Trennung der Funktionalität der Peripheriekomponenten von der Rechenleistung der Prozessoren konnten noch ausgereiftere Mikrocontroller entwickelt werden. Sie statten die Subsysteme der Peripherie mit dedizierten Prozessoren aus. Zum Beispiel enthält die Darwin-Serie von Maxim Integrated – wie auch andere Bausteine in dieser Klasse – eine PMU (Peripheral Management Unit, Peripherieverwaltungseinheit), die dank Einbindung von Round-Robin-Scheduling und anderen erweiterten Funktionen weit mehr als die üblichen DMA-Operationen (Direct Memory Access, direkter Speicherzugriff) bietet.

Diese Verbreitung der Verarbeitungskapazität über den Prozessorkern hinaus bildet die Grundlage für einige der effektivsten Ansätze zur Senkung des Stromverbrauchs und zur Leistungssteigerung, die heute verfügbar sind. Ein geläufiges Beispiel für diesen Trend sind die kryptografischen Hardware-Beschleuniger. Sie werden heute in modernste Mikrocontroller integriert, die speziell für das IoT oder andere vernetzte Anwendungen vorgesehen sind. Durch die schnellere Ausführung von Algorithmen ermöglichen diese dedizierten Beschleuniger, dass das Gerät schneller wieder in einen Energiesparmodus zurückkehren kann.

Ein noch interessanteres Beispiel für diesen Trend sind Mikrocontroller für die drahtlose Kommunikation, etwa die der SimpleLink-Familie von Texas Instruments. So vereint beispielsweise der Mikrocontroller CC2640R2F von Texas Instruments für Bluetooth Low Energy (BLE) einen Arm®-Cortex®-M3-Hauptprozessor mit einem dedizierten BLE-Subsystem, das einen dedizierten Arm-Cortex-M0-Prozessor und einen HF-Transceiver enthält (Abbildung 1).

Abbildung 1: Modernste Mikrocontroller für die Funkkommunikation wie der CC2640R2F BLE von Texas Instruments optimieren den Stromverbrauch, indem sie einen energiesparenden Arm-Cortex-M0-Prozessorkern nutzen, der die Drahtloskonnektivität aufrechterhält, während der Arm-Cortex-M3-Hauptprozessor im Ruhezustand bleibt. (Bildquelle: Texas Instruments)

Dabei übernimmt der Hauptprozessor die Ausführung der Anwendung, während der Cortex-M0-Prozessor ausschließlich den BLE-Protokollstack ausführt und für den Entwickler unzugänglich ist. Da der energiesparende Cortex-M0-Kern seinen Betrieb in den Energiesparmodi fortsetzen kann, während sich der Hauptprozessor im Ruhemodus befindet, bietet dieser Mikrocontroller eine immer aktive Vernetzung, ohne die knappen Strombudgets übermäßig zu beanspruchen.

Die Notwendigkeit einer immer aktiven Funktionalität ist natürlich nicht nur auf die Vernetzung beschränkt. Bei einer wachsenden Zahl von Sensoranwendungen erwarten die Anwender, dass ihre Geräte sofort auf Änderungen bei Temperatur, Bewegung, Luftqualität und anderen Parametern reagieren. Bei herkömmlichen Methoden würde diese immer aktive Funktionalität den Mikrocontroller dazu zwingen, ständig – oder fast ständig – im aktiven Modus zu arbeiten, um Daten zu erfassen und diese auf signifikante Ereignisse zu überprüfen.

Viele moderne Sensoren ermöglichen den Entwicklern die Programmierung eines minimalen und maximalen Schwellenwerts für die Auslösung eines Interrupts. Dadurch kann der Mikrocontroller im Ruhemodus bleiben, bis ein Ereignis auftritt, das diese Schwellenwerte unter- oder überschreitet. Doch für einige Anwendungen reicht selbst diese Schwellenwertfunktion nicht aus. So muss beispielsweise ein immer aktiver Bewegungssensor in der Lage sein, charakteristische Veränderungen oder Muster in der gemessenen Beschleunigung oder Orientierung zu erkennen, aus denen sich schließen lässt, dass der Träger des Geräts z. B. geht, läuft, Treppen steigt oder abbiegt. Selbst bei modernsten Sensoren mit Schwellenwertfunktion müsste also der Host-Mikrocontroller die ganze Zeit aktiv bleiben, um diese charakteristischen Veränderungen zu erkennen. Im Gegensatz dazu kann das Sensormodul LSM6DSOX von STMicroelectronics dank seiner integrierten Finite-State-Machine und seiner auf Entscheidungsbaum-Algorithmen basierenden Verarbeitungs-Engine solche relevanten Muster selbst erkennen.

Für Entwickler sind Funktionen wie autonomer Betrieb der Peripheriebausteine, dedizierte Verarbeitungs-Engines und Datenverarbeitung durch lokale Sensoren nur einige der Methoden, mit denen sie ihre batteriebetriebenen Designs auf eine Stromdiät setzen können.

Referenz:

Entwicklung von effektiveren intelligenten Geräten: 1. Teil – Energiesparendes Design mit MCUs und PMICs - https://www.digikey.de/de/articles/techzone/2018/oct/build-more-effective-smart-devices-part-1-low-power-design-mcus-pmics

Über den Autor

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Stephen Evanczuk hat mehr als 20 Jahre Erfahrung im Schreiben für und über die Elektronikindustrie zu einem breiten Spektrum von Themen wie Hardware, Software, Systeme und Anwendungen einschließlich des IoT. Er promoviertein Neurowissenschaften über neuronale Netzwerke und arbeitete in der Luft- und Raumfahrtindustrie an massiv verteilten sicheren Systemen und Methoden zur Beschleunigung von Algorithmen. Derzeit, wenn er nicht gerade Artikel über Technologie und Ingenieurwesen schreibt, arbeitet er an Anwendungen des tiefen Lernens (Deep Learning) zu Erkennungs- und Empfehlungssystemen.

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