Mikrokontrolery

Tryby uśpienia umożliwiają aplikacji zamknięcie nieużywanych modułów w mikrokontrolerze, przez co oszczędzana jest energia. AVR udostępnia różne tryby uśpienia pozwalające użytkownikowi dopasować zużycie energii do wymagań aplikacji.

Powyższy rysunek z poprzedniego rozdziału przedstawia różne systemy zegarowe w mikrokontrolerze ATmega128 i ich dystrybucję. Rysunek jest pomocny przy wyborze odpowiedniego trybu uśpienia. Tabela poniżej wymienia różne tryby uśpienia i ich źródła wybudzeń.

Aby wejść w dowolny tryb uśpienia, należy wpisać logiczną jedynkę do bitu SE w rejestrze SMCR, a następnie wykonać instrukcję SLEEP. Bity SM2...0 w rejestrze SMCR określają, który tryb uśpienia (bezczynny, zmniejszania zakłóceń dla przetwornika A/C, wyłączenia zasilania, oszczędzania, oczekiwania w gotowości i rozszerzonego oczekiwania w gotowości) zostanie uaktywniony przez instrukcję SLEEP.

Gdy w trakcie uśpienia pojawi się dozwolone przerwanie, mikrokontroler wybudzi się. Następnie mikrokontroler jest wstrzymywany przez cztery takty zegara dodatkowo do czasu uruchamiania, po czym wykonuje procedurę obsługi przerwania i kontynuuje realizację programu głównego od następnej instrukcji za SLEEP. Gdy mikrokontroler wybudza się z uśpienia, zawartość zestawu rejestrów i pamięci SRAM jest niezmieniona. Gdy w trakcie uśpienia wystąpi reset, mikrokontroler wybudza się i wykonuje program od wektora resetu..

Gdy bity SM2...0 zostaną ustawione w stan 000, to instrukcja SLEEP wprowadza mikrokontroler w tryb bezczynności (ang. Idle Mode), zatrzymując mikroprocesor lecz pozwalając dalej pracować modułom SPI, USART, komparatorowi analogowemu, przetwornikowi A/C, 2-przewodowemu interfejsowi szeregowemu, timerom/licznikom, licznikowi zegarowemu oraz systemowi przerwań. Ten tryb uśpienia głównie zatrzymuje zegary clk_CPU i clk_FLASH, natomiast pozwala pracować pozostałym zegarom.

Tryb bezczynności pozwala mikrokontrolerowi wybudzić się przy przerwaniach wyzwalanych zarówno zewnętrznie jak i wewnętrznie, jak przerwania od nadmiarów timerów i przy zakończeniu transmisji USART. Jeśli wybudzenie od przerwania komparatora analogowego nie jest wymagane, komparator może zostać wyłączony przez ustawienie bitu ACD (ang. Analog Comparator Down) w rejestrze ACSR (ang. Analog Comparator Control and Status Register – Rejestr Stanu i Sterowania Komparatorem Analogowym). Zmniejszy to pobór energii w trybie bezczynności. Jeśli przetwornik A/C (ang. Analog to Digital Converter, ADC) jest uaktywniony, to konwersja rozpoczyna się natychmiast, gdy mikrokontroler wejdzie w ten tryb uśpienia.

Gdy w bitach SM2...0 zostanie umieszczona wartość dwójkowa 001, to instrukcja SLEEP wprowadzi mikrokontroler w tryb zmniejszania zakłóceń dla przetwornika A/C (ang. ADC Noise Reduction Mode), zatrzymując mikroprocesor, lecz zezwalając na pracę przetwornika A/C, zewnętrznym przerwaniom, modułowi śledzenia adresu 2-przewodowego interfejsu szeregowego, timerowi/licznikowi 2 i licznikowi zegarowemu (jeśli jest uaktywniony). Ten tryb uśpienia zatrzymuje zegary clk_I/O, clk_CPU i clk_FLASH, natomiast pozostałe zegary pracują normalnie.

Obniża to poziom zakłóceń od sieci logicznej, co poprawia precyzję przetwarzania w przetworniku A/C, umożliwiając pomiary z większą rozdzielczością. Jeśli przetwornik A/C jest uaktywniony, to konwersja rozpocznie się automatycznie przy wejściu w ten tryb uśpienia. Oprócz przerwania przy zakończeniu przetwarzania w przetworniku A/C mikrokontroler może być wybudzony z trybu zmniejszania zakłóceń tylko przez zewnętrzny reset, reset od licznika zegarowego, reset przy spadku napięcia zasilania, przerwanie od zgodności adresu 2-przewodowego interfejsu szeregowego,  przerwanie z timera/licznika 0, przerwanie od gotowości SPM/EEPROM, przerwanie zewnętrzne od poziomu na wejściach INT7:4.

Gdy w bitach SM2:0 umieści się wartość dwójkową 010, to instrukcja SLEEP wprowadzi mikrokontroler w tryb wyłączenia zasilania (ang. Power-down Mode). W tym trybie zatrzymywany jest oscylator zewnętrzny, podczas gdy działają przerwania zewnętrzne, obserwowanie adresu 2-przewodowego interfejsu szeregowego oraz licznik zegarowy (jeśli są uaktywnione). Mikrokontroler może zostać wybudzony jedynie przez zewnętrzny reset, reset z licznika zegarowego, zgodność adresu 2-przewodowego interfejsu szeregowego, przerwanie zewnętrzne od poziomu na końcówkach INT7:4, przerwanie zewnętrzne na końcówkach INT3:0 lub przerwanie od zmiany stanu końcówki.  Ten tryb uśpienia zatrzymuje wszystkie generowane zegary, zezwalając na pracę tylko modułom asynchronicznym.

Zapamiętaj, iż jeśli do wybudzania z trybu wyłączenia używane jest przerwanie wyzwalane poziomem, to zmieniony poziom musi się utrzymywać przez pewien czas, aby wybudzić mikrokontroler. Zobacz do rozdziału "Przerwania zewnętrzne".

Przy wybudzaniu z trybu wyłączenia istnieje pewne opóźnienie od czasu wystąpienia warunku wybudzenia do jego aktywacji. Pozwala to zegarowi uruchomić się ponownie i ustabilizować po wcześniejszym zatrzymaniu. Okres wybudzania definiują te same bity bezpiecznikowe CKSEL, które definiują okres upływu czasu resetu, co opisano w podrozdziale "Źródła zegarowe".

Gdy bity SM2...0 zostaną zapisane wartością 011, instrukcja SLEEP wprowadzi mikrokontroler w tryb oszczędzania energii (ang. Power-save Mode). Tryb ten jest identyczny z trybem wyłączenia z jednym wyjątkiem:

Jeśli timer/licznik 2 jest uaktywniony, to będzie pracował w czasie uśpienia. Mikrokontroler może wybudzić się albo przy przepełnieniu timera, albo przy zdarzeniu Output Compare z timera/licznika 2, jeśli odpowiednie bity uaktywnienia przerwania z timera/licznika 2 zostały ustawione w rejestrze TIMSK2 oraz ustawiony jest bit globalnego włączania przerwań I w rejestrze stanu SREG.

Jeśli timer/licznik 2 nie pracuje to zamiast trybu oszczędzania energii zalecany jest tryb wyłączenia.

Timer/licznik 2 może być taktowany zarówno synchronicznie jak i asynchronicznie w trybie oszczędzania energii. Jeśli timer/licznik 2 nie używa zegara asynchronicznego, to jego oscylator zostaje zatrzymany podczas uśpienia. Jeśli timer/licznik 2 nie używa zegara synchronicznego, to źródło zegarowe jest zatrzymywane podczas uśpienia. Zauważ, iż nawet jeśli zegar synchroniczny pracuje w trybie oszczędzania energii, to to źródło zegarowe dostępne jest tylko dla timera/licznika 2.

Gdy bity SM2:0 mają wartość 110 i została wybrana opcja zegarowa zewnętrznego kryształu kwarcu/rezonatora, to instrukcja SLEEP wprowadzi mikrokontroler w tryb gotowości (ang. Standby Mode). Tryb ten jest identyczny z trybem wyłączenia zasilania z tym wyjątkiem, iż oscylator pracuje. Z trybu gotowości mikrokontroler wybudza się w ciągu sześciu taktów zegara.

Gdy bity SM2:0 zostaną ustawione w stan 111 oraz będzie wybrana opcja zegarowa zewnętrznego kwarcu/rezonatora, to instrukcja SLEEP wprowadzi mikrokontroler w rozszerzony tryb gotowości (ang. Extended Standby Mode). Tryb ten jest identyczny z trybem oszczędzania energii z wyjątkiem pozostawienia oscylatora w stanie pracy. Z rozszerzonego trybu pracy mikrokontroler wybudza się w sześciu taktach zegara.

Rejestr zmniejszania poboru energii (ang. Power Reduction Register, PRR0 i PRR1), udostępnia metody zatrzymywania zegara dla poszczególnych modułów peryferyjnych w celu zmniejszenia poboru energii.

Zwróć uwagę, iż jeśli zegar dla modułów peryferyjnych jest zatrzymany, to:

• Bieżący stan modułu peryferyjnego zostaje zamrożony
• Związanych z nim rejestrów nie można odczytywać i zapisywać
• Zasoby używane przez peryferia (np. końcówki we/wy itp.) pozostaną zajęte

Moduł peryferyjny w większości przypadków należy wyłączyć przed zatrzymaniem jego zegara. Wybudzenie modułu, co wykonuje się przez wyzerowanie bitu w rejestrze PRR, umieszcza go w tym samym stanie, co przed wyłączeniem. Wyłączanie modułów można wykorzystać w trybach bezczynnym i aktywnym do znacznego obniżenia poboru energii. We wszystkich pozostałych trybach uśpienia zegar modułów jest już zatrzymywany.

Istnieje kilka zagadnień do rozważenia przy próbach minimalizowania poboru prądu w systemie zarządzanym przez mikrokontroler AVR. Ogólnie należy stosować tryby uśpienia tak często, jak jest to możliwe, co powoduje wyłączanie niepotrzebnych modułów we/wy. Wszystkie zbędne funkcje powinny być wyłączane. W szczególności dotyczy to poniższych modułów:

Przetwornik analogowo/cyfrowy

Jeśli jest uaktywniony, przetwornik A/C będzie pracował w trybach uśpienia. Aby zaoszczędzić energię, należy go wyłączyć przed wejściem w dowolny tryb uśpienia. Gdy przetwornik A/C został wyłączony i włączony ponownie, to następna konwersja będzie konwersją rozszerzoną. Działanie przetwornika jest opisane w rozdziale "Przetwornik analogowo/cyfrowy".

Komparator analogowy

Przy wejściu w tryb bezczynności (ang. Idle mode), komparator analogowy powinien zostać wyłączony, jeśli się z niego nie korzysta. Przy wejściu w tryb zmniejszania zakłóceń dla przetwornika A/C (ang. ADC Noise Reduction mode), komparator powinien zawsze być wyłączany. W pozostałych trybach uśpienia komparator analogowy jest wyłączany automatycznie. Jednakże, jeśli komparator analogowy został ustawiony na wykorzystywanie jako wejścia wewnętrznego napięcia odniesienia, to należy go wyłączać we wszystkich trybach uśpienia. W przeciwnym razie układ wewnętrznego napięcia odniesienia będzie uaktywniony bez względu na tryb uśpienia. Opis ustawień znajdziesz w rozdziale "Komparator analogowy".

Detektor spadku napięcia zasilania

Jeśli w aplikacji nie jest potrzebny moduł wykrywania spadku napięcia zasilającego (ang. Brown-out Detector), to można go wyłączyć. Jeśli moduł BOD jest uaktywniony przez bit bezpiecznikowy BODEN, to będzie on aktywny we wszystkich trybach uśpienia, a stąd zawsze będzie pobierał prąd. W głębszych trybach uśpienia będzie się to znacząco przyczyniać do całkowitego poboru energii przez mikrokontroler. Szczegóły konfiguracji modułu BOD znajdziesz w podrozdziale "Wykrywanie spadku napięcia".

Wewnętrzne napięcie odniesienia

Moduł wewnętrznego napięcia odniesienia zostanie uaktywniony w razie wykorzystywania przez detektor spadku napięcia zasilającego, komparator analogowy lub przetwornik A/C. Jeśli moduły te zostały wyłączone, jak opisano powyżej, to układ wewnętrznego napięcia odniesienia będzie wyłączony i nie będzie zużywał energii. Gdy zostanie ponownie włączony, program użytkownika musi odczekać pewien czas, zanim będzie mógł z niego skorzystać. Jeśli układ ten pracuje w trybie uśpienia, to z jego wyjścia można skorzystać natychmiast po wybudzeniu. Czasy uruchamiania są opisane w rozdziale "Wewnętrzne napięcie odniesienia".

Licznik zegarowy

Jeśli timer licznika zegarowego (ang. Watchdog Timer) nie jest potrzebny w aplikacji, to moduł ten powinien zostać wyłączony. Jeśli licznik zegarowy jest włączony, to będzie pracował we wszystkich trybach uśpienia i zawsze będzie zużywał energię.  W głębszych trybach uśpienia będzie się to znacząco przyczyniać do całkowitego poboru energii przez mikrokontroler. Szczegóły konfiguracji licznika zegarowego znajdziesz w rozdziale "Przerwania".

Końcówki portu

Przy wejściu w tryb uśpienia wszystkie końcówki portu powinny być tak skonfigurowane, aby zużywać minimalną energię. Najważniejszą rzeczą będzie zapewnienie, iż żadna z końcówek nie zasila obciążenia oporowego. W trybach uśpienia z wyłączonymi oboma zegarami we/wy (clk_I/O) oraz przetwornika A/C (clk_ADC) bufory wejściowe mikrokontrolera są wyłączone. Zapewnia to, iż nie jest zużywana energia przez układy logiczne wejść, gdy nie są one potrzebne. W niektórych przypadkach układy te są potrzebne do wykrywania warunków wybudzenia, a wtedy będą włączone. Jeśli bufor wejścia jest włączony, a sygnał wejściowy zmienia się lub sygnał analogowy posiada poziom bliski Vcc/2, to bufor wejścia będzie zużywał nadmierną energię. Przy końcówkach analogowych cyfrowe bufory wejścia powinny zawsze być wyłączane. Zobacz do rozdziału "Porty we/wy".

Wewnętrzny system debugowania

Jeśli wewnętrzny system debugowania (ang. On-chip debug system, OCD) został uaktywniony przez bit bezpiecznikowy OCDEN a mikrokontroler wszedł w tryb uśpienia, to włączane jest główne źródło zegarowe, które z tego powodu zawsze zużywa energię. W głębszych trybach uśpienia przyczynia się to znacząco do całkowitego poboru prądu.

Istnieją trzy alternatywne sposoby wyłączenia systemu OCD:

• Wyłącz bit bezpiecznikowy OCDEN
• Wyłącz bit bezpiecznikowy JTAGEN
• Wpisz logiczną jedynkę do bitu JTD w rejestrze MCUCR

 

SMCR – Sleep Mode Control Register – Rejestr sterujący trybami uśpienia

Bity [7:4]: Zarezerwowane

Te bity są nieużywane w ATmega640/1280/1281/2560/2561 i zawsze przy odczycie mają wartość zero.

Bity [3:1] – SM[2:0]: Sleep Mode Select Bits 2, 1, and 0 – Bity wyboru trybu uśpienia

Te bity wybierają jeden z sześciu dostępnych trybów uśpienia, co pokazuje poniższa tabelka.

Bit 0 – SE: Sleep Enable – Włączenie uśpienia

Bit SE należy zapisać logiczną jedynką, aby wymusić wejście mikrokontrolera we wybrany tryb uśpienia, gdy wykona instrukcję SLEEP. Aby zapobiec wejściu mikroprocesora w uśpienie, o ile nie jest to zamiarem programisty, zaleca się zapisać bit włączenia trybu uśpienia (SE) jedynką tuż przed wykonaniem instrukcji SLEEP oraz wyzerować go natychmiast po wybudzeniu.

---

PRR0 – Power Reduction Register 0 – Rejestr 0 zmniejszania poboru prądu

Bit 7 – PRTWI: Power Reduction TWI – Zmniejszenie poboru prądu modułu TWI

Zapisanie logicznej jedynki do tego bitu wyłącza TWI (ang. Two Wire Interface – interfejs dwuprzewodowy) przez zatrzymanie zegara dla tego modułu. Przy ponownym wybudzeniu TWI należy dokonać reinicjalizacji, aby zapewnić jego poprawne działanie.

Bit 6 – PRTIM2: Power Reduction Timer/Counter2 – Zmniejszenie poboru prądu timera/licznika 2

Zapisanie logicznej jedynki do tego bitu wyłącza moduł timera/licznika 2 w trybie synchronicznym (bit AS2 ma stan 0). Gdy timer/licznik 2 zostaje włączony, będzie on kontynuował swoją prace jak przed wyłączeniem.

Bit 5 – PRTIM0: Power Reduction Timer/Counter0 – Zmniejszenie poboru prądu timera/licznika 0

Zapisanie logicznej jedynki do tego bitu wyłącza moduł timera/licznika 0. Gdy timer/licznik 0 zostaje włączony, będzie on kontynuował swoją prace jak przed wyłączeniem.

Bit 4 – Zarezerwowany

Ten bit jest zarezerwowany w AATmega640/1280/1281/2560/2561 i zawsze daje odczyt zero.

Bit 3 – PRTIM1: Power Reduction Timer/Counter1 – Zmniejszenie poboru prądu timera/licznika 1

Zapisanie logicznej jedynki do tego bitu wyłącza moduł timera/licznika 1. Gdy timer/licznik 1 zostaje włączony, będzie on kontynuował swoją prace jak przed wyłączeniem.

Bit 2 – PRSPI: Power Reduction Serial Peripheral Interface – Zmniejszenie poboru prądu interfejsu SPI

Jeśli jest używany debugWIRE wbudowanego systemu uruchomieniowego (ang. On-chip Debug System), ten bit nie powinien być ustawiany na 1. Zapisanie w nim logicznej jedynki wyłącza interfejs SPI przez zatrzymanie jego zegara. Przy ponownym wybudzeniu SPI moduł ten powinien zostać zainicjowany w celu zapewnienia poprawnej pracy.

Bit 1 – PRUSART0: Power Reduction USART0 – Zmniejszenie poboru prądu USART 0

Zapisanie logicznej jedynki do tego bitu wyłącza moduł USART0 przez zatrzymanie jego zegara. Przy ponownym wybudzeniu USART0 moduł ten powinien zostać zainicjowany w celu zapewnienia poprawnej pracy.

Bit 0 – PRADC: Power Reduction ADC – Zmniejszenie poboru prądu przetwornika A/C

Zapisanie logicznej jedynki do tego bitu wyłącza przetwornik A/C. Przed wyłączeniem przetwornik powinien zostać dezaktywowany. Gdy przetwornik A/C jest wyłączony, komparator analogowy nie może korzystać z jego multipleksera wejść analogowych.

---

PRR1 – Power Reduction Register 1 – Rejestr 1 zmniejszania poboru prądu

Bity 7:6 – Zarezerwowane

Te bity są zarezerwowane w ATmega640/1280/1281/2560/2561 i zawsze dają odczyt zero.

Bit 5 – PRTIM5: Power Reduction Timer/Counter5 – Zmniejszenie poboru prądu timera/licznika 5

Zapisanie logicznej jedynki do tego bitu wyłącza moduł timera/licznika 5. Gdy timer/licznik 5 zostaje włączony, będzie on kontynuował swoją prace jak przed wyłączeniem.

Bit 4 – PRTIM4: Power Reduction Timer/Counter4 – Zmniejszenie poboru prądu timera/licznika 4

Zapisanie logicznej jedynki do tego bitu wyłącza moduł timera/licznika 4. Gdy timer/licznik 4 zostaje włączony, będzie on kontynuował swoją prace jak przed wyłączeniem.

Bit 3 – PRTIM3: Power Reduction Timer/Counter3 – Zmniejszenie poboru prądu timera/licznika 3

Zapisanie logicznej jedynki do tego bitu wyłącza moduł timera/licznika 3. Gdy timer/licznik 3 zostaje włączony, będzie on kontynuował swoją prace jak przed wyłączeniem.

Bit 2 – PRUSART3: Power Reduction USART3 – Zmniejszenie poboru prądu USART 3

Zapisanie logicznej jedynki do tego bitu wyłącza moduł USART3 przez zatrzymanie jego zegara. Przy ponownym wybudzeniu USART3 moduł ten powinien zostać zainicjowany w celu zapewnienia poprawnej pracy.

Bit 1 – PRUSART2: Power Reduction USART2 – Zmniejszenie poboru prądu USART 2

Zapisanie logicznej jedynki do tego bitu wyłącza moduł USART2 przez zatrzymanie jego zegara. Przy ponownym wybudzeniu USART2 moduł ten powinien zostać zainicjowany w celu zapewnienia poprawnej pracy.

Bit 0 – PRUSART1: Power Reduction USART1 – Zmniejszenie poboru prądu USART 1

Zapisanie logicznej jedynki do tego bitu wyłącza moduł USART1 przez zatrzymanie jego zegara. Przy ponownym wybudzeniu USART1 moduł ten powinien zostać zainicjowany w celu zapewnienia poprawnej pracy.