วิธีแก้ไขความถี่สัญญาณนาฬิกาเพื่อลดการใช้พลังงานของไมโครคอนโทรลเลอร์

นักพัฒนามักมีความท้าทายในการนำเสนอฟังก์ชันและประสิทธิภาพในระดับสูงในขณะเดียวกันก็เพิ่มอายุการใช้งานแบตเตอรี่ให้สูงสุด นอกจากนี้เมื่อพูดถึงผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์คุณสมบัติที่สำคัญที่สุดคือการใช้แบตเตอรี่ ควรเพิ่มเวลาการทำงานของอุปกรณ์ให้น้อยที่สุด การจัดการพลังงานมีความสำคัญมากในแอปพลิเคชันแบบพกพาและแบตเตอรี่ ความแตกต่างของการบริโภค microampere อาจทำให้อายุการใช้งานเป็นเดือนหรือหลายปีซึ่งสามารถเพิ่มหรือลดความนิยมและแบรนด์ของผลิตภัณฑ์ในตลาดได้ การเพิ่มขึ้นของผลิตภัณฑ์ต้องการการเพิ่มประสิทธิภาพการใช้แบตเตอรี่ให้มีประสิทธิภาพมากขึ้น ปัจจุบันผู้ใช้ต้องการแบตเตอรี่สำรองที่นานขึ้นด้วยขนาดที่กะทัดรัดของผลิตภัณฑ์ดังนั้นผู้ผลิตจึงมุ่งเน้นไปที่ขนาดแบตเตอรี่ที่เล็กลงและอายุการใช้งานแบตเตอรี่ที่ยาวนานเป็นพิเศษซึ่งเป็นงานที่น่าสงสัย แต่,นักพัฒนาได้คิดค้นเทคโนโลยีประหยัดพลังงานหลังจากผ่านหลายปัจจัยและพารามิเตอร์ที่สำคัญที่ส่งผลต่ออายุการใช้งานแบตเตอรี่

มีพารามิเตอร์หลายอย่างที่ส่งผลต่อการใช้งานแบตเตอรี่เช่นไมโครคอนโทรลเลอร์ที่ใช้แรงดันไฟฟ้าการใช้กระแสไฟอุณหภูมิแวดล้อมสภาพแวดล้อมอุปกรณ์ต่อพ่วงที่ใช้รอบการชาร์จ - ชาร์จเป็นต้นด้วยแนวโน้มของผลิตภัณฑ์อัจฉริยะที่เข้ามาในตลาดจึงมีความสำคัญมาก เพื่อมุ่งเน้นไปที่ MCU ที่ใช้เป็นอันดับแรกเพื่อเพิ่มอายุการใช้งานแบตเตอรี่ MCU กลายเป็นส่วนสำคัญในการประหยัดพลังงานในผลิตภัณฑ์ขนาดเล็ก ดังนั้นขอแนะนำให้เริ่มต้นด้วย MCU ก่อน ตอนนี้ MCU มาพร้อมกับเทคนิคการประหยัดพลังงานที่แตกต่างกัน หากต้องการทราบข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับการลดการใช้พลังงานในไมโครคอนโทรลเลอร์ (MCU) โปรดดูบทความก่อนหน้า บทความนี้มุ่งเน้นไปที่พารามิเตอร์สำคัญประการหนึ่งในการลดการใช้พลังงานในไมโครคอนโทรลเลอร์นั่นคือการปรับเปลี่ยนความถี่สัญญาณนาฬิกาซึ่งจำเป็นต้องได้รับการดูแลเมื่อใช้ MCU สำหรับการใช้งานที่ใช้พลังงานต่ำ

ทำไมต้องปรับเปลี่ยนความถี่สัญญาณนาฬิกาในไมโครคอนโทรลเลอร์?

จากพารามิเตอร์มากมายที่กล่าวมาข้างต้นการเลือกความถี่สัญญาณนาฬิกามีบทบาทสำคัญมากในการประหยัดพลังงาน แสดงให้เห็นว่าการศึกษาที่เลือกไม่ถูกต้องของความถี่ในการปฏิบัติการของไมโครคอนโทรลเลอร์สามารถนำไปสู่ร้อยละ (%) การสูญเสียที่สำคัญของการใช้พลังงานจากแบตเตอรี่เพื่อหลีกเลี่ยงการสูญเสียนี้นักพัฒนาจำเป็นต้องดูแลการเลือกความถี่ที่เหมาะสมเพื่อเรียกใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์ ตอนนี้ไม่จำเป็นต้องเลือกความถี่ในขั้นต้นในขณะที่ตั้งค่าไมโครคอนโทรลเลอร์ในขณะที่สามารถเลือกระหว่างการเขียนโปรแกรมได้ด้วย มีไมโครคอนโทรลเลอร์จำนวนมากที่มาพร้อมกับการเลือกบิตเพื่อเลือกความถี่ในการทำงานที่ต้องการ นอกจากนี้ไมโครคอนโทรลเลอร์ยังสามารถทำงานได้หลายความถี่ดังนั้นนักพัฒนาจึงมีตัวเลือกในการเลือกความถี่ที่เหมาะสมขึ้นอยู่กับแอปพลิเคชัน

ผลของการเลือกความถี่หลายความถี่มีผลอย่างไร?

ไม่ต้องสงสัยเลยว่าการเลือกความถี่ต่างๆจะส่งผลต่อประสิทธิภาพของไมโครคอนโทรลเลอร์ ในแง่ของไมโครคอนโทรลเลอร์เป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้วว่าความถี่และประสิทธิภาพเป็นสัดส่วน หมายความว่าความถี่ที่มากขึ้นจะมีเวลาในการประมวลผลโค้ดน้อยลงและทำให้ความเร็วในการทำงานของโปรแกรมมากขึ้น ดังนั้นตอนนี้เป็นที่ชัดเจนมากว่าถ้าความถี่มีการเปลี่ยนแปลงประสิทธิภาพก็จะเปลี่ยนไปด้วย แต่ไม่จำเป็นที่นักพัฒนาจะต้องติดที่ความถี่เดียวเพียงเพื่อประสิทธิภาพที่สูงขึ้นของไมโครคอนโทรลเลอร์

ความถี่ต่ำหรือสูงเลือกอันไหนดี?

ไม่ใช่กรณีเสมอไปที่ไมโครคอนโทรลเลอร์ต้องให้ประสิทธิภาพสูงมีหลายแอพพลิเคชั่นที่ต้องการประสิทธิภาพระดับปานกลางของไมโครคอนโทรลเลอร์ในแอพพลิเคชั่นประเภทนี้ผู้พัฒนาสามารถลดความถี่ในการทำงานจาก GHz เป็น MHz และแม้แต่ความถี่ต่ำสุดที่จำเป็นในการ เรียกใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์ แม้ว่าในบางกรณีจำเป็นต้องมีประสิทธิภาพที่ดีที่สุดและเวลาในการดำเนินการก็เป็นสิ่งสำคัญเช่นเมื่อขับแฟลช ADC ภายนอกที่ไม่มีบัฟเฟอร์ FIFO หรือในการประมวลผลวิดีโอและแอปพลิเคชันอื่น ๆ ในพื้นที่เหล่านี้นักพัฒนาสามารถใช้ความถี่ที่เหมาะสมของไมโครคอนโทรลเลอร์ได้ แม้จะใช้งานในสภาพแวดล้อมแบบนี้นักพัฒนาสามารถเขียนโค้ดได้อย่างชาญฉลาดเพื่อลดความยาวของโค้ดโดยเลือกคำสั่งที่เหมาะสม

ตัวอย่างเช่น: หากลูป 'for' กำลังรับคำแนะนำมากกว่านี้และสามารถใช้คำสั่งหลายบรรทัดซึ่งใช้หน่วยความจำน้อยในการทำงานโดยไม่ต้องใช้ for loop นักพัฒนาสามารถใช้คำแนะนำหลายบรรทัดเพื่อหลีกเลี่ยงการใช้ 'for' loop.

การเลือกความถี่ที่เหมาะสมสำหรับไมโครคอนโทรลเลอร์ขึ้นอยู่กับความต้องการของงาน ความถี่ที่สูงขึ้นหมายถึงการใช้พลังงานที่สูงขึ้น แต่ยังมีพลังในการคำนวณที่มากขึ้นด้วย การเลือกความถี่โดยพื้นฐานแล้วจึงเป็นการแลกเปลี่ยนระหว่างการใช้พลังงานและกำลังการคำนวณที่ต้องการ

ข้อได้เปรียบหลักของการทำงานที่ความถี่ต่ำคือกระแสไฟฟ้าต่ำนอกจาก RFI (การรบกวนความถี่วิทยุ)

กระแสจ่าย (I) = กระแสไฟฟ้าดับ (I _q) + (ความถี่ K x)

คำที่สองมีความโดดเด่น พลังงาน RFI ของไมโครคอนโทรลเลอร์มีขนาดเล็กมากจนกรองได้ง่ายมาก

ดังนั้นหากแอปพลิเคชันต้องการความเร็วที่รวดเร็วไม่ต้องกังวลว่าจะทำงานเร็ว แต่หากกังวลเรื่องการใช้พลังงานให้ทำงานช้าลงเท่าที่แอปพลิเคชันอนุญาต

เทคนิคการสลับความถี่นาฬิกา

หน่วย PLL (เฟสล็อคลูป) มีอยู่เสมอใน MCU ประสิทธิภาพสูงที่ทำงานด้วยความเร็วสูงความถี่ PLL ช่วยเพิ่มเข้ากับความถี่ที่สูงขึ้นเช่นจาก 8 MHz ถึง 32 Mhz เป็นตัวเลือกของนักพัฒนาในการเลือกความถี่ในการทำงานที่เหมาะสมสำหรับแอปพลิเคชัน แอพพลิเคชั่นบางตัวไม่จำเป็นต้องทำงานด้วยความเร็วสูงในกรณีนี้นักพัฒนาจำเป็นต้องรักษาความถี่สัญญาณนาฬิกาของ MCU ให้ต่ำที่สุดเพื่อรันงาน อย่างไรก็ตามในแพลตฟอร์มความถี่คงที่เช่นMCU 8 บิตราคาประหยัดที่ไม่มีหน่วย PLL เราต้องปรับปรุงรหัสคำสั่งเพื่อลดพลังงานในการประมวลผล. นอกจากนี้ MCU ที่มีหน่วย PLL ไม่สามารถใช้ประโยชน์จากเทคนิคการสลับความถี่ที่ช่วยให้ MCU ทำงานที่ความถี่สูงในช่วงการประมวลผลข้อมูลจากนั้นกลับสู่การทำงานที่มีความถี่ต่ำสำหรับช่วงเวลาการส่งข้อมูล

รูปที่อธิบายการใช้งานของหน่วย PLL ในการสลับเทคนิคความถี่

การเลือกโหมดการจัดการนาฬิกาของการทำงาน

บางส่วนของไมโครคอนโทรลเลอร์ความเร็วสูงรองรับโหมดการจัดการนาฬิกาที่แตกต่างกันเช่นโหมดหยุด, การบริหารจัดการโหมดเพาเวอร์ (PMMS) และโหมดปกติ เป็นไปได้ที่จะสลับระหว่างโหมดเหล่านี้เพื่อให้ผู้ใช้ปรับความเร็วของอุปกรณ์ให้เหมาะสมในขณะที่ใช้พลังงาน

แหล่งนาฬิกาที่เลือกได้

คริสตัลออสซิลเลเตอร์เป็นผู้ใช้พลังงานจำนวนมากในไมโครคอนโทรลเลอร์ใด ๆ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในระหว่างการใช้พลังงานต่ำ วงแหวนออสซิลเลเตอร์ที่ใช้สำหรับการเริ่มต้นอย่างรวดเร็วจากโหมดหยุดยังสามารถใช้เพื่อจัดหาแหล่งสัญญาณนาฬิกาประมาณ 3 ถึง 4MHz ในระหว่างการทำงานปกติ แม้ว่าคริสตัลออสซิลเลเตอร์จะยังคงต้องใช้ในการเปิดเครื่อง แต่เมื่อคริสตัลมีความเสถียรแล้วการทำงานของอุปกรณ์สามารถเปลี่ยนเป็นวงแหวนออสซิลเลเตอร์ได้โดยตระหนักถึงการประหยัดพลังงานได้มากถึง 25 mA

การควบคุมความเร็วนาฬิกา

ความถี่ในการทำงานของไมโครคอนโทรลเลอร์เป็นปัจจัยเดียวที่ใหญ่ที่สุดในการกำหนดการใช้พลังงาน ไมโครคอนโทรลเลอร์ตระกูล High-Speed ​​Microcontroller รองรับโหมดการจัดการความเร็วสัญญาณนาฬิกาแบบต่างๆที่ประหยัดพลังงานโดยการชะลอหรือหยุดนาฬิกาภายใน โหมดเหล่านี้ช่วยให้นักพัฒนาระบบสามารถประหยัดพลังงานได้สูงสุดโดยมีผลกระทบน้อยที่สุดต่อประสิทธิภาพ

การเรียกใช้ซอฟต์แวร์จากหน่วยความจำแบบไม่ลบเลือนหรือ RAM

นักพัฒนาต้องพิจารณาอย่างรอบคอบว่าซอฟต์แวร์ถูกเรียกใช้งานจากหน่วยความจำที่ไม่ลบเลือนหรือ RAM ในการประมาณปริมาณการใช้ปัจจุบัน การดำเนินการจาก RAM สามารถให้ข้อกำหนดปัจจุบันที่ใช้งานได้ต่ำกว่า อย่างไรก็ตามแอพพลิเคชั่นจำนวนมากไม่ได้มีขนาดเล็กพอที่จะดำเนินการจาก RAM เพียงอย่างเดียวและต้องใช้โปรแกรมจากหน่วยความจำที่ไม่ลบเลือน

นาฬิกาบัสเปิดหรือปิดใช้งาน

แอปพลิเคชันไมโครคอนโทรลเลอร์ส่วนใหญ่ต้องการการเข้าถึงหน่วยความจำและอุปกรณ์ต่อพ่วงระหว่างการเรียกใช้ซอฟต์แวร์ สิ่งนี้จำเป็นต้องเปิดใช้งานนาฬิกาบัสและต้องได้รับการพิจารณาในการประมาณการปัจจุบันที่ใช้งานอยู่

การใช้ออสซิลเลเตอร์ภายใน

การใช้ออสซิลเลเตอร์ภายในและการหลีกเลี่ยงออสซิลเลเตอร์ภายนอกสามารถประหยัดพลังงานได้มาก เนื่องจากออสซิลเลเตอร์ภายนอกดึงกระแสมากขึ้นส่งผลให้มีการใช้พลังงานมากขึ้น นอกจากนี้ยังไม่ยากที่จะใช้ออสซิลเลเตอร์ภายในเนื่องจากออสซิลเลเตอร์ภายนอกแนะนำให้ใช้เมื่อแอพพลิเคชั่นต้องการความถี่สัญญาณนาฬิกามากขึ้น

สรุป

การผลิตผลิตภัณฑ์ที่ใช้พลังงานต่ำเริ่มต้นด้วยตัวเลือก MCU และเป็นเรื่องยากอย่างมากเมื่อมีตัวเลือกที่หลากหลายในตลาด การปรับเปลี่ยนความถี่อาจส่งผลกระทบอย่างมากต่อการใช้พลังงานและยังให้ผลการใช้พลังงานที่ดีอีกด้วย ประโยชน์ที่เพิ่มขึ้นของการปรับเปลี่ยนความถี่คือว่ามีไม่มีค่าใช้จ่ายเพิ่มเติมและฮาร์ดแวร์จะสามารถดำเนินการได้อย่างง่ายดายในซอฟแวร์เทคนิคนี้สามารถใช้เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพการใช้พลังงานของ MCU ราคาประหยัด นอกจากนี้ปริมาณการประหยัดพลังงานขึ้นอยู่กับความแตกต่างระหว่างความถี่ในการทำงานเวลาในการประมวลผลข้อมูลและสถาปัตยกรรมของ MCU สามารถประหยัดพลังงานได้ถึง 66.9% เมื่อใช้เทคนิคการสลับความถี่เทียบกับการทำงานปกติ

ในตอนท้ายของวันสำหรับนักพัฒนาการตอบสนองความต้องการของฟังก์ชันระบบที่เพิ่มขึ้นและวัตถุประสงค์ด้านประสิทธิภาพในขณะที่เพิ่มอายุการใช้งานแบตเตอรี่ของผลิตภัณฑ์ถือเป็นความท้าทายที่สำคัญ ในการพัฒนาผลิตภัณฑ์ที่ให้อายุการใช้งานแบตเตอรี่ที่ยาวนานที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้อย่างมีประสิทธิภาพ - หรือแม้กระทั่งใช้งานโดยไม่ใช้แบตเตอรี่เลย - จำเป็นต้องมีความเข้าใจอย่างลึกซึ้งเกี่ยวกับความต้องการของระบบและข้อกำหนดปัจจุบันของไมโครคอนโทรลเลอร์ สิ่งนี้ซับซ้อนกว่าการประมาณปริมาณ MCU ปัจจุบันที่ใช้งานเมื่อแอ็คทีฟขึ้นอยู่กับแอพพลิเคชั่นที่กำลังพัฒนาการปรับเปลี่ยนความถี่กระแสไฟสแตนด์บายกระแสอุปกรณ์ต่อพ่วงอาจส่งผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่ออายุการใช้งานแบตเตอรี่มากกว่าพลังงาน MCU

บทความนี้สร้างขึ้นเพื่อช่วยให้นักพัฒนาเข้าใจว่า MCU ใช้พลังงานอย่างไรในแง่ของความถี่และสามารถปรับให้เหมาะสมได้ด้วยการปรับเปลี่ยนความถี่