Många moderna MCU-kretsar är baserade på ARM-processorer. Målet är ofta att kombinera ARM-arkitektur, höga prestanda och extremt låg effektförbrukning och här beskriver Mohammed Dogar från Renesas Electronics Europe hur företagets RL78-plattform klarar de kraven.

 MCU-kretsarna i RL78-familjen har speciella funktioner för att minimera arbetsströmmen. Stora sektioner av MCUn kan stängas av samtidigt som viktiga periferiblock fortfarande är i drift.
Detta uppnås med hjälp av funktionen Snooze Mode (”tupplursläge”). Detta arbetsläge reducerar drastiskt effektförbrukningen hos många typiska MCU-funktioner. Effektbesparingarna uppnås genom att generella funktioner för datainsamling och dataöverföring kan arbeta utan att behöva väcka upp CPUn. Denna arbetsflexibilitet ger avsevärda fördelar jämfört med andra lågeffektslägen där CPUn måste förbli i aktivt läge och assistera vid generella periferifunktioner.
I ett system som periodiskt mäter en analog signal kan Snooze Mode bidraga till att en MCU av typ RL78/G13 kan uppnå över 50 procents minskning av systemets genomsnittliga effektförbrukning, jämfört med en implementering som saknar detta arbetsläge.

Fig 1. De viktigaste egenskaperna hos RL78-plattformen.

Förutom Snooze Mode har RL78-kretsarna andra viktiga lågeffektsegenskaper som har stort värde i effektbegränsade konstruktioner. Deras breda arbetsområde, från 1,6 V till 5,5 V, passar till exempel bra i batteribaserade applikationer, där spänningen (VCC) sjunker med tiden i takt med att batteriet urladdas.

Halva effekten
Det ökande behovet av låg effektförbrukning drivs på av marknadskrav på ökad mobilitet, portabilitet, minskad storlek och nya finesser i olika elektronikprodukter för konsument- och hemmabruk, liksom i industri-, kontors- och medicinapplikationer.
Många företag använder t ex idag handhållna mätare för allt från lagerstyrning till fjärrmätning av effekt, vätskeflöden och gasflöden. Dessa mätare måste kunna drivas med batterier många timmar mellan uppladdningarna. Systemspecifikationen ”funktion per mA” har kritisk betydelse, så att mätarna kan tillhandahålla de funktioner och ge de prestanda som krävs mellan uppladdningarna.
I mer extrema applikationer finns utrustning som drivs med batterier under hela sin livstid, utan att alls laddas upp någon enda gång. Sådana konstruktioner kräver lägsta möjliga arbetsström. Här är det ytterst viktigt att stänga av funktioner i systemet så snart som de inte behövs, liksom att väcka upp funktioner bara när de verkligen behövs. Möjligheten att låta en enhet vänta i ett läge med mycket låg effektförbrukning tills den behöver agera, och då väcka upp den och låta den arbeta med lägsta möjliga strömförbrukning, kan drastiskt öka den användbara livstiden.
Renesas RL78 är en lämplig lösning för embedded-system som kräver låg effektförbrukning eftersom de har ett antal avancerade funktioner för effekthantering. Dessa funktioner gör att MCUn kan arbeta på dessa sätt:
1) Arbeta med exceptionellt hög effektverkningsgrad i vanlig Run Mode.
2) Avaktivera CPUn för att spara effekt i Halt Mode (med möjlighet att snabbt väcka upp CPUn).
3) Avaktivera fler MCU-funktioner i Stop Mode för att spara än mer effekt (till kostnaden av att det tar längre tid att väcka upp CPUn).
4) Snooze Mode ger än större effektbesparingar.

Snooze mode
Under Snooze Mode kan vissa periferifunktioner vakna upp och utföra enkla operationer, samtidigt som resten av MCUn är stoppad. Detta sparar in avsevärda mängder effekt jämfört med Run Mode och Halt Mode, för under Snooze är CPUn avstängd och bara de periferifunktioner som måste arbeta är aktiverade.
Vid datamottagning i Snooze Mode från en synkron serieport kan UARTen eller en A/D-omvandlare arbeta genom att väcka upp den aktuella porten, men inte MCUn.
A/D-omvandlaren kan ”väckas upp” när realtidsklockan eller intervalltimern genererar avbrottssignaler för att starta omvandlingen. På liknande sätt kan den synkrona serieporten ”väckas upp” av att en flank detekteras på serieklock-ingången, och UARTen av att en flank detekteras på RxD-ingången.

Fig 2. Flödesschema över de olika arbetsmoderna.

När datamottagningen i Snooze Mode är avslutad utförs en ”match condition”-kontroll. Om tillståndet är en ”match” går MCUn ut ur Snooze Mode och in i Run Mode. Om tillståndet inte är en ”match” går den ner till Stop Mode. Det innebär att CPUn aktiveras endast när de data som tagits emot kräver någon aktivitet av CPUn.
I Snooze Mode förbrukar A/D-omvandlingen bara 0,8 mA, jämfört med 5 mA i Run Mode. Så en drastisk sänkning av effektförbrukningen uppnås, i detta fall 90 procent.

Intelligenta lösningar
RL78-familjen gör det inte bara möjligt att utveckla intelligenta lösningar med innovativa effektbesparingslägen, utan också med förbättrade funktioner, inom belysning, mätning, fordonsteknik och vitvaror. Här följer några praktiska exempel på intelligent effektivitet.

Motorstyrning
Den nyaste medlemmen i General Purpose-familjen (G-serien) – RL78/G14 – möjliggör mycket höga prestanda i olika applikationer. I Run Mode ger den 44 DMIPs vid 32 MHz, samtidigt som den bara behöver 66 µA/MHz i arbetsström. Denna bearbetningskapacitet gör att viktiga funktioner kan utföras snabbt, vilket minskar strömförbrukningen under viktiga arbetsmoment.
RL78/G14 erbjuder tre avancerade timermoduler för applikationer inom motorstyrning: Timer RD, Timer RG och Timer RJ. Timer RD har två 16-bits timers som kan arbeta vid 64 MHz samt en PWM-funktion som kan leverera (sex) trefas vågformer med en amplitud som specificeras av användaren. Timer RG är en 16-bits timermodul som automatiskt kan räkna signalen från en tvåfas kodare i fasräknande mod. Timer RJ är en 16-bits timermodul som kan mäta pulsbredden eller cykeln hos en pulsutsignal eller extern pulsinsignal.

Fig 3. Förloppet när en A/D-omvandlare triggas av en timer i Snooze Mode.

Förutom Snooze Mode, integrerar RL78/G14 ytterligare funktioner som reducerar effektförbrukningen och ger högre prestanda. Event Link Controller (ELC) länkar händelse som kommer från periferifunktioner reciprokt till andra periferifunktioner. Dessa länkningar av händelser möjliggör direkta anslutningar som inte involverar CPUn, kooperativ operation av periferifunktioner samt snabbare aktivering av periferifunktioner.
Det går också att starta periferifunktioner när CPUn är stoppad, vilket reducerar strömförbrukningen. Med Data Transfer Controller (DTC) går det att överföra data från minne till minne utan att använda CPUn. DTC stöder ett större antal överföringskanaler och aktiveringskällor och möjliggör också dataöverföringar från flashminnet.

Belysningsapplikationer
RL78/I1A är 16-bits MCU-kretsar som i ett och samma chip implementerar den LED-styrkrets, den styrkrets för spänningsaggregat och de kommunikationsfunktioner som krävs i belysningsarmaturer. Kretsarna innehåller ett antal funktioner som gör dem lämpliga inte bara för belysning i hemmet, utan också för system som hanterar centraliserad styrning av ett antal belysningsenheter, t ex i kommersiella byggnader och varuhus.

Fig 4. Översikt över RL78/G14 (64-pin).

CPU-kärnan i RL78 uppvisar både höga beräkningsprestanda och ultralåg effektförbrukning. De sex PWM-utgångarna klarar så hög genomsnittlig upplösning som 0,97 ns. Vidare finns noggrann styrning av ljusstyrkan, inbyggda funktioner för DALI/DMX512-kommunikation samt en integrerad PFC-styrfunktion som eliminerar behovet av en extern IC för PFC-styrning.

Kom snabbt igång
Till MCU-plattformen finns en omfattande utvecklingsmiljö. Ett kostnadsfritt promotionkort (RPB) kan användas för utvärdering och enklare produktutveckling. För mer avancerad utvärdering och avbuggning finns ett prisbilligt startpaket (RSK). Både RPB och RSK innehåller en Kickstart-version av IAR-kompilatorn (begränsad till 16K kod) och Renesas kodgenerator ”Applilet”.
Komponenterna finns i ett antal olika versioner med från 20 till 128 pinnar och minnesstorlekar från 2 kbyte till 512 kbyte flashminne samt gemensamma periferimöjligheter över hela familjen. Prestanda ligger på 44 DMIPs vid 32 MHz, med en typisk strömförbrukning på bara 66 µA. Lågeffektsegenskaperna förstärks ytterligare genom det breda arbetsområdet: 1,6 V till 5,5 V.
Mohammed Dogar, Product Marketing, Industrial & Distribution Business Unit, Renesas Electronics Europe, GmbH

Filed under: Enkapseldatorer