电池供电设备设计中RL78微控制器电流消耗评估利器:瑞萨免费“电流消耗计算器”和“电流消耗模拟器”

2018-11-22 Renesas

瑞萨电子提供免费的“电流消耗计算器”和“电流消耗模拟器”,用于在电池供电设备的设计中对RL78微控制器进行评估。电流消耗计算器用于在规格定义期间评估消耗电流,而电流消耗模拟器用于在软件设计和实现过程中验证消耗电流。通过评估原型板完工前每个阶段的消耗电流,可以减少设计周期数,降低因设计错误导致开发进度延误的风险。


功耗是电池供电装置和供电受限装置开发中的常见问题。由于规格定义阶段的评估不足,使得我们经常会听到“实际测得的消耗电流超过目标值”这样的问题。


嵌入式控制设备通常要求低功耗,为此就需要对系统设计和实现有一个整体的认识。但如果没有丰富的经验,便很难做到这一点,而且还会导致功耗评估不准确,以及其它小错误。尤其是对于微控制器,它的消耗电流将随着所运行软件的行为而变化。在软硬件设计分离的情况下,总消耗电流只有在开发的最终阶段才可以测得。如果实际值高于初期的评估,则需要耗费大量的人力和时间来修改设计,以便达到初期的评估目标。为解决此类问题,瑞萨电子研究了MCU电流的测量方法,以便模拟实际的测试。由此一来,电流评估工具便可以更好地支持初期的开发工作,例如规格定义。


为管理开发进度严重延误等问题,瑞萨电子提供了免费的“电流消耗计算器”和“电流消耗模拟器”,可帮助RL78微控制器用户对消耗电流进行评估。例如,通过使用电流消耗计算器,即使没有经验的新手设计师也可以轻松完成工艺规格定义(图1)。由于所需的评估信息得到确认,因此无需担心出现算错的情况。在与Excel等电子表格软件交叉检查评估结果后,用户可以自信地进行下一个过程。


图1:还在通过手动输入表格来评估消耗电流?为何不使用专用工具?


在本文中,Renesas将介绍适用于低功耗设备的RL78微控制器,以及两种全新的节能设计支持工具的优点。


RL78可以降低功耗

RL78是瑞萨电子的16位微控制器(少管脚的RL78/G10是8位微控制器)。RL78家族产品包括通用型RL78/G1x、用于LCD控制器的RL78/L1x、用于传感器、测量、照明和电源的RL78/I1x,以及用于汽车的RL78/F1x(图2)。我们还提供各种内存容量、管脚数和外设功能不同的产品。例如,低功耗蓝牙产品和用于智能电表的sub-GHz无线产品。


图2:RL78系列路线图


RL78微控制器的一大主要特点是低功耗。最大时钟频率为32  MHz(或24MHz),正常工作时的消耗电流为45.5μA/MHz,而在待机模式下的消耗电流大大降低,仅为0.24~0.53μA。除基本的主运行模式和停止模式外,RL78还具有暂停(HALT)和SNOOZE模式,这两种模式均为低功耗运行模式(即待机模式)(图3)。暂停和SNOOZE模式允许时钟和外设在CPU内核停止时仍保持持续工作。


图3:RL78微控制器的工作模式


从基本工作模式(主运行)转换进入暂停模式,直到发生中断,然后返回主运行模式。在暂停模式下,微控制器可以执行A-D转换、串行数据通信、乘法/除法/乘累加运算以及DMA操作,同时降低CPU电流。从停止模式转换到SNOOZE模式,直到发生中断,然后返回停止模式或主运行模式。SNOOZE模式的平均电流低于暂停模式。在SNOOZE模式下,微控制器可以激活片上振荡器(时钟电路),并执行A-D转换和串行数据通信。例如,当CPU内核停止时,处于SNOOZE模式的微控制器可以监测传感器信号,一旦满足预设条件,就会恢复工作状态。


尽管32位微控制器的功耗最近已经降低,但在运行时仍高达100μA/MHz。其中有些32位微控制器还有额外的模式,CPU内核可以在极低的时钟频率(低至几MHz)下运行,工作时的消耗电流仅为几十μA/MHz。这种情况下,在各种工作模式和复杂时序条件之间搜索最佳组合将成为设计过程的一个繁重的工作。因此,只要搞清楚处理性能和外设要求,使用RL78微控制器构建低功耗系统将比使用具有复杂内部操作的32位微控制器容易得多。


不同的生产流程需要不同的评估方法

虽然RL78微控制器能够实现低功耗,但是如果没有优化低功耗模式设置,则无法显著降低功耗。因此,应提前考虑“何时转换暂停模式和SNOOZE模式?”或“在各种模式下那些外设可以工作”等问题。前面提到的“电流消耗计算器”可以简化这类功耗规格的调查。我们以网页应用程序的形式提供此工具(主计算过程在云服务器上执行)。


一旦生产过程进入软件设计和实施阶段,就需要验证功耗,查看其是否符合最初的预期。而“电流消耗模拟器”可以为这一过程提供支持。该模拟器在基于Eclipse的集成开发环境“e2studio”中以插件的形式提供。图4显示了使用RL78微控制器实现的嵌入式设备的开发过程。评估消耗电流和功耗的方法有很多,但要正确使用这些方法,就必须清楚了解其特性。


图4:开发过程和消耗电流评估


在初期定义系统规格时,无需硬件原型,可使用“消耗电流工具”这一软件网页应用。用户可以轻松进行评估,而无需花费时间或费用。通用微控制器开发板如RL78/G1x RSK(瑞萨入门套件)或“电流消耗模拟器”适用于在软件设计期间或软件实施的第一阶段评估消耗电流。使用开发板时,需要硬件成本支出,并且花费时间来设置硬件系统。而使用“电流消耗模拟器”可以让您省去所有这些人力物力。您只需从瑞萨电子的网站上下载e2studio,并将其安装到计算机上即可。


一旦完成电路和电路板设计,原型板准备就绪,开发板和电流消耗模拟器的使命也就结束了。设计的最后一步是使用原型板在与最终产品类似的环境下进行实际评估。除功耗评估外,还有人表示在开发实际产品时“不想依赖工具和模拟?”或“想要直接在实际板上测试原型板(性能和功耗)?”。这是由于在使用模拟工具的程序行为和使用参考板(通用微控制器开发板)时的实际输入/输出信号时序之间存在微小差异,而这种差异会导致评估结果出现一定程度的误差。如果开发进度的时间充裕,则上述“优先使用实际板”的概念高效而又实用。但如果时间不够,从开发进度管理和风险管理的角度来看,了解评估误差和评估每个阶段的功耗的做法更为稳妥。


数秒内计算出工作模式下获取的数据

下面我们将开始介绍瑞萨电子提供的两种工具之间的特性和使用方法的差异。(图5)


图5:两种消耗电流工具的概述


首先,您可以在图6中看到电流消耗计算器的截图。虽然电子表格软件常被用于比较/研究系统规格的性能和功耗,我们可以将该电流消耗计算器视为电子表格软件的替代品。使用该工具无需编写电子表格方程。


图6:电流消耗计算器


用户可以输入如下信息:RL78微控制器的类型、暂停&停止模式的开始/结束时间、运行模式下运行外围设备的开始/结束运行时间以及电池容量等。用户还可以在最大为60秒的时间范围内以μs(微秒)为最小时间单位设置一个工作模式。电流消耗计算器只需几秒钟就能处理所有信息,然后输出电流平均值和消耗电流的波形,以及电池寿命的近似值。电流消耗计算器得出的数值为参考指标。由于微控制器的消耗电流受外围设备的运行时间和运行模式的影响很大,因此只要正确输入这些数据,用户就可以精确控制消耗电流值。作为选择微控制器时的一个参考,其精度已足够高。


同时执行代码和计算精度

接下来,您可以在图7中看到电流消耗模拟器的截图。模拟器(指令模拟器)又称为ISS(指令集模拟器),可模拟指令级CPU的行为,集成在微控制器的开发环境中。可以使用该模拟器对程序进行简单的调试。


图7:e2studio的电流消耗模拟


电流消耗模拟器通过ISS执行程序代码,同时计算电流消耗。虽然在此过程中需要使用到实际的程序代码,但这样可以获得较高的验证精度。电流消耗计算的结构如图8所示。ISS可以模拟RL78微控制器内CPU内核和存储器的动作。外围设备作为模型而准备。通过协调ISS和外设模块的功能,模拟微控制器的整体动作,然后可以添加和模拟运行编译的程序代码(目标代码)。


当计算消耗电流时,如果由于操作外围设备而使电流发生了任何变化,则软件会记录电流值。一旦执行完程序代码,所有外设的消耗电流将在图中进行汇总和显示。


图8:e2studio电流消耗计算的结构


一般来说,用户必须考虑软件模拟的准确性(根据错误进行调整)和处理时间。虽然该工具的名称是“电流”消耗模拟器,但它不会真的去模拟电路的电流/电压。毕竟,这是一个指令级微控制器模拟器,指令周期数和电流波动时序可能与实际设备不同。此外,它不包括受复位内部设置和电压检测电路影响的消耗电流。由于存在这些误差因素,模拟精度与实际值有±10%的差异(非保证值)。模拟所需的时间取决于程序代码和处理内容的数量,其中电流消耗计算实际上非常简单,如图8所示。与未测量消耗电流的模拟相比(执行程序时),附加处理时间在5~10%的范围内。


此外,e2studio具有“虚拟电路板模拟器”功能。它可以进行系统级验证,包括RL78/G1x  RSK微控制器开发板和外围组件(LED、开关、电位计、串行端口等)(图9)。虽然无法添加独立的外围分立元件,但它可以通过虚拟操作开发板来调试程序和验证消耗电流。


图9:虚拟板模拟器


展望未来,我们计划为电流消耗模拟器和虚拟电路板模拟器提供云支持,可以像电流消耗计算器一样,在网页浏览器上使用。相关信息发布在专用网站上对于想要试用本章所介绍工具的用户,请搜索“RL78 WebSimulator”并访问瑞萨电子的网站。我们还将相应性地发布诸如工具说明书和样例程序、推荐评估的RL78微控制器产品等信息。

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  • 海绵宝宝 Lv7. 资深专家 2019-02-14
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