AVR-Tutorial: Power Management

ACHTUNG! Dieser Artikel befindet sich noch im Aufbau!

Vorallem in batteriebetriebenen Systemen spielt die Leistungsaufnahme eine wichtige Rolle, d.h. sie soll so niedrig wie möglich gehalten werden um eine lange Laufzeit zu erreichen. Den sparsamen Umgang mit der verfügbaren el. Ladung nennt man Power Management (dt. Energiesparen).

Im Rahmen des Power Managements stehen uns beispielsweise die Sleep-Modi zur Verfügung, mit denen wir bestimmte Module zeitweise deaktivieren können. Andere garnicht genutzte Module können wir durch entsprechende Konfiguration (z.B. in den Fuses) auch komplett deaktivieren.

Theorie

Der Stromverbrauch einer CMOS-Schaltung (was auch Mikrocontroller sind) hängt letztlich nur davon ab, wie viele Gates bei welcher Spannung umgeladen werden. Zur Reduktion steht demnach zur Verfügung:

• Reduktion der Umladevorgänge pro Sekunde, also Reduktion der Taktfrequenz
• Reduktion der beteiligten Kapazitäten, also Abschalten nicht benutzter Funktionsblöcke
• Reduktion der Speisespannung (bei manchen Controllern ist das die Kernspannung)

Den statischen Reststrom kann man heutzutage vernachlässigen, auch wenn an dieser Stelle die Anmerkung fallen muss, dass AVRs da eher schlecht abschneiden. Hingegen muss Strom durch ohmsche Lasten, etwa Pull-Up-Widerstände oder LEDs, unbedingt beachtet werden! Außerdem dürfen keine offenen (CMOS!-)Eingänge „herumfliegen“ sondern müssen allesamt an definiertem Potenzial liegen. In der Regel können Mikrocontroller unbenutzte Eingänge im Schlafmodus oder Analogeingangsbetrieb automatisch abtrennen.

Grundsätzlich sollte für Stromsparbetrieb die niedrigstmögliche Taktfrequenz gewählt werden, die möglich ist. Übliche Mikrocontroller können direkt von einem Uhrenquarz mit 32,768 kHz gespeist werden. Macht natürlich auch nur maximal 32768 Befehle pro Sekunde. Die Stromaufnahme ist dabei sehr gering und im Gegensatz zu Sleep-Mode-Tricksereien ohne hohe Spitzen.

Da das Antwortverhalten bei derart geringen Taktfrequenzen leidet, wird man eine höhere Frequenz wählen und den Prozessor bei Nicht-Bedarf schlafen schicken. Die Strom-Spitzen sind dementsprechend höher, die Gesamtstromaufnahme bleibt jedoch gering.

Viele Mikrocontroller können einzelne Funktionsblöcke abschalten. Bei den AVRs schlägt da vor allem der 16-Bit-Timer 1 zu Buche. Aber auch die Referenzspannungsquelle für den A/D-Wandler, Analogvergleicher oder den Brown-Out-Detektor kann man abschalten.

Für die Kontrolle der Stromaufnahme aus einer Batterie ist ein Digitalmultimeter mit vielen Strommessbereichen bis 20 µA (Auflösung 10 nA) vorteilhaft. Außerdem ein Plättchen einer doppelseitigen Leiterplatte mit dünnen Drähtchen, das man unter die Batteriekontaktierung schieben kann. Weicht die Stromaufnahme vom Datenblatt ab, hat man wohl noch irgendetwas vergessen.

Sleep Modi

Welche Sleep-Modi es gibt, hängt vom verwendeten µC ab, dieser Artikel nimmt jedoch Bezug auf den ATmega32. Um einen der verfügbaren Sleep-Modi des ATmega32 zu betreten müssen folgende Schritte ausgeführt werden

1. Das SE-Bit im MCUCR-Register wird auf 1 gesetzt
2. Die SMx-Bits im MCUCR-Register je nach gewünschtem Modus setzen
3. Der SLEEP-Befehl wird ausgeführt

Der Mikrocontroller geht dann sofort in den SLEEP-Modus, d.h. noch vor eventuell anstehenden Interrupts, und wacht erst wieder auf wenn ein Signal eines geeigneten Moduls (je nach Modus) ihn aufweckt.

Die Arbeit wird dann mit der ersten Anweisung hinter dem SLEEP-Befehl wieder aufgenommen.

MCUCR - MCU Control Register

Bit	7	6	5	4	3	2	1	0
Bezeichnung	SE	SM2	SM1	SM0	ISC11	ISC10	ISC01	ISC00

Bit 7 - SE

Sleep Enable

Mit diesem Bit wird bestimmt ob der Sleep-Befehl ausgeführt wird (1) oder nicht (0).

Bit 6..4 - SM2..0

Sleep Mode Select

Mit diesen drei Bits wird der gewünschte Sleep-Modus gewählt

SM2	SM1	SM0	Sleep Modus
0	0	0	Idle
0	0	1	ADC Noise Reduction
0	1	0	Power-down
0	1	1	Power-save
1	0	0	Reserved
1	0	1	Reserved
1	1	0	Standby(1)
1	1	1	Extended Standby(1)

⁽¹⁾ Nur verfügbar mit externem Taktgeber

Modi Übersicht

Generell ist der Modus zu wählen, der die meisten nicht benötigten Module abschaltet.

	Aktive Takte					Aktive Oszillatoren		Weckquellen
Sleep Modus	clkCPU	clkFLASH	clkIO	clkADC	clkASY	Haupttaktgeber	Timer Oszillator	INT2 INT1 INT0	TWI Address Match	Timer2	SPM/EEPROM Ready	ADC	Andere I/O
Idle			x	x	x	x	x(2)	x	x	x	x	x	x
ADC Noise Reduction				x	x	x	x(2)	x(3)	x	x	x	x
Power-down								x(3)	x
Power-save					x(2)		x(2)	x(3)	x	x(2)
Standby(1)						x		x(3)	x
Extended Standby(1)					x(2)	x	x(2)	x(3)	x	x(2)

⁽¹⁾ Nur verfügbar bei externer Taktquelle
⁽²⁾ Wenn AS2-Bit in ASSR-Register gesetzt
⁽³⁾ Nur INT2 oder Level Interrupt INT1 und INT0

Manuelles Deaktivieren

Einzelne Module können auch manuell deaktviert werden um Strom zu sparen, das bietet sich vorallem an wenn bestimmte Module im gegebenen Projekt generell nicht benötigt werden und damit deaktiviert werden können.

Analog to Digital Converter

todo...

Analog Comparator

Der Analogkomparator ist standardmäßig aktiviert. Um ihn zu deaktivieren, muss man ACD (Bit 7) im Register ACSR setzen.

Brown-Out Detector

Der Brown-Out Detector lässt sich entweder durch das BODEN-Bit in den Fuses oder mit entsprechenden Befehlen aktivieren oder deaktivieren. Das Fuse-Bit ist standardmäßig gesetzt (Achtung: Umgekehrte Logik!) und der BOD damit deaktiviert.

Watchdog

Auch der Watchdog-Timer lässt sich in den Fuses standardmäßig aktivieren/deaktivieren, hier über das WDTON-Bit. Natürlich geht auch das softwareseitig [1]

Praxis

Assembler

TODO: ASM-Quellcode Beispiele

C

Ein simples Testprogramm, um mit sleep modi im AVR zu spielen. Es funktioniert sehr gut mit dem ATmega8 und ist auch auf andere AVRs portierbar. Teilweise sind weitere Modi verfügbar.

Wichtig ist, daß die Interruptroutine für den "Weckruf" vorhanden sein muss. Es müssen nicht zwingend Aktionen in ihr durchgeführt werden.

/* ATmega8 with internal 4Mhz clock (6cycle + 64ms) */

#include <avr/io.h>
#include <avr/sleep.h>
#include <avr/interrupt.h>
#include <util/delay.h>

int main(void)
{
   DDRC |= (1 << PC2) | (1 << PC1); // leds for testing

   DDRD &= ~(1 << PD2); // INT0: input...
   PORTD |= (1 << PD2); // ...with pullup.

   // level interrupt INT0 (low level)
   MCUCR &= ~((1 << ISC01) | (1 << ISC00));

   // infinite main loop
   while (1)
   {
      // trigger leds for testing
      PORTC ^= (1 << PC1);
      _delay_ms(500);
      PORTC ^= (1 << PC1);

      // enable external interrupt
      GICR |= (1 << INT0);

      // set sleep mode
      set_sleep_mode(SLEEP_MODE_PWR_DOWN);

      // sleep_mode() has a possible race condition
      sleep_enable();
      sei();
      sleep_cpu();
      sleep_disable();

      // waking up...
      // disable external interrupt here, in case the external low pulse is too long
      GICR &= ~(1 << INT0);

      // disable all interrupts
      cli();
   }
}


ISR(INT0_vect)
{
   // ISR might be empty, but is necessary nonetheless
   PORTC ^= (1 << PC2); // debugging
}

Quellen

ATMEL AVR ATmega32 Datenblatt

---

Zurück zu Power Management | Hoch zu Inhaltsverzeichnis