Bruk en mikrokontroller for energihøstings til å eliminere utskifting av IoT-batteri

Designere av IoT-enheter (tingenes internett-enheter) er konstant på utkikk etter bedre måter å drive disse utrustningene på, for å minimere nedetid på for ulike forbruker-, kommersielle- eller industriinnretninger. Primærbatterier må overvåkes kontinuerlig, og når de til slutt skiftes ut, utgjør de til et betydelig avhendingsproblem. Oppladbare batterier løser avhendingsproblemet, men enheter må demonteres, lades opp og monteres på nytt.

Begrensningene i tradisjonelle tilnærminger har resultert i økt interesse for energihøstingsteknikker der omgivelsesenergi brukes til å drive en enhet. Problemet for designere er at kretsene som trengs for å høste energi og lade batterier, kan bidra betydelig til å øke konstruksjonskompleksitet, størrelse og pris.

Denne artikkelen tar kort for seg bruk av energihøsting i IoT-utrustninger, og skisserer noen av utfordringene utviklerne står overfor. Deretter introduseres en tilnærming som overvinner disse utfordringene ved å integrere kretser for energihøsting og batteriladestyring på en mikrokontroller (MCU). Ved hjelp av eksempelenheter og tilhørende evalueringstavler fra Renesas, vil artikkelen vise hvordan tilnærmingen kan anvendes for effektivt å eliminere behovet for batteriutskifting i IoT-enheter.

Hvorfor bruke energihøsting til IoT?

Energihøsting er en attraktiv løsning for IoT-utrustninger som trådløse sensorsystemer med lavt energiforbruk, der det muliggjør distribusjon av helt trådløse enheter som krever lite eller intet vedlikehold. Vanligvis behøver disse enhetene fortsatt et oppladbart batteri eller en superkondensator for å møte krav til effekttopper.

Ved å høste omgivelsesenergi kan systemet i prinsippet bruke en mindre energilagringsenhet og forlenge levetiden. ,I sin tur kan den resulterende IoT-konstruksjonen potensielt passe i en mindre kapsling, så lenge energihøstingsfunksjonaliteten ikke legger til mange deler til konstruksjonen. I praksis hindrer imidlertid behovet for ytterligere komponenter for å implementere energihøsting forsøk på å redusere designfotavtrykket.

Problemet er at en kraftkilde for energihøsting vanligvis krever separate enheter for å høste omgivelsesenergi og sikre riktig ladingshåndtering for en energilagringsenhet som et oppladbart batteri eller superkondensator. I tillegg til en allerede minimalistisk trådløs systemdesign som omfatter en MCU-, sensor- og radiofrekvensmottaker (RF-transceiver), kan denne tilleggsfunksjonaliteten gjøre om en enkel konstruksjon med få deler, til en relativt kompleks konstruksjon (figur 1).

Figur 1: Bruk av energihøsting i IoT-enheter kan frigjøre brukerne fra hodepine med batterivedlikehold, men de ekstra kravene har vanligvis resultert i trinnvis større enheter, større konstruksjonskompleksitet og høyere kostnader – som alle er i strid med kravene i en utarbeidet IoT-design. (Bildekilde: Renesas)

Minimering av komponenter for IoT-design

Til nå har mange av de forskjellige komponentene som kreves for energihøsting blitt integrert i spesialiserte moduler og integrerte strømstyringskretser (power management integrated circuits – PMIC-er) som Analog Devices 'LTC3105/LTC3107, Cypress Semiconductor' s S6AE101A, Matrix Industries 'MCRY12-125Q-42DIT, og mange andre. Slike enheter gir en regulert spenningsskinne fra en solcelle, termoelektrisk generator (TEG), piezoelektrisk vibrasjonstransduser eller annen energikilde. Dermed kan de fungere som en komplett energihøstingsstrømforsyning for en grunnleggende IoT-maskinvarekonstruksjon. Designere må likevel presse konvolutten for å oppfylle kravene til utrustningen, samt beholde eller oppnå konkurransefortrinn.

Renesas RE01-familie mikrokontrollere (MCU-er) hjelper til med disse målene, ettersom den tar integrasjonstilnærmingen et skritt videre ved å inkludere en energihøstingsregulator (energy harvesting controller – EHC) i enheten. Faktisk kan en RE01-mikrokontrolleren (MCU-en) bruke sin innebygde EHC (energihøstingsregulator) til å lade et sekundært batteri samtidig som den gir systemstrøm til resten av enheten. Mer enn bare en enhet for energihøsting, RE01 inkluderer en EHC (energihøstingsregulator) med en 64 megahertz (MHz) Arm® Cortex®-M0+-kjerne, Flash på brikke (on-chip Flash), en klarert blokk for sikker immateriell eiendom (TSIP), en 14-bits analog-til-digital omformer (ADC), timere og flere tilkoblinger for periferiutstyr (figur 2).

Figur 2: Opprettet for å forenkle konstruksjon av batteridrevede enheter, kombinerer Renesas RE01-familien mikrokontrollere en komplett energihøstingsregulator med en arm-Cortex-M0+-prosessorkjerne med lavt energiforbruk, Flash på brikke (on-chip-flash) og flere periferiutstyr og grensesnitt. (Bildekilde: Renesas)

RE01 er designet for å forenkle implementeringen av batteridrevne IoT-enheter og integrerer et omfattende sett med relevant perifer funksjonalitet. Sammen med sine ADC- og serielle grensesnitt for sensorintegrasjon, inkluderer anordningen en motordriverkontrollkrets («MTDV»-blokk på figur 2) i stand til å drive opptil tre motorer; en konstant strømkilde i stand til å drive tre eksterne lysdioder (LED); og en lavhastighetspulsgenerator (low-speed pulse generator – LPG). For visningsutgang integrerer RE01-mikrokontrolleren (MCU-en) en grafisk akselerator for todimensjonal (2D) bildebehandling, samt en MIP-styring (memory-in-pixel) for LCD-skjerm (Liquid Crystal Display). For sanntidskontrollkrav inkluderer mikrokontrolleren (MCU-en) også en timer med overvåkningskrets (watchdog-timer), en sanntidsklokke (real-time clock –RTC) og klokkekorreksjonskrets (clock correction circuit – CCC) som opprettholder klokkepresisjon. For programvarekode og data kombinerer RE01-familien funksjonaliteten nevnt ovenfor i medlemsenheter inkludertR7F0E015D2CFP (RE01 1500KB) med 1500 Kbyte Flash, ogR7F0E01182CFM (RE01 256KB) med 256 kilobyte (Kbytes) Flash.

I tillegg til funksjonelle funksjoner, gir RE01-mikrokontrolleren (MCU-en) mange muligheter for å finne den nødvendige balansen mellom ytelse og strømforbruk. Mikrokontrolleren (MCU-en) kan kjøre i flere driftsmoduser som minimerer strømforbruket ved å redusere driftsfrekvensen fra sin maksimale 64 MHz-hastighet ned til 32,768 kilohertz (kHz) i en lav lekkasjestrømmodus, med mellomliggende frekvenser i normal driftsmodus på 32 MHz eller 2 MHz. I vanlig drift forbruker R7F0E015D2CFP RE01 1500KB vanligvis bare 35 µA/MHz (mikroampere per megahertz) aktiv strøm og bare 500 nA (nanoampere) strøm i standby-modus ved 1,62 volt. Dens 14-bits ADC trekker bare 4 µA, og Flash-programmeringsomskrivninger trenger bare ca 0,6 mA (milliampere). Ved å levere forsyningen for disse normale operasjonene, integrerer RE01-mikrokontrollerens (MCU-ens) EHC (energihøstingsregulator) et omfattende sett med kapasiteter konstruerte for å lette implementeringen av energihøsting og batteriregulering.

Integrert energihøstingsregulator forenkler design

Takket være den integrerte energihøstingsregulatoren (EHC-en) gjør RE01-mikrokontrollere implementering av energihøsting til en ganske rutinemessig operasjon. Utviklere trenger bare å koble et strømgenererende element, for eksempel en solcelle, TEG eller vibrasjonstransduser, direkte til MCU-ens VSC_VCC- og VSC_GND-pinner. Når tilstrekkelig omgivelsesenergi er tilgjengelig, kan EHC-en drive MCU-utgangspinner for å lade et sekundært batteri (VBAT_EHC), en lagringskondensator (VCC_SU) og andre eksterne enheter (figur 3).

Figur 3: Renesas RE01-familie mikrokontrollere (MCU-er) sine integrerte energihøstingsregulator lar utviklere utnytte energihøsting raskt. (Bildekilde: Renesas)

Konstruksjonens enkelhet stammer fra hele settet med funksjonelle blokker inneholdt i RE01-mikrokontrolleren (MCU-em) som vist i figur 4.

Figur 4: Renesas RE01-mikrokontrollerens (MCU-ens) integrerte energihøstingsregulator inkluderer all funksjonaliteten som kreves for å bruke et strømgenererende element til å generere de nødvendige spenningsutgangene. (Bildekilde: Renesas)

I tillegg til funksjonelle blokker, gir energihøstingsregulatoren (EHC-en) flere spenningsovervåkingskretser samt flere status- og kontrollregistre for å organisere strømforsyningen. Et strømgenererende elementstatusflagg (ENOUT) indikerer for eksempel om elementet genererer strøm. Omvendt indikerer et overvåkingsflagg for lademål (CMPOUT) om ladespenningen påføres sekundærbatteriet eller lagringskondensatoren. Hver av disse funksjonene spiller en rolle når energihøstingsregulatoren (EHC-en) fortsetter gjennom driftstilstandene forbundet med oppstart, normal drift og batteriutmatting (figur 5).

Figur 5: Ved hjelp av interne spenningsmonitorer, statusflagg og registre, støtter mikrokontrollerens RE01-mikrokontrollerens (MCU-ens) integrerte energihøstingsregulator (EHC) hele ladesekvensen fra innledende lading til utmattelse. (Bildekilde: Renesas)

Når et strømgenererende element er koblet til mikrokontrolleren (MCU-en), går energihøstingsregulatoren (EHC-en) inn i den innledende ladeperioden. Her gjør energihøstingsregulatoren (EHC-en) det mulig for strøm å strømme til VCC_SU, og lader lagringskondensatoren til spenningsnivået på VCC_SU overskrider et bestemt terskelspenningsnivå, VCC_SU_H. På dette tidspunktet benytter energihøstingsregulatoren (EHC-en) deretter lagringskondensatoren til å begynne å forsyne systemdomenet VCC med strøm. Når VCC overskrider strømmen på signalet for terskelspenningen (threshold voltage Power-on reset signal – VPOR), går tilbakestillingssignalet (Power-on reset signal) for strøm til høyt, frigjør enheten fra tilbakestilling og bringer samtidig ENOUT til høyt, noe som indikerer at strømgenereringselementet er aktivt.

Etter at strømmen på tilbakestilling er frigjort, er EHCs VBAT_EHC-ladekontrollregister, VBATCTL, satt til 11b, slik at enheten kan begynne å lade det sekundære batteriet. I løpet av denne perioden veksler faktisk energihøstingsregulatoren (EHC-en) mellom sekundærbatteriet og lagringskondensatoren for å opprettholde VCC-forsyningen mens batteriet lades. Når lagringskondensatorspenningen faller under et lavere terskelspenningsnivå, VCC_SU_L, slår energihøstingsregulatoren (EHC-en) på strøm til VCC_SU så den når den øvre terskelen VCC_SU_H, hvorpå den gjenopptar ladingen av sekundærbatteriet. Denne prosessen fortsetter til lagringsbatterispenningen på VBAT_EHC når VBAT-TERSKELEN, VBAT_CHG (figur 6).

Figur 6: Selv etter at MCU sin integrerte energihøstingsregulator (energy harvesting controller – EHC) Renesas RE01 begynner å lade enhetens batteri, fortsetter energihøstingsregulatoren (EHC-en) å opprettholde ladingen på lagringskondensatoren, som gir VCC-systemforsyningen til batteriet er fulladet. (Bildekilde: Renesas)

Etter at batteriet er ladet, er QUICKMODE-biten innstilt, noe som gjør at energihøstingsregulatoren (EHC-en) går inn i stabil driftstilstand. I denne tilstanden fortsetter energihøstingsregulatoren (EHC-en) å lade batteriet fra strømgenereringselementet, samtidig som den leverer strøm fra batteriet til VCC-domenet.

Hvis omgivelsesenergien faller og strømgenereringselementet slutter å gi strøm, fortsetter energihøstingsregulatoren (EHC-en) å levere VCC fra batteriet. Til slutt vil den interne spenningsmonitoren oppdage at VBAT_EHC har falt under en forhåndsinnstilt terskel, V_det1, og QUICKMODE-biten vil bli tilbakestilt til null. Når denne biten er innstilt, brytes strømmen til VCC-domenet, og EHC-registrene initialiseres. Ytterligere reduksjon i VCC under V_POR gjør at enheten tilbakestiller tilbakestillingssignalet for strøm på (Power-on). For å gjenoppta driften må enheten utføre den innledende ladesekvensen etter at omgivelsesenergien har steget til tilstrekkelige nivåer.

Evalueringssett hjelper med rask prototyping

Mens RE01 sin innebygde energihøstingsregulator (EHC) eliminerer behovet for tilleggskomponenter,må utviklere fortsatt konfigurere enheten og utføre den foreskrevne serien med operasjoner som er nevnt ovenfor for å utnytte funksjonene. For å hjelpe utviklere raskt å gå inn i rask prototyping og tilpasset utvikling med RE01-familien, tilbyr RenesasRTK70E015DS00000BE ogRTK70E0118S00000BJ bruksklare evalueringssett for henholdsvis RE01 1500KB og RE01 256KB. Faktisk tilbyr RE01 1500KB-settet en nøkkelferdig utviklingsplattform som inkluderer RE01 1500KB MCU-kortet (Figur 7), et LCD-utvidelseskort, et solcellepanel og en USB-kabel. Sammen med RE01-mikrokontroller (MCU) inkluderer utviklingskortet en lagring superkondensator, en kontakt for et eksternt oppladbart batteri, brytere, lysdioder, en innebygd feilsøking og flere grensesnittkontakter, inkludert enArduino Uno-stiftlist (pinnelist).

Figur 7: Renesas RE01 1500KB-evalueringssett inkluderer et RE01 1500KB-mikrokontroller (MCU)-kort med innebygd feilsøking og flere grensesnittalternativer som er konstruerte for å hjelpe evaluering, prototyping og tilpasset utvikling. (Bildekilde: Renesas)

Sammen med maskinvareutviklingsplattformen som leveres i evalueringssettet, gir Renesas et omfattende sett med programvarepakker, designet for å kjøre under IAR Systems sin Embedded Workbench Integrated Development Environment (IDE), eller Renesas sitt eget e² Studio IDE. Bygget på Arms Cortex Microcontroller Software Interface Standard (CMSIS)-driverpakke, bruker programvaren programvarekonstruksjoner som er kjent for utviklere av kode for Arm-baserte prosessorer.

Kanskje viktigst, prøverutinene i Renesas-programvarepakkene gir en kjørbar mal for utvikling av tilpasset programvare. For eksempel krever implementering av EHC-driftssekvensen vist i figur 5 en medfølgende serie nullstillingsprosedyrer som er nødvendige for å minimere strømforbruket under nøkkelstadier som innledende lading og sekundær batterilading. En oppstartsrutine som følger med prøveprogramvaren, demonstrerer hver av disse nullstillings- og oppsettprosedyrene. Enda bedre, Renesas gir utviklere en klar bane for å bruke denne oppstartsrutinen til å endre parametere etter behov og sette inn sin egen programvarekode i oppstartssekvensen (figur 8).

Figur 8: Inkludert i Renesas-programvaredistribusjonen demonstrerer eksempelkoden for oppstart av RE01-mikrokontrollerens (MCU-ens) energihøstingskapasiteter hvert nødvendige trinn, samtidig som den fremhever hvor utviklere kan endre parametere eller sette inn sin egen programvarekode. (Bildekilde: Renesas)

Ved hjelp av Renesas evalueringssett og tilhørende programvarepakker kan utviklere raskt utforske forskjellige driftsmoduser på RE01-mikrokontrolleren (MCU-en) og evaluere energihøstingsmetoder. Senere gir dette miljøet en effektiv plattform for raskt å prototyping av sin egen utrustning og tilpassede utvikling.

Konklusjon

Energihøsting tilbyr en effektiv løsning for å redusere batteristørrelsen og forlenge batterilevetiden i systemer med lavenergisystemer som IoT-enheter, men tilnærmingen kan bidra betydelig til å øke den generelle konstruksjonsstørrelsen, kompleksiteten og kostnaden. En mer integrert tilnærming er nødvendig.

Fullstappet med flere funksjonelle blokker og periferiutstyr, inkluderer en familie med mikrokontrollere (MCU-er) fra Renesas et komplett energihøstings-undersystem på brikke (on-chip) som strømlinjeformer og forenkler konstruksjonen av energihøstingssystemet. I samarbeid med tilhørende utviklingskort og programvare kan utviklere raskt evaluere, prototype og bygge tilpassede konstruksjoner som kan dra full nytte av fordelene ved energihøsting ved hjelp av små, billige enheter.