למיקרו-בקרים החדישים תכונות שמאפשרות להגדיל את אורך חיי הסוללה ואת האמינות של מוצרים תעשייתיים ניידים, כפי שמסבירים דויד אוטן ויואל מאך מחברת .Microchip Technology Inc.
David Otten and Joel Mach, Microchip Technology Inc.
למוצרים תעשייתיים ניידים, כמו קוראי ברקוד, אוגרי נתונים, עוקבים, אזניות משככות רעש, בקרי מנוע קטנים ומטענים יש דבר אחד משותף: הצירוף של מיקרו-בקרים חדישים ושיטות תכנון פשוטות, יכול להאריך בצורה משמעותית את אורך חיי הסוללה, להפחית עלויות ולשפר ביצועים.
הארכת חיי הסוללה
אחת השיטות העיקריות להאריך את חיי הסוללה היא לתכנן את פעולת המיקרו-בקר ברמת ההספק הנמוכה ביותר האפשרית למשך פרק זמן ארוך ככל האפשר. תרשים 1 מציג כיצד ניתן לשלב מהירויות תפעול גבוהות וזמני התעוררות קצרים כדי להפחית את צריכת ההספק הממוצעת. המטרה היא אפוא שהמיקרו-בקר ישלים את פעולתו בזמן קצר ככל האפשר, כך שיימצא במשך זמן ארוך יותר במצב של הספק נמוך.
מיקרו-בקר שתומך בפעולה במתח נמוך גם חיוני להשגת אורך חיי סוללה מרבי. תרשים 2, באדיבות חברת Energizer, מציג את תוחלת החיים השמישה של סוללת אלקליין וסוללת מטבע ליתיום באוגר נתונים טיפוסי, שנמצא רוב הזמן במצב של הספק נמוך, עם התעוררות מזדמנת לצורך עיבוד מידע. הגרף מראה שעל ידי תפעול במתח נמוך יותר, גדל אורך החיים המומלץ של סוללות אלקליין מסוג AAAA שבמקורו שווה לחמש שנים בעוד שישה חודשים.
הגדלת האמינות
לאוסילטור של המיקרו-בקר השפעה על תחומים רבים של ביצועי המערכת, על עלויותיה, על ייצוריותה ועל אמינותה. המיקרו-בקרים החדישים ביותר מהירים יותר ומסוגלים לפעול בשיא המהירות ללא מקור שעון חיצוני ומספקים תחום רחב של תדרי שעון פנימי. תכונה זו מאפשרת לתוכנה לבצע מעבר לתדר נמוך יותר כדי להישאר בתחום העבודה שאופיין כאשר המתח יורד, או להגדיל מהירות כאשר מחוברים למקור מתח.
אתחול גביש אמין הוא עוד אתגר טיפוסי בייצור. בין הסיבות לאתחול לא אמין ניתן למנות איכות משתנה של רכיבים, שאריות חומרי הלחמה ומחדלים במתווה. ניתן להימנע ממרבית הבעיות מסוג זה על ידי הקפדה על איכות גבוהה של הגביש ויישום שיטות של פריסה ושל בחינה, כמו מבחני ההתנגדות השלילית שזמינים אצל יצרני גבישים ומיקרו-בקרים. למעגלים בתדר נמוך, כוונון BIAS הגביש עשוי להיות שימושי במיוחד. הדבר מאפשר להגדיל את ה-BIAS כדי להבטיח אתחול אמין במגוון של מצבים, או להקטינו כדי להפחית את צריכת ההספק.
תכונה חיונית לשיפור האמינות היא מנגנון ניטור השעון Fail-Safe Clock Monitor מנגנון לניטור רציף של מעברי שעון המערכת. כאשר מתגלה החמצה של כמה מעברים, מנגנון Fail-Safe Clock Monitor מעביר באופן אוטומטי את השעון הפנימי למצב של שעון מערכת ונותן אות פסיקה ליחידת העיבוד המרכזית. פעולה זו מאפשרת למיקרו-בקרים לקיים את הפונקציות הקריטיות ולבצע כיבוי מבוקר.
עוד גורם שמשפיע על האמינות הוא ההחלפה התדירה של זיכרון ה-EEPROM שעל הלוח בתוכנת אמולציה שעושה שימוש בזיכרון פלאש, למרות העובדה שיישומים מסוימים זקוקים עדיין לאחסון נתונים עצמאי. המיקרו-בקרים מהדור החדש משלבים זיכרון EEPROM בעל סיבולת גבוהה לנתונים, בעל עד 100 אלף מחזורי מחיקה/כתיבה, תוך שמירה על עלות יעילות שנדרשת ביישומים תעשייתיים ניידים. עם זאת, יש לקחת בחשבון את המתח המינימאלי הדרוש לפעולות כתיבה, שעלול להיות גבוה ממתח העבודה המינימאלי של המיקרו-בקר, ובכך להגביל את תחום העבודה האפקטיבי.
תרשים 1: צריכת זרם של מיקרו-בקר כפונקציה של הזמן
תרשים 2: השפעת תפעול במתח נמוך על אורך חיי סוללה הגרף באדיבות חברתEnergizer@Eveready Battery Company Inc.
ניהול רעשים
למרות שניתן להשתמש במיקרו-בקרים שפועלים במתח נמוך ביישומים שנזקקים לאמינות גבוהה, השימוש בספק של 5 וולט יכול לפשט את פריסת הלוח, להגדיל את החסינות לרעשים ולשפר את התמיכה במוצרים מיושנים יותר. עם זאת, ככל שהמוצר בעל נפח מצומצם יותר, פוחתת הזמינות של מיקרו-בקרים חדשים הפועלים במתח 5 וולט עבורו. בתגובה לדרישה המתמשכת לתפעול של 5 וולט, יצרני שבבים פתחו דרכים חדשות לפעול במתחים גבוהים יותר, על ידי שימוש בגיאומטריות קטנות וזולות יותר.
כדי לשפר עוד יותר את החסינות לרעש, משתמשים בחוצצי קלט (Input buffer) מסוגים שונים בפינים ההיקפיים ובפינים של היציאה עבור פונקציות שונות למרות שהחוצצים מרובבים באותו פין. קלט מסוג מעגלי שמידט (שמידט טריגר) מאפשר ספי קלט גבוהים יותר מאשר במעגלים המקבילים מסוג TTL והוא מעלה את סיבולת המערכת לרעש.
עוצמת הנעה גבוהה ביציאה גם היא נושא בעל חשיבות בתכנון , מעבר להנעת דיודות באופן ישיר. עוצמת הנעה גבוהה ביציאה מונעת צימוד בלתי רצוי בקרבת מעגלים רועשים, כגון רגולטורים ממתגים ואותות PWM במהירות גבוהה. ניתן לקזז את התוצאה הפוטנציאלית של רעש מוגדל מוקרן באמצעות הרכבת מסנן RC קטן על פין היציאה כדי לשמור על היתרון של עוצמת הנעה גבוהה.
תרשים 3: מד זרימה על בסיס מיקרו-בקר מסוג ®PIC
דוגמה טובה לנושאים שנדונים בכתבה זו היא מד הזרימה המוצג בתרשים 3. יחידת המדידה של זמן ההטענה המשולב של המיקרו-בקר (Charge Time Measurement Unit – CTMU) קוראת את הזרימה, את הטמפרטורה ואת משטח המגע הקיבולי. באמצעות ממיר אנלוגי לדיגיטלי דיפרנציאלי ADC) 12) סיביות ומתח ייחוס, מנטרים את מתח הסוללה בעוד שיחידת ההתעוררות במתח נמוך ביותר יוזמת התעוררויות מחזוריות. תכנון זה מדגים שניתן לתכנן מוצר עמיד ובהספק נמוך ובעל רמה גבוהה של ביצועים באמצעות התכונות שמציעים המיקרו-בקרים החדישים.
הערה השם והלוגו של Microchip וכן PIC הם סימנים מסחריים רשומים של Microchip Technology Inc. בארה”ב ובמדינות אחרות. כל סימן מסחרי אחר שמוזכר בכתבה זו הוא קניינה של החברה המתאימה.
הכתבה נמסרה באדיבות חברת סוטאל טכנולוגיות, נציגתה של מיקרוצי’פ בישראל.
