מאת: Anders Guldahl, Energy Micro. הקדמה: בעזרת ממשק החיישנים לפעולה באנרגיה נמוכה (LESENSE – Low Energy Sense), בקרי המיקרו EFM32 מ-Energy Micro יכולים לנטר מגוון רחב של חיישנים, תוך כדי כך שהם מצויים ברציפות במצב “שינה עמוקה” (deep sleep) של חיסכון באנרגיה. את היישומים שנדרשים לצאת ממצב שינה אפשר לממש עם צריכת הספק כוללת של פחות מ-1.2 מיקרו אמפר, באמצעות גילוי מגע קיבולי, בחישה של עצמים מתכתיים או בניטור של חיישנים התנגדותיים.
טווח החיישנים שאליהם יכול להתחבר ממשק LESENSE – Low Energy Sense נמתח בין נגדי חום (thermistor) פשוטים, התקנים קיבוליים והשראיים לבין חיישנים אנלוגיים מורכבים יותר. ביישומים רבים חיישנים כאלו משמשים להעברת קלט מהעולם החיצוני אל בקר מיקרו. ככל שצריכת האנרגיה ואורך חיי הסוללה הופכים להיות חשובים יותר, יש צורך שבקר המיקרו יוכל לנטר את החיישנים האלו, תוך כדי שימוש בכמות האנרגיה הקטנה ביותר האפשרית. הדרך הטובה ביותר לעשות זאת היא תוך כדי שהייה במצב “שינה עמוקה” כל עוד מצב זה אפשרי. מסמך זה מציג שלושה עקרונות שונים למדידה – קיבולית, השראתית והתנגדותית – שאותם אפשר לממש בעזרת ממשק חיישנים באנרגיה נמוכה. כמו כן המסמך מציין הפניות לדפי היישום השונים.
האתגר
האתגר העיקרי העומד בפני יישום עם חיישנים שפועל בהספק נמוך טמון ביכולתו להישאר במצב שינה, באחוזים גבוהים ביותר של הזמן שאפשר, וביכולתו לבצע את המדידות הנחוצות במהירות וביעילות, מבלי להפעיל מעגלים שאינם נדרשים. עד עתה, יישומים היו צריכים בדרך כלל “להעיר” את היע”מ (CPU) על מנת לבצע מדידות של חיישנים (איור 1). ביישומים מבוססי בקר מיקרו, כאשר היע”מ (CPU) פועל באופן רגיל, הוא צורך אנרגיה רבה יותר בהשוואה לשאר מעגלי המערכת. המשמעות הנובעת מכך היא, שאחת הדרכים הטובות ביותר להקטין את צריכת האנרגיה יכולה להיות קיצור הזמן שבו היע”מ (CPU) נמצא במצב פעיל. גם במצב זה, למדידות של חיישנים נדרשות לא פעם תבניות מיוחדות של עירור ודגימה. תנאים של “עירות” יכולים להיות מורכבים וקצב הדגימה הנדרש יכול להיות גבוה.
הפתרון
הפתרון האידיאלי הוא מערכת למדידת חיישנים שיכולה לפעול באופן אוטונומי, אף במצב של “שינה עמוקה”. המערכת האוטונומית חייבת להיות ניתנת לקונפיגורציה עבור רכיבים וחיישנים חיצוניים שונים. היא חייבת להיות מערכת שתאפשר להשתמש בעקרונות מדידה שונים ובמערכת אמורות להיות משולבות תכונות כיול ידידותיות לחיסכון באנרגיה. כיצד, אם כן, אפשר לבצע את כל אלה באופן אוטונומי, תוך כדי חיסכון באנרגיה יקרה עבור משימות מורכבות יותר, שלהן באמת נדרש השימוש ביע”מ זולל האנרגיה? התשובה נעוצה בממשק LESENSE –
Low Energy Sense.
ממשק LESENSE – Low Energy Sense מממש כל זאת עם מסדר רצף (sequencer) ומקודד (decoder) ועם יכולת רבה של קונפיגורציה, שיכול גם לשלב כמה התקנים היקפיים בעלי נצילות
אנרגיה גבוהה במיוחד בבקר 1-EFM32 Energy Micro. המשמעות של יצירת מחזור עבודה (duty cycle) יעיל עבור משאבים אלו היא, שאנרגיה מינימלית משמשת לצורך ניטור של חיישן (איור 2). בנוסף, אפשר להגדיר את ההתקנים כך שיתעוררו רק כאשר יתקיימו תנאים מסוימים. תנאים אלו יכולים להיות פשוטים, כמו למשל נגיעה בלחצן קיבולי, או הם יכולים להיות מעברים מורכבים יותר בתוך המקודד, תוך כדי סינון ערכים של החיישן לפני הפקה של אות מעורר. בשני המצבים, ממשק החיישנים לפעולה באנרגיה נמוכה יעביר לבקר המיקרו חישה לגבי העולם החיצוני, מבלי שזה יעזוב את “שנת היופי העמוקה” שלו.
באופן מפורט יותר, אפשר לומר שממשק החיישנים לפעולה באנרגיה נמוכה מורכב ממעגלי השוואה אנלוגיים ומממיר DAC (ממיר מספרתי לאנלוגי), שאותו אפשר לבקר באמצעות מודול מסדר רצף, בעל צריכת הספק נמוכה מאוד. מסדר הרצף יכול לפעול במצבים של תת מיקרו אמפר ממקור אות שעון של 32 קילו הרץ. בנוסף למסדר הרצף, אפשר למנות את היציאות של מעגל ההשוואה, להשוות אותן או להעביר אותן כפסיקות. לצורך מדידות מדויקות, אפשר לבחור בממיר מספרתי לאנלוגי (DAC) כמקור לייחוס עבור מעגל ההשוואה וכמקור לעירור.
מסדר הרצף קובע אלו מבין הפינים יהיו מחוברים למעגל ההשוואה, כמה זמן מעגל ההשוואה יהיה פעיל ומתי יש להעביר את היציאה של מעגל ההשוואה לצורך מנייה או השוואה. עירור (יצירת אות מעורר) דרך פיני המתח או GPIO של ממיר DAC יכול להתבצע לפני שהמעגל המשווה פעיל או תוך כדי כך. לאחר ביצוע מדידה, הפלט של המונה או של מעגל ההשוואה נשמר בזיכרון זמני ומאוחסן לעיבוד מאוחר יותר. אפשר גם להעביר פסיקות או אותות באופן ישיר (דרך מערכת התקשורת האוטומטית של ההתקנים ההיקפיים – peripheral reflex system) כאשר המונה או היציאה חוצים ערכי סף שהוגדרו מראש.
לאחר שהסריקה הושלמה, אפשר להעביר את התוצאות למקודד שפועל בהספק נמוך, אשר הוא מהווה חלק מממשק
LESENSE – Low Energy Sense. לכל מצב במקודד יש מצבים נוספים שאליהם הוא מוביל, שאת הקונפיגורציה שלהם ותנאי העירור (trigger) שלהם אפשר לקבוע. כך אפשר לפרש כמה קריאות של החיישנים ולעורר את היע”מ, רק אם התנאים תואמים לתבנית מסוימת לאורך זמן (איור 3).
מאחר שהתוצאות של החיישן זמינות דרך מערכת PRS (מערכת התקשורת האוטומטית של ההתקנים ההיקפיים – peripheral reflex system), אפשר להעביר אותן אל התקנים היקפיים אחרים שפועלים בהספק נמוך, כגון חיבורי port טוריים או מונים. למשל, מונה אותות pulse יכול לקבל אותות PRS ולמנות אותם במצב מונה אותות ניצבים (quadrature). כך תוכל המערכת להתעורר רק לאחר מספר מסוים של סיבובים (rotation). לדוגמה, במד מים עם כנף מסתובבת, אפשר למדוד את הסיבובים באמצעות ממשק LESENSE – Low Energy Sense ולספור אותם במונה אותות ניצבים. לאחר 10 סיבובים למשל, אפשר “להעיר” את היע”מ (CPU) כדי לעדכן את התצוגה ואת נתוני הסטטיסטיקה של השימוש. בשימוש בבקר מיקרו מסורתי, היה צורך ביע”מ עבור כל פעולות יצירת הרצף והבקרה של מעגל ההשוואה. בשימוש בבקר המיקרו EFM32, כל הפעולות האלו מטופלות על ידי ממשק LESENSE – Low Energy Sense וכך מתאפשר לשבב להישאר במצב “שינה עמוקה”.
מאחר שיישומים רבים חייבים לטפל בתנאים סביבתיים משתנים, כיול רציף או תקופתי של נקודות הסף של החיישנים ותזמון של המדידות חיוניים ביותר לעתים קרובות עבור הביצועים. ומפני שממשק LESENSE – Low Energy Sense מאחסן כמה תוצאות בזיכרון, אין צורך “להעיר” כל העת את היע”מ (CPU) על מנת ללכוד את תוצאות המדידה. אפשר להשתמש בתוצאות אלו לצורך ביצוע של כיול ועדכונים תקופתיים בנקודות הסף של אותות העירור ובתזמוני המדידה.
דוגמה לחיישן
קיבולי
חישה קיבולית היא טכנולוגיה המבוססת על מדידת השינוי בקיבול שבה אפשר להשתמש בסוגים רבים ושונים של חיישנים. התחום שבו יישום זה נפוץ ביותר הוא התקנים של ממשק אדם (HID) כמו לוחות בקרה והתקני שלט רחק.
ממשק החיישנים שפועל באנרגיה נמוכה משתמש במעגלי ההשוואה האנלוגיים שבבקר EFM32 מ-Energy Micro כדי למדוד את הקיבול שבין פין החישה לבין ההארקה של בקר המיקרו. באופן מפורש, מדידת הקיבול מתבצעת על ידי הכללת הקיבול שבין פין החישה להארקה במעגל של מתנד RC. התדירות תשתנה בתלות בקיבול הקיים בפין החישה. אפשר לממש בפשטות חיישן מגע על ידי חיבור פין החישה ישירות לאזור משטח המגע של לוח המעגל. במקרה כזה, אין צורך ברכיבים חיצוניים.
האות המתנודד המתקבל במוצא של מעגל ההשוואה מועבר להתקן היקפי בעל ממשק LESENSE – Low Energy Sense, אשר בו, שפת עלייה של האות משמשת להגדלת הערך שבמונה (איור 4).
ממשק LESENSE – Low Energy Sense ימתין להשלמת כמות זמן שמוגדרת בקונפיגורציה, בטרם ילכוד את הערך של המונה, יעביר אותו לזיכרון התוצאות הזמני, ויאפס את המונה כדי שיהיה מוכן לקריאת החיישן הבא. הקיבול המוגדל של האצבע הנוגעת בחיישן יגרום לתדירות נמוכה יותר ולערך מנייה קטן יותר. לאחר שערך המונה הוזן במאגר הזיכרון הזמני, הוא מושווה לערך סף שאותו אפשר להגדיר בנפרד בקונפיגורציה, עבור כל חיישן. ממשק LESENSE – Low Energy Sense ממשיך “ומעיר” את הבקר EFM32 מ-Energy Micro כאשר הערך של המונה קטן יותר מערך הסף. החיישן שאותו יש למדוד מבוקר על ידי מתג הכניסה של מעגלי ההשוואה האנלוגיים, אשר אף הוא מבוקר על ידי ממשק LESENSE – Low Energy Sense.
ברוב המקרים נוגעים בחיישנים קיבוליים במשך אחוזים קטנים מהזמן, בהשוואה לפרקי הזמן הכוללים במצב סרק. לכן, חיוני להקטין למינימום את צריכת ההספק, בשעה שההתקן ממתין לנגיעה. אפשר להשיג זאת על ידי מדידה של החיישן באופן מחזורי רק במרווחי זמן ארוכים, של כמה שניות. עם זאת, כאשר המשתמש נוגע ממש בחיישן, אסטרטגיה זו יכולה להוביל להתמהמהות, ולממשק שהוא פחות ידידותי למשתמש. מאחר ששיטת החישה הקיבולית הממומשת באמצעות ממשק החיישנים לפעולה באנרגיה נמוכה, צורכת משאבים מינימליים, אפשר להגדיל את תדירות הדגימה, מבלי להשפיע על הביצועים, כך שהתגובתיות תשתפר בזמן שהמשתמש פועל עם ההתקן.
צריכת הזרם
צריכת הזרם של חישה קיבולית מושפעת מכמה גורמים. תדירות הדגימה והעובי של השכבה המכסה, הם שני תורמים עיקריים לצריכת הזרם. התדירות שבה מתרחשת הדגימה יחסית (ישר) לצריכת הזרם הנוספת, כך שאם הדגימה תתבצע בקצב דגימה כפול, צריכת הזרם הדינמי תוכפל אף היא. בהתייחס לעובי שכבת הכיסוי, הרי שככל ששכבת הכיסוי תהיה עבה יותר היא תגרום לצריכת זרם גדולה יותר. היחס המדויק בין צריכת הזרם המוגדלת לבין עובי שכבת הכיסוי אינו יחס שקל להגדירו. עבור שכבות כיסוי עבות יותר, ההבדל בין נגיעה לאי-נגיעה יהיה קטן יותר. על מנת להבדיל בין שני מצבים אלו, ממשק LESENSE – Low Energy Sense צריך לשמור על הפעולה של מתנד התפוגה (relaxation oscillator) במשך זמן ארוך יותר. משך הזמן המדויק הממושך יותר עבור שכבת כיסוי נתונה תלוי בגודל רפידות המגע, בחומר הדיאלקטרי של שכבת הכיסוי ובתכנון הממשי של המעגל המודפס.
תוצאות אמפיריות הראו שעבור שכבת כיסוי אקרילית של 5 מ”מ עם תדירות דגימה של 5 הרץ, צריכת הזרם הנוספת עבור כל רפידת מגע תהיה בערך 500 ננו אמפר. מצב זה מוביל לצריכת זרם כוללת של 3 מיקרו אמפר בערך, עבור יישום של ארבעה לחצני מגע, אשר בו מתבצעת דגימה ב-5 הרץ. צריכת הזרם הסטטית בלי דגימה, תהיה פחות מאשר מיקרו אמפר. על מנת לקבל חווית משתמש משופרת צריך להגדיל את מהירות הדגימה ל-10 הרץ לאחר אירוע הנגיעה הראשון. והתוצאה היא צריכת זרם כוללת של 5 מיקרו אמפר.
התעוררות מותנית
מאחר שממשק LESENSE – Low Energy Sense כולל גם מפענח קידוד (decoder) פונקציונלי מלא, שניתן באופן מלא לקונפיגורציה, אפשר לממש אותות עירור מותנה רבים ושונים. אפשר להשתמש במפענח הקידוד כדי להעיר ממצב “שינה עמוקה” רק כאשר מתמלאים התנאים של כמה חיישנים ברגע אחד. הוא יכול גם לבצע מעקב אחר מדידות עוקבות על מנת להפיק אות התעוררות, רק לאחר שהתרחש רצף מיוחד של חציית רמות סף. רצף כזה יכול להיות למשל שחיישן הטמפרטורה וגם חיישן הלחות הגיעו שניהם לרמות הסף שלהם, או שחיישן לחץ חייב להפיק אות עירור עשר פעמים לפני שמתרחש אירוע של עירור.
מאחר שאפשר לחבר את הכניסות של מפענח הקידוד למערכת התקשורת האוטומטית של ההתקנים ההיקפיים, כמעט כל התקן היקפי יכול לבצע עמו פעולות. כך מתאפשר לשלב באופן לוגי כמה חיבורי GPIO על מנת ליצור אות מעורר או להשתמש במפענח הקידוד על מנת לפענח את קידוד הנתונים המשודרים בטור. אפשרויות השימוש במפענח קידוד שניתן לקונפיגורציה מלאה הן באמת אינסופיות.
דוגמת יישום: החלקה ליצירת אות מעורר
על ידי הגדרת הקונפיגורציה של מפענח קידוד בממשק LESENSE – Low Energy Sense על מנת להעריך ברציפות עד ארבע כניסות מגע קיבוליות, אפשר לממש ביישום גילוי “מחוות” (gesture) בנוסף לגילוי פשוט של מגע. אפשר להפיק אות פסיקה רק לאחר גילוי של המחווה הנכונה על פני עד ארבעה חיישנים. יישום מוכר הוא הפונקציונליות “החלקה ליצירת אות מעורר” שנמצאת לעתים קרובות בטלפונים חכמים. ליצירת חווית משתמש דומה עם ממשק LESENSE – Low Energy Sense, יש להגדיר את הקונפיגורציה של מפענח הקידוד, כך שיפיק פסיקה רק לאחר גילוי הרצף הנכון של פעולות מגע במשטחי המגע. צריכת הזרם הנוספת זניחה. אפשר לממש סוג זה של גילוי מחוות בלי תקורה רבה מדי בצריכת הזרם. זחלן (slider) קיבולי בעל ארבעה מקטעים שממתין לאירוע “החלקה ליצירת אות מעורר” יצרוך 3-4 מיקרו אמפר בלבד.
