Oszczędzanie prądu w mikrokontrolerach ATtiny

[ModelAXE]

Ten artykuł jest krótką relacją z moich doświadczeń odnośnie oszczędzania zużycia prądu w mikrokontrolerach ATtiny.
Zająć się tym tematem zostałem niejako zmuszony z powodu zbyt krótkiego działania oświetlania, które robiłem do dwóch innych projektów.
Oświetlenie do modelu HONDA CBR1100XX SUPER BLACKBIRD oraz Oświetlenie do modelu KAWASAKI NINJA H2 CARBON

 

BAZA - czyli testy zacząłem do wykonania wzorcowej konfiguracji, na której mogłem sprawdzać zużycie prądu całego układu oraz samego mikrokontrolera.
W tej konfiguracji używam fabrycznie nowego mikrokontrolera ATtiny25, do którego wgrałem mój program w podstawowej wersji.
Program jest jeszcze bez żadnych mechanizmów oszczędzani prądu i używa najprostszej funkcji "delay()".
Sam program to właściwie nic wielkiego nie robi tylko raz na jakiś czas włącza i wyłącza diody (czyli głównie czeka w funkcjach "delay()" właśnie).
Zużycie prądu całego układu to minimum 2,66mA (kiedy świecą tylko dwie diody) i wskakuje maksymalnie na poziom zużycia około 11mA.
Testując sam mikrokontroler (wykonujący ten sam program, ale bez podłączonych diod) zużycie prądu jest stałe na poziomie 1,67mA.

 

ZEGAR - czyli jak częstotliwość pracy mikrokontrolera wpływa na zużycie prądu.
Okazuje się iż domyślnie fabrycznie nowe ATtiny25 pracuje z częstotliwością 1MHz, ale potrafi szybciej.
Wewnętrzny zegar ma częstotliwość 8MHz a nowe ATtiny25 dzieli tą wartość przez 8 i stąd się bierze 1MHz.
Programując mikrokontroler można jednak bardzo łatwo ustawić aby dzielnik nie był używany i mikrokontroler pracował z szybkością 8MHz.
Okazuje się jednak iż większa częstotliwość to większe zużycie prądu na poziomie około 6,75mA-6,80mA (w tą stronę więc nie chcemy iść).

Można jednak iść w drugą stronę i zmniejszyć częstotliwość, a najprościej do 128KHz w trybie WDT.
W tym przypadku w ogóle nie korzystamy z głównego zegara, a zamiast niego z dodatkowego zegara modułu WDT (do tego jeszcze wrócę).
Warto jednak dodać, iż w tym trybie nie każdy program będzie działał poprawnie (akurat ten mój działa OK).
Tutaj widać znaczącą poprawę ponieważ zużycie prądu jest na poziomie 0,57mA, a mierząc bardziej dokładnie to 576uA.

 

OSZCZĘDZAMY - czyli wyłączamy moduły mikrokontrolera, z których nie korzystamy
Zamiast zmieniać domyślną częstotliwość pracy mikrokontrolera (zostajemy w dalszych testach na 1MHz) można wyłączać nie używane moduły.
Ponieważ mój program jest bardzo prosty, to na początek wyłączam moduł AC (Analog Comparator) oraz ADC (Analog to Digital Converter).
Przy okazji "wyłączam" też jeden nie używany PIN ponieważ według dokumentacji to też pomaga w oszczędzaniu prądu.

// Początkowa konfiguracja platformy Adruino oraz zmiennych całego programu
void setup() {
  // Wyłączamy AC (Analog Comparator) ustawiając odpowiedni bit na 1
  // #1 - ręcznie ustawiamy odpowiednie bit'y dla odpowiednich rejestrów
  ACSR |= (uint8_t)(1<<ACD);
  // Wyłączamy ADC (Analog to Digital Converter) ustawiając odpowiedni bit na 0
  // #1 - ręcznie ustawiamy odpowiednie bit'y dla odpowiednich rejestrów
  ADCSRA &= (uint8_t)~(1<<ADEN); 
  // Wyłączamy nie używany PIN
  pinMode(PIN_Disabled, INPUT_PULLUP);
}

Po tej drobnej zmianie okazuje się, że zużycie prądu jest na poziomie 1,30mA (niby niewielka zmiana, ale idziemy w dobrym kierunku).

Okazuje się, że można jeszcze wyłączyć cztery inne moduły mikrokontrolera ustawiając odpowiednie bity w odpowiednim rejestrze.
Moduły te nazywają się "Timer 1", "Timer 0", "USI (Universal Serial Interface)" oraz "ADC (Analog to Digital Converter)".
Wszystkie te moduły można wyłączyć jedną komendą.

  // Wyłączamy nie używane moduły ustawiając odpowiednie bity na 1
  // #1 - ręcznie ustawiamy odpowiednie bit'y dla odpowiednich modułów
  PRR |= (uint8_t)(1<<PRTIM1) | (uint8_t)(1<<PRTIM0) | (uint8_t)(1<<PRUSI) | (uint8_t)(1<<PRADC);

Zużycie prądu jest na poziomie 1,10mA (dokładnie idealnie 1100uA) ale niestety mój program w takiej konfiguracji nie działa.

Okazuje się iż używana w programie funkcja "delay()" korzysta z modułu "Timer 0" i tego niestety nie możemy wyłączyć (na razie).
Nie wyłączamy więc tego jednego moduły, a przy okazji zmieniamy program na łatwiejszą wersję z wykorzystaniem gotowej biblioteki.

// Dla oszczędności zużycia prądu kilka przydatnych operacji
#include <avr/power.h> // Będziemy wyłączać część modułów


  // Wyłączamy nie używane moduły ustawiając odpowiednie bity na 1
  // #2 - indywidualne wywołania z biblioteki dla odpowiednich modułów
  power_timer1_disable(); // Disable the Timer 1 module.
//  power_timer0_disable(); // Disable the Timer 0 module.
  power_usi_disable();    // Disable the Universal Serial Interface module.
  power_adc_disable();    // Disable the Analog to Digital Converter module.

W tej formie program ponownie działa poprawnie, a zużycie prądu jest na poziomie 1,14mA (dokładnie to 1147uA).

 

Aby zejść poniżej 1mA trzeba będzie wykorzystać usypianie mikrokontrolera.
Usypianie to jest nieco szerszy temat, który opiszę w drugiej części artykułu już niedługo.
 

Edytowano Sierpień 27, 2023 przez ModelAXE

[ModelAXE]

USYPIAMY - czyli wyłączamy cały mikrokontroler kiedy program nie ma nic do robienia
Jak pisałem wcześniej w moim przypadku program głównie czeka używając funkcji "delay()" i tylko czasami włącza lub wyłącza diody.
Jakiś inny program może zyskać mniej oszczędności na usypianiu, ale w moim przypadku spodziewam się znaczących oszczędności.

 

Usypianie to jest jednak tylko połowa zagadnienia, ponieważ ważniejsze jest w jaki sposób mikrokontroler ma się "obudzić".
Tutaj właśnie przydatny będzie wspomniany wcześniej moduł WDT (Watch Dog Timer), który działa również w czasie kiedy sam mikrokontroler jest uśpiony.
Ten moduł odpowiednio ustawiony może wygenerować tak zwane przerwanie, które obudzi nasze ATtiny po zadanym wcześniej czasie.

Na początek w programie trzeba zdefiniować dołączanie dwóch kolejnych gotowych bibliotek (w sumie będą to już trzy biblioteki).

// Dla oszczędności zużycia prądu kilka przydatnych operacji
#include <avr/power.h> // Będziemy wyłączać część modułów
#include <avr/sleep.h> // Będziemy usypiać cały kontroler
#include <avr/wdt.h> // Będziemy korzystać z WDT (Watchdog Timer)

 

Moduł WDT realizuje budzenie mikrokontrolera poprzez wywołanie przerwania, do którego możemy napisać naszą własną procedurę.
Kod programu działający w momencie obudzenia mikrokontrolera i zadziałania przerwania powinien być jak najkrótszy i robić tylko niezbędne rzeczy.
W przypadku mojego programu właściwie to nic nie potrzeba robić, jednak aby pokazać jak to działa można w przerwaniu zrobić taki pewien drobiazg.
Samego WDT chcemy używać tylko do "obudzenia" naszego mikrokontrolera, a poza tym nie jest nam potrzebny i ma on być wyłączony.

Najprościej więc będzie zrobić tak, że w obsłudze przerwania WDT wyłączymy ten moduł skoro właśnie nas obudził i nie jest już potrzebny.

// Ustawiamy osbługę przerwania dla WDT - używane przez własną funkcję delaySleepWDT()
ISR(WDT_vect) {
  // Wyłączamy WDT skoro właśnie nas obudził
  wdt_disable();
}

 

Kolejnym krokiem jest przygotowanie procedury, która będzie usypiała nasz mikrokontroler i będzie używana w głównym programie zamiast "delay()".
Procedura ta wykonuje to zadanie w kilku prostych krokach.

1. Ustawiamy parametry usypiania w naszym przypadku "najgłębsze" wyłączenie "SLEEP_MODE_PWR_DOWN" oraz aktywujemy obsługę usypiania.
   Dla formalności warto wiedzieć, że są też dostępne inne tryby usypiania, ale nas interesuje ten najbardziej oszczędny jeśli chodzi o zużycie prądu.
2. Ustawiamy czas po jakim ma zadziałać budzenie poprzez WDT i co ważne ustawiamy aby to budzenie było wywołaniem przerwania właśnie.
   Tutaj istotna jest informacja, że moduł WDT ma konkretną i ograniczoną listę czasów po jakich może budzić mikrokontroler.
   Niestety nie możemy sobie podać dowolnej wartości w milisekundach jak w przypadku poprzedniej funkcji np. "delay(2137)".
   Dopuszczalne wartości są następujące i mają dość jednoznaczne nazwy:
   WDTO_15MS
   WDTO_30MS
   WDTO_60MS
   WDTO_120MS
   WDTO_250MS
   WDTO_500MS (tej wartości używa mój program)
   WDTO_1S
   WDTO_2S
   WDTO_4S
   WDTO_8S
3. Po konfiguracji usypiania oraz budzenia następuje wywołanie faktycznego uśpienia mikrokontrolera procedurą "sleep_mode()".
4. Następnie "czekamy" a właściwe to "śpimy" i na koniec jak już się obudzimy to wyłączamy obsługę usypiania.

Całość naszej nowej procedury wygląda więc następująco.

// Własna funkcja "delay()", która wykorzystuje usypianie kontrolera i budzenie przez WDT.
void delaySleepWDT() {
  // Konfigurujemy domyślne parametry usypiania kontrolera
  set_sleep_mode(SLEEP_MODE_PWR_DOWN);
  sleep_enable();
  // Konfigurujemy domyślne parametry wybudzenia przez WDT
  wdt_enable(WDTO_500MS); // Ustawiamy czas wybudzenia
  WDTCR |= (1<<WDIE); // Ustawiamy, że wybudzanie to będzie przerwanie (a nie reset)
  // Usypiamy kontroler zgodnie z ustawionymi parametrami
  sleep_mode();
  
  // Teraz właśnie czekamy aż obudzi nas przerwanie WDT
  
  // Właśnie się obudziliśmy, więc wyłączamy usypianie (sam WDT jest już wyłączony przez fukcję obsługi przerwania)
  sleep_disable();
}

 

Mając to wszystko gotowe możemy w naszym głównym programie zamienić wszystkie wywołania procedury  "delay()" na nasza nową "delaySleepWDT()".

//  delay(500);
  delaySleepWDT();

 

Teraz możemy też w procedurze "setup()" wyłączyć wszystkie moduły mikrokontrolera skoro z żadnego z nich nie korzystamy.

// Początkowa konfiguracja platformy Adruino oraz zmiennych całego programu
void setup() {
  // Wyłączamy AC (Analog Comparator) ustawiając odpowiedni bit na 1
  // #1 - ręcznie ustawiamy odpowiednie bit'y dla odpowiednich rejestrów
  ACSR |= (uint8_t)(1<<ACD);
  // Wyłączamy ADC (Analog to Digital Converter) ustawiając odpowiedni bit na 0
  // #1 - ręcznie ustawiamy odpowiednie bit'y dla odpowiednich rejestrów
  ADCSRA &= (uint8_t)~(1<<ADEN); 
  // Wyłączamy nie używane moduły ustawiając odpowiednie bity na 1
  // #3 - zbiorcze wywołanie z biblioteki dla wszystkich modułów
  power_all_disable();    // Disable all modules.
  // Wyłączamy WDT (Watchdog Timer) ustawiając odpowiednie bity na 0 i 1
  // #2 - wywołanie z biblioteki
  wdt_disable();
  // Wyłączamy nie używany PIN
  pinMode(PIN_Disabled, INPUT_PULLUP);
}

 

I to by było na tyle jeśli chodzi o usypianie ATtiny w celu maksymalnej oszczędności zużycia prądu.
Wypadało by jednak sprawdzić jaki udało się uzyskać efekt, a okazuje się że oszczędność jest ogromna.
W moim przypadku mikrokontroler zużywa tylko 58uA-60uA, czyli 28 razy mniej prądu niż w konfiguracji domyślnej z użyciem procedury "delay()".

Teraz kiedy sam mikrokontroler zużywa prąd w minimalny sposób można będzie przejść do oszczędzania prądu w innym miejscu (np. na diodach).

Dla zainteresowanych umieszczam też mój program, może się komuś przyda do eksperymentów HONDA-CBR1100XX-V4a.zip

Wszystkim czytającym, którzy dotrwali do tego miejsca dziękuję za uwagę.

 

Edytowano Sierpień 29, 2023 przez ModelAXE

[_LM_]

Coś dużo nadal, zwłaszcza w stanie uśpienia. Próbowałeś wyłączyć moduł BOD? 

[ModelAXE]

BOD jest domyślnie wyłączony i takie są też domyślne ustawienia dla ATtiny25.

@_LM_ według Ciebie te 58uA-60uA to jednak ciągle dużo i powinienem pokombinować bardziej aby jeszcze więcej oszczędzić?

[_LM_]

Tu niema co teoretyzować, jest DS i ładna tabelka, niestety będzie tylko zdjęcie z monitora. Po prostu w tej chwili nie mam lepszych opcji 

[99teki]

- trochę inne narzędzie ale też zamysł aby zobaczyć jak daleko oszczędzam.

 

[99teki]

- pomoc techniczna do pomiaru prądu, USB A, USB B, mini, mikro , JST-PH

[ModelAXE]

TESTUJEMY - W odpowiedzi na komentarze @_LM_ zrobiłem kilka testów weryfikujących poprawność usypiania mikrokontrolera
Według specyfikacji producenta ATtiny25 w trybie "Power Down" z włączonym WDT powinno mieć zużycie prądu lekko ponad 6uA dla zasilania 5V.
To jest jednak wartość 10x mniejsza niż to co mi wyszło w moim testowym układzie i programie, więc trzeba było to koniecznie sprawdzić.

 

Na początek sprawdziłem napięcia zasilania jakie dają mi baterie oraz jakie daje przetwornica Step-Up/Step-Down, której w tym projekcie używam.
Tutaj wszystko jest jak najbardziej w normie (zasilanie to 6,34V, przetwornica 5,16V).

Dodatkowa kontrola specyfikacji samej przetwornicy oraz szybki pomiar zużycia prądu od razu wyjaśnia cała zagadkę.
Sama przetwornica nawet bez żadnego obciążenia po prostu do swojej pracy zużywa 53uA

Teraz wiedząc o tym i mierząc zużycie prądu już na samym mikrokontrolerze wychodzi 7uA z regularnymi skokami do 8uA (budzenie co 500ms).

Tak więc teraz wszystko się zgadza:  przetwornica 53uA  +  mikrokontroler 7uA-8uA  +/-  jakość miernika  =  poprzedni wynik pomiarów 58uA-60uA

 

Aby się upewnić jeszcze bardziej minimalnie zmieniłem do testów mój program dla ATtiny i ustawiłem budzenie na WDTO_4S (czyli usypianie na 4s).
Teraz wyraźnie widać, że podczas "spania" mikrokontroler zużywa 7uA i raz na 4 sekundy miernik daje radę zarejestrować 8uA-9uA (nie zawsze jednak).

Z czystej ciekawości sprawdziłem jeszcze jak to wygląda dla zasilania z dedykowanego modułu dla płytek stykowych.
Moduł, który posiadam umożliwia ustawienie zasilania 5V oraz 3,3V i jak zrobiłem pomiary to wartości są niemal idealne (4,98V oraz 3,32V).

Zrobiłem więc pomiary zużycia prądu przez mikrokontroler i wyniki są takie same jak poprzednio (7uA-8uA oraz 5uA-6uA).

Wyniki są minimalnie wyższe niż podaje producent, ale to już muszę "zwalić" na jakość mojego miernika (jest on prawie najtańszy z możliwych).

 

Jako ciekawostkę dodam jeszcze tylko, iż miałem pod ręką regulator 5V LM2931-N (wersja LDO), ale z nim nie udało mi się dogadać.
Nie dość, że napięcie wychodziło mi 5,81V to jeszcze sam regulator zużywał prądu na 0,23mA.

 

Teraz to już chyba naprawdę wszystko co udało mi się w tym temacie zdziałać.
Mam nadzieję, że te moje testy komukolwiek się na cokolwiek przydadzą 

Edytowano Wrzesień 2, 2023 przez ModelAXE

[_LM_]

Brawo! W docelowym układzie może dałoby się wyłączyć przetwornicę na czas uśpienia? Jak wygląda układ zasilania u ciebie 

[ModelAXE]

4 minuty temu, _LM_ napisał:

Jak wygląda układ zasilania u ciebie?

Jest mało miejsca, więc zasilanie jest minimalnie prosto jak tylko na razie umiałem.
Dwie bateryjki pastylki (np CR2450), przetwornica i kondensator dla zasady.

Do większych modeli planuję zasilanie z ogniwa LiPo 3,7V ponieważ jest więcej miejsca i mi wyszło, że będzie akurat idealne bez żadnych przetwornic.

A do mniejszych modeli zastanawiam się nad jedną baterią pastylką 3V, ponieważ mogę zasilać każdą diodę osobno (bez łączenia) i też powinno być OK.

[_LM_]

No i to jest słuszne podejście. Zastanowiłbym się na zasilaniem kiedy w układzie będą białe ledy gdyż ich spadek napięcia może sięgać nawet 3.6V w tym przypadku użycie sterowanej przetwornicy step up będzie uzasadnione. 

Edytowano Wrzesień 2, 2023 przez _LM_