Poner los diseños a dieta de energía

Entre los cambios de batería y los ciclos de recarga, a veces me siento como si estuviera constantemente cuidando los dispositivos electrónicos personales que se quedan sin energía para que vuelvan a su funcionamiento total. Aunque mantengo un cuidado razonable en el estado de energía, no es raro que mis auriculares para ejercicio o Bluetooth se queden sin batería durante el entrenamiento, y ni siquiera repito un refrán conocido sobre el nivel de carga del smartphone que se agota en el peor momento.

Extrapolar la experiencia de un individuo con un puñado de dispositivos electrónicos personales a la aplicación del Internet de las cosas (IoT) con miles de dispositivos alimentados a batería, y es fácil imaginar esas aplicaciones colapsando solamente bajo el peso del mantenimiento de la batería. Para esas redes de IoT de larga escala y dispositivos personales, el deseo de tener información más inmediata de los sensores “siempre encendidos” magnifica el problema de la energía. Afortunadamente, esta triste imagen de los dispositivos electrónicos hambrientos de energía es cada vez más inusual, ya que los fabricantes de silicio perfeccionan la eficacia de energía de los microcontroladores y sacan algunas de las responsabilidades de procesamiento del procesador principal.

Gestión de energía clásica aumentada por tecnologías avanzadas

La vista convencional de los sistemas basados en microcontroladores se centra en gran medida en el ciclo de trabajo del procesador principal porque es típicamente responsable de la mayoría del consumo de energía en pequeños sistemas integrados. A los diseñadores se les enseñó a trabajar para minimizar la cantidad del tiempo que el procesador pasa en su estado activo de mayor consumo energético. En cambio, un sistema de energía limitada está diseñado para permitirle al procesador descansar en su modo sleep de reserva de energía la mayor cantidad de tiempo posible. Para aplicaciones que requieren una recolección de datos periódica de parte de los sensores, los desarrolladores dejan al procesador en sleep y usan interrupciones periféricas para activarlo el tiempo suficiente para recolectar y procesar los datos antes de que vuelva al estado sleep.

El surgimiento de periféricos en chip más sofisticados ha permitido a los desarrolladores extender el tiempo que el procesador pasa en estado sleep. Los microcontroladores de manera rutinaria integran periféricos como conversores de analógico a digital (ADC) que pueden recolectar datos del sensor sin activar el procesador principal. Los fabricantes de semiconductores han extendido más este concepto en arquitecturas de microcontroladores más avanzadas, creadas para soportar modos de energía intermedia entre completamente activo y completamente en reposo. En estos dispositivos, los modos de energía intermedia pueden habilitar de manera selectiva varios dominios de energía separados para el núcleo del procesador, memoria en chip, junto con periféricos analógicos y digitales.

Las familias de procesadores avanzados como los microcontroladores Darwin de Maxim Integrated llevan este enfoque al siguiente nivel con un conjunto extenso de mecanismos diseñados específicamente para reducir el consumo de energía sin comprometer la funcionalidad y los requisitos de desempeño de la aplicación (consultar “Construir dispositivos inteligentes más efectivos: Parte 1 – Diseño de baja energía con MCU y PMIC”). Como resultado, los desarrolladores pueden equilibrar más finamente la energía y el rendimiento para cumplir con presupuestos de energía limitados.

Los periféricos tienen sus propios procesadores

Al separar la funcionalidad periférica del procesamiento del núcleo, los microcontroladores más avanzados han mejorado esos subsistemas periféricos con procesadores dedicados. Por ejemplo, la serie Darwin de Maxim Integrated, como muchos dispositivos de esa clase, incluye una unidad de gestión periférica (PMU) que va más allá del soporte usual para las operaciones de acceso directo a la memoria (DMA) con la inclusión de planificación Round-robin y otras capacidades funcionales más avanzadas.

Esta difusión de capacidad de procesamiento más allá del núcleo del procesador forma la base de algunos de los enfoques sobre reducción de energía y mejora de rendimiento más efectivos disponibles hoy en día. Un ejemplo obvio de esta tendencia está en los aceleradores de hardware criptográfico incluidos en microcontroladores más avanzados diseñados para el IoT u otras aplicaciones conectadas. Al apresurar la ejecución del algoritmo, los aceleradores dedicados le permiten al dispositivo volver más rápidamente a un estado de baja energía.

Un ejemplo más interesante de esta tendencia surge en los microcontroladores inalámbricos, como la familia SimpleLink de Texas Instruments. Por ejemplo, el microcontrolador inalámbrico Bluetooth de bajo consumo (BLE) CC2640R2F de Texas Instruments combina un procesador principal Arm® Cortex®-M3 que incluye un subsistema dedicado de BLE con un procesador dedicado Arm Cortex-M0 y transceptor de radio frecuencia (RF) (Figura 1).

Figura 1: Los microcontroladores inalámbricos avanzados como el dispositivo de BLE CC2640R2F de Texas Instruments optimizan el consumo de energía mediante el uso de un núcleo de procesador Arm Cortex-M0 de consumo eficiente de energía para mantener la conectividad inalámbrica mientras el procesador principal Arm Cortex-M3 está en modo sleep. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Mientras el procesador principal ejecuta la aplicación, el procesador Cortex-M0 no está disponible para el desarrollador y ejecuta solamente la pila de protocolos de BLE. Gracias a que el núcleo Cortex-M0 de consumo de energía eficiente puede seguir funcionando con niveles de energía bajos mientras el procesador principal está en modo sleep, este microcontrolador puede brindar una conectividad siempre encendida sin sobrecargar los presupuestos de energía limitados.

La necesidad de una funcionalidad siempre encendida, por supuesto, no es solo un requisito de conectividad. En cada vez más aplicaciones de detección, los usuarios esperan que sus dispositivos respondan instantáneamente a los cambios en temperatura, movimiento, calidad del aire y otras características. Con métodos convencionales, esta funcionalidad de siempre encendido forzaría efectivamente al microcontrolador a funcionar en modo activo de manera continua, o casi continua, mientras recopila y examina datos para eventos significativos.

Muchos sensores avanzados permiten a los desarrolladores programar umbrales mínimos y máximos para activar e interrumpir, lo que le permite al microcontrolador mantenerse en modo sleep hasta que ocurra el evento de cruce del umbral. Sin embargo, en algunas aplicaciones esta capacidad de umbral no es suficiente. Un sensor de movimiento siempre encendido, por ejemplo, puede necesitar reconocer los cambios de las características o los patrones en la aceleración medida o la orientación que indican que el usuario del dispositivo está caminando, corriendo, subiendo escaleras, girando o haciendo otras actividades. Incluso con sensores con capacidad de umbral avanzados, el microcontrolador host necesitaría mantenerse activo para identificar estos cambios de características. En cambio, el módulo del sensor LSM6DSOX de STMicroelectronics es capaz de identificar patrones de interés gracias a su máquina de estado finito incorporada y al motor de procesamiento del esquema de decisión.

Para los desarrolladores, las capacidades como las operaciones periféricas autónomas, motores de procesamiento dedicado y el procesamiento del sensor local son solo unos pocos de los métodos disponibles para ayudar a poner a dieta de energía a los diseños alimentados por batería.

Referencia:

Construir dispositivos inteligentes más eficaces: Parte 1 – Diseño de baja energía con MCU y PMIC - https://www.digikey.com/en/articles/techzone/2018/oct/build-more-effective-smart-devices-part-1-low-power-design-mcus-pmics