Użycie mikrokontrolera pozyskującego energię z otoczenia pozwala wyeliminować konieczność wymiany baterii w zastosowaniach IoT

Projektanci innowacyjnych urządzeń Internetu rzeczy (IoT) nieustannie poszukują lepszych sposobów ich zasilania, aby zminimalizować przestoje w zastosowaniach konsumenckich, komercyjnych i przemysłowych. Baterie co do zasady muszą być stale monitorowane, a po wymianie na nowe stwarzają poważne problemy z utylizacją. Problem utylizacji rozwiązują baterie wielokrotnego ładowania, ale urządzenia te wymagają demontażu, ponownego naładowania i ponownego montażu.

Ograniczenia tradycyjnych podejść spowodowały wzrost zainteresowania technikami pozyskiwania energii, w których do zasilania urządzenia wykorzystywana jest energia z otoczenia. Problem dla projektantów polega na tym, że obwody potrzebne do pozyskiwania energii i ładowania baterii wielokrotnego ładowania mogą znacznie zwiększyć złożoność, rozmiary i koszt projektu.

W niniejszym artykule pokrótce przedstawiono pozyskiwanie energii z otoczenia w zastosowaniach IoT i nakreślono niektóre z wyzwań, przed którymi stają projektanci. Następnie przedstawiono podejście, które pozwala przezwyciężyć te wyzwania, integrując obwody do pozyskiwania energii z otoczenia i zarządzania ładowaniem baterii w mikrokontrolerze (MCU). Korzystając z przykładowych rozwiązań w zakresie urządzeń i powiązanych płytek ewaluacyjnych firmy Renesas, artykuł omawia sposób wdrożenia podejścia pozwalającego skutecznie wyeliminować konieczność wymiany baterii w urządzeniach IoT.

Dlaczego warto pozyskiwać energię z otoczenia w IoT?

Pozyskiwanie energii z otoczenia jest atrakcyjnym rozwiązaniem w zastosowaniach IoT, takich jak systemy czujników bezprzewodowych o niskim poborze mocy, gdzie możliwe jest wdrożenie całkowicie bezprzewodowych urządzeń, które wymagają niewielkiej konserwacji lub nie wymagają jej wcale. Zwykle urządzenia te nadal wymagają baterii wielokrotnego ładowania lub superkondensatorów, aby sprostać szczytowemu zapotrzebowaniu na moc.

Zasadniczo, gdy energię pozyskuje się z otoczenia, w układzie można wykorzystać mniejsze urządzenia do magazynowania energii i wydłużyć ich żywotność. Z kolei opracowane dzięki temu rozwiązaniu urządzenie IoT można zmieścić na mniejszej przestrzeni pod warunkiem, że funkcja pozyskiwania energii z otoczenia zwiększy liczbę części potrzebnych w projekcie tylko w niewielkim stopniu. W praktyce jednak próby zmniejszenia zajmowanej powierzchni konstrukcyjnej skutecznie blokuje potrzeba wprowadzenia dodatkowych komponentów niezbędnych do zaimplementowania funkcji pozyskiwania energii z otoczenia.

Problem polega na tym, że źródło pozyskujące energię z otoczenia zazwyczaj wymaga oddzielnych urządzeń do pozyskiwania energii i zapewniania właściwego zarządzania ładowaniem dla urządzenia magazynującego energię, takiego jak akumulator czy superkondensator. Zapewnienie tej dodatkowej funkcji w minimalistycznym układzie bezprzewodowym z mikrokontrolerem, czujnikiem i nadajniko-odbiornikiem częstotliwości radiowych (RF) może zmienić prosty projekt z kilkoma częściami w projekt stosunkowo złożony (ilustracja 1).

Ilustracja 1: wdrożenie funkcji pozyskiwania energii z otoczenia w urządzeniach IoT może uwolnić użytkowników od problemów związanych z konserwacją baterii, ale dodatkowe wymagania zwykle skutkują coraz większymi urządzeniami, większą złożonością projektu i wyższymi kosztami; przy czym wszystkie te efekty są sprzeczne z wymogami projektowania IoT bez fizycznych połączeń. (Źródło ilustracji: Renesas)

Minimalizacja liczby komponentów w projektach IoT

Do tej pory wiele różnych komponentów potrzebnych do pozyskiwania energii z otoczenia udało się zintegrować w wyspecjalizowanych modułach i układach scalonych zarządzania zasilaniem (PMIC), takich jak LTC3105/LTC3107 firmy Analog Devices, S6AE101A firmy Cypress Semiconductor, MCRY12-125Q-42DIT firmy Matrix Industries i wielu innych. Takie urządzenia są wyposażone w regulowaną szynę napięcia z ogniwa słonecznego, generatora termoelektrycznego (TEG), piezoelektrycznego przetwornika drgań lub innego źródła energii. Jako takie mogą działać jako kompletne źródło pozyskujące energię z otoczenia do podstawowego projektu urządzeń IoT. Mimo to projektanci, aby sprostać wymaganiom określonych zastosowań i utrzymać przewagę konkurencyjną lub ją zdobyć, muszą przesuwać granice.

W realizacji tych celów pomaga grupa mikrokontrolerów RE01 firmy Renesas, ponieważ rozwija ona podejście integracyjne, dzięki rozbudowie urządzenia o kontroler pozyskiwania energii z otoczenia (EHC). W rzeczywistości mikrokontroler MCU RE01 może wykorzystywać swój wbudowany kontroler EHC do ładowania baterii akumulatorowej, jednocześnie zapewniając zasilanie pozostałej części urządzenia. Mikrokontroler RE01 to więcej niż tylko urządzenie do pozyskiwania energii z otoczenia - zawiera kontroler EHC o częstotliwości 64MHz Arm® z rdzeniem Cortex®-M0, wbudowaną pamięcią Flash, zaufanym bezpiecznym blokiem własności intelektualnej (TSIP), 14-bitowym przetwornikiem analogowo-cyfrowym (ADC), zegarami i wieloma interfejsami peryferyjnymi (ilustracja 2).

Ilustracja 2: stworzona, aby uprościć projektowanie urządzeń zasilanych bateryjnie, rodzina mikrokontrolerów RE01 firmy Renesas łączy w sobie kompletny kontroler pozyskiwania energii z otoczenia z rdzeniem procesora ARM Cortex-M0+ o niskim poborze mocy, wbudowaną pamięć Flash oraz wiele urządzeń peryferyjnych i interfejsów. (Źródło ilustracji: Renesas)

Zaprojektowany, aby uprościć budowę zasilanych bateryjnie urządzeń IoT mikrokontroler RE01 łączy w sobie kompleksowy zestaw odpowiednich funkcji peryferyjnych. Oprócz przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC) i interfejsów szeregowych do integracji czujników urządzenie zawiera obwód sterowniczy sterownika silnika (blok „MTDV” na ilustracji 2), który może sterować maksymalnie trzema silnikami; źródło prądu stałego, które może zasilać trzy zewnętrzne diody elektroluminescencyjne (LED); a także generator impulsów niskiej prędkości (LPG). Mikrokontroler MCU RE01 jako wyjście wyświetlania wykorzystuje akcelerator graficzny, który służy do dwuwymiarowego (2D) przetwarzania obrazu, a także kontroler wyświetlacza ciekłokrystalicznego (LCD) z pamięcią pikseli (MIP). Aby spełnić wymagania sterowania w czasie rzeczywistym, mikrokontroler MCU wyposażono również w czasowy układ nadzorujący, zegar czasu rzeczywistego (RTC) i obwód korekcji zegara (CCC), który utrzymuje precyzję zegara. Jeśli chodzi o kod oprogramowania i dane, wspomniane wyżej funkcje posiadają urządzenia należące do grupy RE01, w tym R7F0E015D2CFP (RE01 1500 KB) z 1500KB pamięci Flash i R7F0E01182CFM (RE01 256KB) z 256KB pamięci Flash.

Oprócz możliwości funkcjonalnych, mikrokontroler MCU RE01 wyposażono w bogate opcje pozwalające na znalezienie niezbędnej równowagi między wydajnością a zużyciem energii. Mikrokontroler MCU może pracować w wielu trybach, które minimalizują zużycie energii, zmniejszając częstotliwość roboczą z maksymalnej 64MHz do 32,768kHz w trybie niskiego prądu upływu, z częstotliwościami pośrednimi w normalnym trybie pracy 32MHz lub 2MHz. Podczas typowej pracy model R7F0E015D2CFP RE01 1500KB zwykle zużywa tylko 35µA na megaherc prądu czynnego (µA/MHz) i tylko 500nA w trybie czuwania przy napięciu 1,62V. Jego 14-bitowy przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC) pobiera tylko 4µA prądu, a przepisywanie programowania pamięci Flash wymaga tylko około 0,6mA. Zapewniając zasilanie dla tych standardowych operacji, kontroler EHC mikrokontrolera MCU RE01 łączy w sobie szeroki zestaw funkcji zaprojektowanych w celu ułatwienia pozyskiwania energii z otoczenia i zarządzania bateriami.

Zintegrowany kontroler pozyskiwania energii z otoczenia upraszcza projektowanie

Dzięki zintegrowanemu kontrolerowi EHC mikrokontrolery MCU RE01 sprawiają, że pozyskiwanie energii z otoczenia jest operacją raczej rutynową. Deweloperzy muszą tylko podłączyć element generujący energię, taki jak ogniwo słoneczne, TEG lub przetwornik drgań, bezpośrednio do wtyków VSC_VCC i VSC_GND mikrokontrolera MCU. Jeśli otoczenie zapewnia wystarczającą ilość energii, kontroler EHC może sterować wtykami wyjściowymi mikrokontrolera MCU w celu naładowania baterii akumulatorowej (VBAT_EHC), kondensatora magazynującego energię (VCC_SU) i innych urządzeń zewnętrznych (ilustracja 3).

Ilustracja 3: kontroler pozyskiwania energii z otoczenia zintegrowany w mikrokontrolerze MCU RE01 firmy Renesas umożliwia deweloperom szybkie skorzystanie z potencjału pozyskiwania energii z otoczenia. (Źródło ilustracji: Renesas)

Prostota budowy jest możliwa dzięki pełnemu zestawowi bloków funkcjonalnych zawartych w mikrokontrolerze MCU RE01, jak pokazano na ilustracji 4.

Ilustracja 4: kontroler pozyskiwania energii z otoczenia integrowany w mikrokontrolerze MCU RE01 firmy Renesas ma wszystkie funkcje wymagane do wykorzystania elementu generującego energię w celu wygenerowania wymaganego napięcia wyjściowego. (Źródło ilustracji: Renesas)

Kontroler pozyskiwania energii z otoczenia (EHC) wraz ze swoimi blokami funkcjonalnymi zapewnia kilka obwodów monitorowania napięcia, a także wiele rejestrów stanu i sterowania umożliwiających zarządzanie zasilaniem. Na przykład flaga statusu elementu wytwarzającego energię (ENOUT) sygnalizuje, czy element ten wytwarza prąd. I odwrotnie, flaga monitorowania ładowanego urządzenia (CMPOUT) wskazuje, czy napięcie ładowania jest przykładane do baterii akumulatorowej, czy do kondensatora magazynującego energię. Każda z tych funkcji odgrywa określoną rolę, gdy kontroler EHC przechodzi przez stany robocze związane z uruchomieniem, normalną pracą i wyczerpaniem baterii (ilustracja 5).

Ilustracja 5: dzięki wykorzystaniu wewnętrznych monitorów napięcia, flag statusu i rejestrów, zintegrowany kontroler pozyskiwania energii z otoczenia mikrokontrolera MCU RE01 firmy Renesas obsługuje całą sekwencję ładowania od początkowego ładowania do wyczerpania. (Źródło ilustracji: Renesas)

Gdy do mikrokontrolera MCU podłączony jest element wytwarzający energię, kontroler EHC uaktywnia początkowy etap ładowania. Tutaj kontroler EHC umożliwia przepływ mocy do VCC_SU, ładując kondensator magazynujący energię, aż poziom napięcia na VCC_SU przekroczy określony progowy poziom napięcia VCC_SU_H. W tym momencie kontroler EHC wykorzystuje kondensator magazynujący energię do rozpoczęcia dostarczania zasilania do strefy systemowej, VCC. Gdy VCC przekracza napięcie progowe włączenia zasilania (VPOR), sygnał resetowania w momencie włączenia zasilania przechodzi w stan wysoki, zwalniając urządzenie z resetu i jednocześnie ENOUT w stan wysoki, co sygnalizuje, że element generujący energię jest aktywny.

Po zwolnieniu resetowania w momencie włączenia zasilania rejestr kontroli ładowania VBAT_EHC EHC, VBATCTL, jest ustawiany na wartość 11b, umożliwiając urządzeniu rozpoczęcie ładowania baterii akumulatorowej. W rzeczywistości w tym okresie kontroler EHC przełącza swoje wyjście ładowania między baterią akumulatorową i kondensatorem magazynującym energię, aby utrzymać zasilanie VCC podczas ładowania akumulatora. Gdy napięcie kondensatora magazynującego energię spada poniżej dolnego progowego poziomu napięcia, VCC_SU_L, kontroler EHC przełącza zasilanie na VCC_SU, aż osiągnie górną wartość progową VCC_SU_H, a wówczas wznawia ładowanie baterii akumulatorowej. Proces ten trwa do momentu, aż napięcie akumulatora na VBAT_EHC osiągnie wartość progową VBAT, VBAT_CHG (ilustracja 6).

Ilustracja 6: nawet po tym, jak zintegrowany w mikrokontrolerze MCU RE01 firmy Renesas kontroler pozyskiwania energii z otoczenia (EHC) rozpocznie ładowanie baterii urządzenia, kontroler ten nadal będzie ładował kondensator magazynujący energię, który zapewnia zasilanie systemowe VCC aż do pełnego naładowania akumulatora. (Źródło ilustracji: Renesas)

Po naładowaniu baterii następuje ustawienie bitu QUICKMODE, co powoduje przejście kontrolera EHC do ustalonego stanu pracy. W tym stanie kontroler EHC kontynuuje ładowanie akumulatora z elementu generującego energię, jednocześnie dostarczając ją z baterii do domeny VCC.

Jeśli poziom energii z otoczenia spadnie, a element wytwarzający energię przestanie ją dostarczać, kontroler EHC będzie dalej dostarczać VCC z baterii. Ostatecznie wewnętrzny monitor napięcia wykryje, że wartość VBAT_EHC spadła poniżej ustawionego progu, V_det1, a bit QUICKMODE zostanie ponownie ustawiony na zero. Po ustawieniu tego bitu następuje odcięcie zasilania strefy VCC i inicjalizacja rejestrów EHC. Dalszy spadek VCC poniżej V_POR powoduje, że urządzenie resetuje sygnał resetowania w momencie włączenia zasilania. Aby wznowić działanie, urządzenie musi odpowiednio wykonać początkową sekwencję ładowania, gdy energia z otoczenia wzrośnie do wystarczającego poziomu.

Zestaw ewaluacyjny pomaga w szybkim prototypowaniu

Aby korzystać z funkcji kontrolera EHC wbudowanego w mikrokontroler RE01, nie ma potrzeby stosowania dodatkowych komponentów, jednak deweloperzy nadal muszą skonfigurować urządzenie i wykonać określoną serię wspomnianych powyżej operacji. Aby deweloperzy mogli w krótkim czasie przejść do szybkiego prototypowania i opracowywania niestandardowych rozwiązań z wykorzystaniem grupy produktów RE01, firma Renesas włączyła do swojej oferty gotowe do użycia zestawy ewaluacyjne RTK70E015DS00000BE i RTK70E0118S00000BJ, przeznaczone odpowiednio do kontrolera RE01 1500KB i kontrolera RE01 256KB. W rzeczywistości zestaw RE01 1500KB stanowi gotową platformę deweloperską, w skład której wchodzi płytka mikrokontrolera MCU RE01 1500KB (ilustracja 7), karta rozszerzeń LCD, panel słoneczny i kabel USB. Oprócz mikrokontrolera MCU RE01 płytka rozwojowa zawiera superkondensator do magazynowania energii, złącze do zewnętrznej baterii wielokrotnego ładowania, przełączniki, diody LED, wbudowany debugger i wiele złączy interfejsowych, w tym listwę Arduino Uno.

Ilustracja 7: zestaw ewaluacyjny RE01 1500KB firmy Renesas zawiera płytkę mikrokontrolera MCU RE01 1500KB z wbudowanym debuggerem i wieloma złączami interfejsowymi zaprojektowanymi dla ułatwienia ewaluacji, prototypowania i opracowywania niestandardowych produktów. (Źródło ilustracji: Renesas)

Oprócz platformy sprzętowo-rozwojowej dostępnej w zestawie ewaluacyjnym firma Renesas oferuje obszerny zestaw pakietów oprogramowania przeznaczonych do pracy w zintegrowanym środowisku deweloperskim (IDE) Embedded Workbench systemów IAR lub we własnym środowisku IDE e² Studio. Oprogramowanie zbudowane w oparciu o pakiet sterowników Cortex Microcontroller Software Interface Standard (CMSIS) firmy ARM, wykorzystuje architekturę programową znaną programistom kodu dla procesorów opartych na ARM.

Być może, co najważniejsze, przykładowe programy w pakietach oprogramowania firmy Renesas oferują wykonywalny szablon do tworzenia niestandardowego oprogramowania. Na przykład realizacja sekwencji działania kontrolera EHC ukazana na ilustracji 5 wymaga towarzyszącej serii procedur inicjalizacyjnych potrzebnych do zminimalizowania zużycia energii podczas kluczowych etapów, takich jak ładowanie początkowe i ładowanie baterii akumulatorowej. Program rozruchowy dostarczony z przykładowym oprogramowaniem demonstruje każdą z tych procedur inicjowania i konfiguracji. Co więcej, firma Renesas daje deweloperom jasną metodę korzystania z tego programu rozruchowego w celu zmiany parametrów w razie potrzeby i wstawienia własnego kodu oprogramowania do sekwencji rozruchowej (ilustracja 8).

Ilustracja 8: dołączony do dystrybucji oprogramowania firmy Renesas przykładowy kod do uruchamiania funkcji pozyskiwania energii z otoczenia mikrokontrolera MCU RE01 przedstawia każdy wymagany etap, jednocześnie wskazując, gdzie deweloperzy mogą modyfikować parametry lub wstawiać własne kody oprogramowania. (Źródło ilustracji: Renesas)

Korzystając z zestawu ewaluacyjnego firmy Renesas i powiązanych pakietów oprogramowania, deweloperzy mogą szybko badać różne tryby pracy mikrokontrolera MCU RE01 i oceniać metody pozyskiwania energii z otoczenia. Później to środowisko stanowi skuteczną platformę do szybkiego prototypowania własnych zastosowań i opracowywania niestandardowych rozwiązań.

Podsumowanie

Pozyskiwanie energii z otoczenia stanowi skuteczne rozwiązanie, jeśli chodzi o miniaturyzację i wydłużanie żywotności baterii w układach o niskim poborze mocy, takich jak urządzenia IoT, ale podejście to może znacznie zwiększyć ogólne rozmiary, złożoność i koszty projektu. Potrzebne jest bardziej zintegrowane podejście.

Grupa mikrokontrolerów firmy Renesas wyposażona w wiele bloków funkcjonalnych i urządzeń peryferyjnych, obejmuje kompletny wbudowany podsystem pozyskiwania energii z otoczenia, który usprawnia i upraszcza budowę układu pozyskiwania energii z otoczenia. Płytki rozwojowe i powiązane oprogramowanie pozwalają deweloperom na szybką ewaluację, prototypowanie i tworzenie niestandardowych projektów, z pełnym wykorzystaniem potencjału pozyskiwania energii z otoczenia, przy użyciu małych, niedrogich urządzeń.