低電力設計技術
スリープモードでは、マイクロコントローラーを低電力モードにする際に、スタンバイモードとアイドルモードという異なるレベルの設定があります。デバイスの要件により、スリープモードでも、いくつかのコンポーネントやモジュールは動作し続ける必要があります。SAMD21ベースのボードでは、スタンバイモードが最も消費電力の少ないモードです。これはマイクロコントローラーの全てのクロックソースを停止し、電圧レギュレータを低電力状態に設定します。発振器は、停止(stop)、実行(run)、周辺機器からの要求による実行(run on behalf of peripheral request)、の3種類の状態のいずれかになります。その後、WFI(Wait For Interrupt)が有効な間、デバイスはディープスリープモードになります。割り込みやWDT(Watchdog Timer: ウォッチドッグタイマー)が、デバイスをスリープモードから復帰させます。
アイドルモードもスタンバイモードと同様です。アイドルモードでは、WFI(Wait For Interrupt)が有効な時でも、周辺機器は起動したままです。しかし、デバイスはスリープモードではありません。つまり、スタンバイモードよりは消費電力は多くなります。一方、クロックソースは、起動したままにするのか、消費電力を下げるために停止するのかは、ソフトウェア設計者次第です。このモードでも同様に、割り込みやWDT(Watchdog Timer: ウォッチドッグタイマー)が、デバイスをスリープモードから復帰させます。
スリープ状態から復帰させる外部イベント
アプリケーションは、スケジュールされたタスクの完了後、常にスリープ状態を維持するわけではなく、トリガーに反応するための必要なタスクを処理するために、環境の変化を認識する必要があります。このように設計条件を満たした場合はいつも、外部イベントはマイクロプロセッサがスリープ状態から復帰するための要因です。これらの外部イベントは、通常、ADC(Analog to Digital Converter)や、UARTなどの周辺機器、利用可能なI/O(Input and Output)ポートにより発出されます。
ADC(Analog to Digital Converter)により引き起こされる起動
電源ガイドと自己放電率
低電力アプリケーションの例
標準的な低電力の例
- 必要なハードウェア: 任意のSAMD21ベースのArduinoボード(MKRファミリー)
外部イベントに基づく低電力の例
- 必要なハードウェア: 任意のSAMD21ベースのArduinoボード(MKRファミリー)
ここでは、 LowPower.attachInterruptWakeup(pin, callback, mode) 関数を定義する必要があります。引数は、操作するデバイスのpin、タスクを設計するcallback、定義したpinの変化を検出する遷移を定義するmodeです。modeは、FALLINGかRISING、CHANGEの3つのどれかを選ぶことができます。
FALLINGは、指定したピンが立ち下がる信号を意味します。RISINGは、立ち上がりを意味し、CHANGEは立下り・立ち上がりの双方を意味します。 pinMode(pin, mode) では、modeは、 INPUT か OUTPUT 、 INPUT_PULLUP のどれかです。低電力の例で定義された外部イベントを見るには以下のようにします。この例は、「スケッチ例」→「Arduino Low Power」→「ExternalWakeup」と進めばあります。
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- 必要なハードウェア: 任意のSAMD21ベースのArduinoボード(MKRファミリー)
先ほどの外部イベントに基づく低電力の例を少し変更すれば、定義した読み取り電圧の幅を入力とした、ADCによる起動に設定することができます。この例は、「スケッチ例」→「Arduino Low Power」→「AdcWakeup」で見ることができます。
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- 必要なハードウェア: MKR WAN 1300/1310 (On-Board Murata Module)
低電力タスクはマイクロコントローラーだけに適用されることを理解することが重要です。我々が使ったMKR WAN 1310ボード上のMurataモジュールのような外部モジュールは、そのモジュールをスリープモードにするコードを別に書く必要があることを意味します。
簡単な低電圧検出の例
- 必要なハードウェア: 任意のファミリーのArduinoボード
これは、もっとも簡単な低電圧検出を実装する例です。これは、電源が少なくなってきたことを検出し、デバイスが電源断によりシャットダウンするのを防ぎます。これは単純な操作ですが、参照値として使用するパラメータを明確にする必要があります。そうしないと、間違った測定値が観測されます。以下の例は、MKR WAN 1310を使った設定で、アナログピンに直接接続された電源の残りパーセントを検出します。
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- analogReadResolution()は、analogRead()が返す値の精度を決めるのに使われます。
- analogRead()は、アナログピンから値を読むのに使われます。
- 最後に、それぞれの分周器の分解能です。この例では、4095が使われ、MKR WAN 1310では12ビットの精度です。10ビットのような異なる分解能を使う場合は、1023に設定する必要があります。
Arduinoでの高度な低電力技術
低周波数と低電圧
プロセッサは、通常、負荷に応じて周波数を変更します。このプロセッサ周波数は、計算を最小時間で高速に実行するために変化します。Wi-FiやBluetooth® Low Energyのようないくつかのモジュールでは、最低限の周波数が要求されます。一方、低すぎる周波数ではモジュールが正しく動かなくなることや、全く動作しなくなることもあります。また、さらに低周波数にする場合は、適した発信機が必要になるので、外付けの水晶発振器が必要になることもあります。
マイクロコントローラーレベルの電源管理
SAMD21マイクロコントローラー - 電力削減モード ATmega328Pマイクロコントローラー - 電力削減レジスタ周辺機器と内部モジュール
外部デバイス
Low-Dropoutレギュレータ
Power Budgeting
電力消費測定方法
低電圧検出
次の電池寿命計算機を使って、推定寿命を取得することができます: https://www.omnicalculator.com/other/battery-lifeこのために、例えばAtmega328PベースのArduino NanoやClassic Familyが採用している、AVRマイクロコントローラーの電力管理手法を使います。Nick Gammonと Retrolefty、Coding Badlyによって開発された低電圧検出方法と、消費電力削減のために低電力状態への移行手段を組み合わせます。
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