Tesi di laurea
Studio di un sistema a
bassissima potenza per
l’acquisizione dati
Laureando
Adnan Berberovic
Relatore
ing. Gianfranco Fenu
Introduzione:
Motivi per l’utilizzo di sistemi a
bassissima potenza
 Trasportabilità
 Isolamento
 Necessità di basso consumo
 Nessuna disponibilità di fonti energetiche
 Diminuire la dissipazione di calore
 Sistemi a risparmio energetico
Caratteristiche di un progetto Low-Power
 Componenti a bassissimo consumo
 Dispositivi a bassissimo leakage
 Spegnimento delle parti circuitali non
usate
 Attenzione alle eventuali reti resistive tra
tensione di alimentazione e massa
 Mantenere un consumo mediato nel
tempo dei dispositivi molto basso
Schema di principio di un sistema Low-Power
Interruttore
Pilotato
Alimentazione
uP
Microcontrollore
Connessione
verso
l’esterno
Hardware per la
Trasmissione
dati
Hardware per la
gestione dei
sensori
Sensori
Alimentazione a batteria del
sistema
 Deve garantire un’adeguata durata




temporale del dispositivo
Deve avere basse perdite interne
Deve essere adatto a funzionare a diverse
temperature
Deve essere di ingombro ridotto
Deve avere un basso peso
Tipi di pile
Tipo
Vantaggi
Zinco-Carbone •Economiche
•Facili da reperire
Alcaline
•Abbastanza economiche
•Mantengono una
Svantaggi
•Bassa densità energetica
•Curva di scarica inclinata
•Curva di scarica inclinata
resistenza di scarica bassa
•Migliori caratteristiche a
diverse temperature
•Moderata densità
energetica
Litio
•Alta densità energetica
•Curva di scarica piatta
•Buone caratteristiche a
diverse temperature
•Vita di scaffale lunga
•Costose
Tipi di Pile
Capacita energetiche a diverse temperature
Perdita di capacita delle pile a diversi assorbimenti di corrente
Ricerca del microcontrollore adatto
al sistema
Caratteristiche cercate nel microcontrollore
 Dove garantire un basso consumo
 Dove avere integrati dei convertitori AD
 Deve avere integrata una UART
 Deve poter passare ad una modalità di
bassissimo consumo
Microcontrollori Microchip PIC18F
Caratteristiche generali
 Microcontrollore ad 8 bit CISC
 Contiene una USART hardware
 Contiene un convertitore AD
 Consuma circa 150uA ad una frequenza di
1MHz ed una tensione di lavoro di 2 Volt
 Può arrivare a consumare in low-power
fino a 2,1uA
Microcontrollori Texas Instruments
MSP430F
Caratteristiche generali
 Microcontrollore ad 16 bit RISC
 Contiene una USART hardware
 Contiene un convertitore AD
 Consuma circa 200uA ad una frequenza di
32KHz ed una tensione di lavoro di 2 Volt
 Può arrivare a consumare in low-power
fino a 1uA
Scelta del microcontrollore
INIZIO
ABILITA
INTERRU ZIONI
SLEEP MODE
DISABILITA
INTERRU ZIONI
FUNZIONI DI USO
GENER ALE
Il microcontrollore deve
essere in grado di
funzionare in un sistema
che può essere risvegliato
solo mediante interup
provenienti da diverse
fonti
Scelta del microcontrollore
Vantaggi del microcontrollore PIC18F
 Consumo più basso del MSP430F
Svantaggi del microcontrollore PIC18F
 Necessita di due istruzioni per attivare le
interruzioni e portarsi in sleep-mode
 Una istruzione MSP430F fa quello che
fanno 4 istruzioni PIC18F
Scelta del microcontrollore
Vantaggi del microcontrollore MSP430F
 Estrema semplicità di programmazione
MSP430F per la sua struttura RISC
Svantaggi del microcontrollore MSP430F
 Consumo più elevato del PIC18F
Descrizione del Software del
sistema
Parti base del software del sistema




Controllo di ricezione seriale
Controllo di trasmissione seriale
Esecuzione delle procedure di misura
Stato di Sleep
INIZIO
SETTAGGI INIZIALI
Nuovo
commando da
Seriale?
Si
PROCEDURA DI
DECODIFICAZIONE ED
ESECUZIONE DEI COMANDI
SERIALI
No
Trasmissione
seriale
terminata?
No
PROCEDURA PER IL
CARICAMENTO DELL’OUT
BUFFER SERIALE.
Si
ESECUZIONE DELLE
PROCEDURE DI
MISURAZIONE.
Si
Interruzione
dal timer di
misura.
No
STATO DI
SLEEP
Struttura
base del
sistema
Settaggi iniziali
 Frequenza di funzionamento tramite il
DCO interno (1MHz)
 Settaggio della USART hardware del
microcontrollore (9600 bit/s)
 Predisposizione dell’ADC
 Predisposizione del riferimento di tensione
interno
Struttura della ricezione seriale
INIZIO
No
Byte di start
Trasmissione
già iniziata
Si
Si
IMMAGAZZINO E
CONTROLLO
No
FINE
Byte non di mio
interesse
Dati
completi
Si
DECODIFICO IL
COMANDO E LO
ESEGUO
No
FINE
Attendo ulteriori
dati
PREPARO I DATI
DA SPEDIRE
FINE
Struttura della trasmissione seriale
INIZIO
No
Byte da
trasmettere.
PASSA IN
RICEZIONE
Si
CARICA IL BYTE
DA TRASMETTERE
FINE
Struttura dell’acquisizione dati
Diagramma per un
singolo sensore
Diagramma per
più sensori
INIZIO
INIZIO
ACCENSIONE DEI
SISTEMI DI
ACQUISIZIONE
CONTROLLA IL
PRIMO SENSORE
ATTES A
CONTROLLA IL
SECONDO SENSORE
MISURA
SALVATAGGIO
IN MEMORIA
AGGIORNAMENTO
DEL REGISTRO DI
ULTIMO DATO
VALIDO
FINE
CONTROLLA
LÕENNESIMO
SENSORE
FINE
Schema elettrico del sistema
Anti inversione della batteria
V_batt
Battery
BT1
CR123A
C1
2u2
M1
BSH103
GND_BATT
ISO_GND
Schema elettrico del sistema
Buffer RS232
V_batt
CON 2
C6
11
10
C7 1u
CONNECTOR DB9
1
3
4
5
2
6
ISO_GND
TX Port
C8 1u
C10
1u
C11
1u
R1IN
R2IN
VCC
13
8
100n
16
U2
T1IN
T2IN
C1+
C1C2+
C2V+
V-
R1OUT
R2OUT
T1OUT
T2OUT
14
7
MAX 3232
ISO_GND
ISO_GND
12
9
GND
TX
15
1
6
2
7
3
8
4
9
5
RX Port
TX
Schema elettrico del sistema
Microcontrollore e memoria
CON 1
14
12
10
8
6
4
2
V_batt
V_batt
V_batt
Reset
1
B3S-1000 Omron
C4
100n
C2
2
3
100p
SW1
C5
100n
C3
4
X1
CM200S
ISO_GND
5
6
ISO_GND
100p
7
ISO_GND
ISO_GND
8
9
10
11
12
13
V_Ref
14
R2
NTC
Reset
ISO_GND
Male 7x2
U1
R1
10k
13
11
9
7
5
3
1
Test
P1.7/TA2/TDO/TDI
Vcc
P1.6/TA1/TDI
P2.5/Rosc
P1.5/TA0/TMS
Vss
P1.4/SMCLK/TCK
Xout
P1.3/TA2
Xin
P1.2/TA1
RST/NMI
P1.1/TA0
P2.0/ACLK/A0 P1.0/TACLK/ADC10CLK
P2.1/INCLK/A1
P2.4/TA2/A4/Vref +
P2.2/TA0/A2
P2.3/TA1/A3/Vref -
P3.0/STE0/A5
P3.7/A7
P3.1/SIMO0
P3.6/A6
P3.2/SOMI0
P3.5/URXD0
P3.3/UCLK0
P3.4/UTXD0
MSP430F1232
V_batt
V_batt
28
27
26
25
24
23
22
21
20
18
17
16
RX Port
15
R6
10k
V_batt
V_Ref
19
TX Port
R7
10k
C12
C9
100n
ISO_GND
R3
100k
ISO_GND
100n
R5
10k
R4
10k
ISO_GND
U3
8
7
6
5
Vcc
A0
Test A1
SCL A2
SDA Gnd
24AA256
ISO_GND
1
2
3
4
ISO_GND
Valutazioni sul consumo
Consumo dell’ADC durante la misura
Assorbimento dell’ADC = 1,2 mA
Assorbimento del riferimento di tensione = 0,4 mA
Tempo di accensione del riferimento di tensione = 30 uS
Consumo del sistema in fase di accensione
(1,2  0,4)mA  30uS  48nAS
Tempo di acquisizione
300  6uS  1,8mS
Consumo totale nella fase di acquisizione
(1,8mS  1,6mA)  48nAS  2,928uAS  3uAS
Assorbimento medio su 10 secondi
3uAS  10 S  0,3uA
Valutazioni sul consumo
Consumo della memoria durante la scrittura
Tempo di scrittura = 5 mS
Assorbimento di corrente in scrittura = 3 mA
Consumo in scrittura
5mS  3mA  15uAS
Assorbimento medio su 10 secondi
15uAS  10S  1,5uA
Valutazioni sul consumo
Consumo del microcontrollore
Consumo del microcontrollore = 350uA
Consumo durante le 1600 operazioni
(1600  6uS )  350uA  3,36uAS  4uAS
Assorbimento tipico nei 10 secondi
4uAS  10S  0,4uA
Valutazioni finali
Consumo mediodel sistema
Consumo in standby del microcontrollore = 70 uA
Consumo in standby della memoria = 1 uA
Consumo medio totale
0,3uA  1,5uA  0,4uA  1uA  70uA  73,2uA  75uA
Durata teorica con pila al litio di capacita 4Ah
4 Ah  75uAS  192MS  6anni
Valutazioni finali
Durata della memoria
32KB totali, 2 Byte ogni dato
Con 1 campione ogni 10 secondi
Circa 2 giorni
Con media su 4 campioni presi ogni 10 secondi
Circa 8 giorni
Con media su 8 campioni presi ogni 10 secondi
Circa 16 giorni
Utilizzando le nuove memorie da 1MB
Con 1 campione ogni 10 secondi
Circa 60 giorni
Applicazioni del sistema
 Sistema di monitoraggio della temperatura
all’interno di terrari
 Monitoraggio dell’irraggiamento solare
 Sistemi di monitoraggio su lungo tempo
Fine