通过降低传感器功率消耗来节省工厂维护成本

发布时间：2019-3-6 10:46 发布者：eechina

── 在待机状态下，RL78的CPU也能进行异常检测和警报输出

在工业工厂和厂房中，希望降低环境传感器系统的维护成本时，可以通过降低传感器功耗来实现。本文描述如何利用微控制器的待机功能来降低传感器系统的功耗。具体来说，就是将传感器测量的频度降低，让系统尽可能长时间保持在待机状态。除此之外，还能在保持该状态的同时，执行异常检测。瑞萨电子的16位微控制器芯片RL78/G11，提供了许多在待机模式下可用的外围功能。通过这些功能的适当组合，不必让芯片跳出待机模式，就可以实现异常检测和警报输出。

制造业中的工厂和厂房，需要大量的环境传感器来监控诸如振动、气体的存在、温度、采光、粉尘等方面的信息。如今，这些任务通常会整合在系统中，再透过这套系统，持续收集大量的传感器数据，并应用AI（人工智能）式的分析方法，以及早发现可能会影响制造，并导致故障的任何变化（预防性故障诊断和维护）。

在这种系统中使用的传感器，其安装可能受到空间限制，而难以连接电源布线的位置，有时还必须在制造设备停止运作时收集数据。因此，这种传感器经常由独立的电池式电源供电。必须的电池更换频度，会影响工厂的维护成本。如果只有少数传感器，就不会造成严重问题，但对于具有数十个或数百个传感器的系统，更换电池所需的人工成本和时间，就成为重要的考虑因素。当考虑到降低电池更换频度时，降低环境传感器的功耗，即为一种有效的方法（图1）。

图1 与环境传感器相关的维护成本

本文描述了如何利用微控制器的待机功能，来降低传感器系统的功耗。所使用的微控制器是瑞萨电子的16位RL78/G11芯片，专为传感器应用、小型家电和类似设备而设计。

在降低量测频率时，考虑适当的异常检测方法

用来生产精密零件的制造厂房的系统范例，可以用作环境传感器应用的范例（图2）。这里的目标，是借着减少传感器系统的电流消耗来降低电池更换频率。为了能更清楚明白，以下的说明专注在粉尘传感器的控制，当作代表性的范例。

图2 精密零件厂房的环境传感器系统

在精密零件的制造上，空气中的粉尘、烟雾、悬浮颗粒等，都会影响产量。为了控制好这部分，入口处会有空气浴尘室用于人员的清洁，整间厂房的粉尘传感器，则用于监测粉尘颗粒的浓度。空气清净机的运转率，通常根据测量的浓度值升高或降低。

当厂房的运作正常时，粉尘浓度通常不会有较大的波动。借着在这种条件下降低测量频率，可以降低粉尘传感器的功耗。例如，透过每十秒，而不是每秒一次执行量测，功耗可以减少到十分之一。

反之，如果厂房的运作偏离稳定状态，则粉尘浓度可能异常增加。在这种情况下，需要增加空气清净机的运转率，但要等到粉尘浓度下降，可能仍需要一些时间。如果生产设备继续在高浓度的粉尘下运转，设备可能会被污染并需要清洁。因此，当粉尘异常增加时，必须立即停止厂房的生产设备。

因此，用于检测异常和系统控制的合适方法，必须好好的来思考。第一步，是配置用于检测异常情况的系统。接下来，必须确保在异常检测的情况下所需的处理步骤（例如输出警报讯号）可以平稳且快速地执行。

这可以总结如下。粉尘传感器系统需要：

(1) 降低测量的频率
(2) 有能力检测出异常情况(3) 在检测到异常的情况下，就可启动系统控制。

外围功能对传感器处理很有用

在解释如何实现这种控制系统之前，在此有一些关于RL78/G11芯片的信息（以下简称为G11）。该产品是瑞萨电子的RL78系列微控制器的一部分（见图3）。其特点，是在提供适用于电压测量、增强型模拟数字转换外围功能等的应用。举例来说，这些功能可用于控制传感器的集线器和工业传感器、电池模块、电动工具、测量仪器、厨房用具、吸尘器、美容用具、空调风扇、通风设备等。

图3 RL78系列路线图

G11包含四种类型的定时器，以及串行通讯功能、一组比较器、可编程增益放大器(PGA)、10位A/D转换器和8位D/A转换器等。以下进一步说明的是，在CPU停止时，G11的许多外围功能模块仍然可以在待机模式下运行。

G11的电源电压范围为1.6 V至5.5 V，包含三个振荡器，用于生成工作时钟信号。G11有四种闪存操作模式（flash operation mode），可优化内部电路的工作电压、工作时序和工作电流。通过选择合适的模式，并根据电源电压范围，以及要使用的时钟频率，可以尽可能有效地降低微控制器的电流消耗（图4）。

图4 RL78/G11的闪存操作模式

下一节将举例说明如何使用G11控制粉尘传感器。

在待机模式下也能使用定时器进行间歇操作

要实现的第一个方向，是降低传感器测量的频度。

利用微控制器的待机（standby）功能，间歇地操作粉尘传感器，可以实现即只在测量粉尘浓度时，唤醒微控制器的CPU，并在其他时间将其保持在待机状态（图5）。这里的待机状态应该理解为电流消耗减少了，但可以快速返回到正常状态（可以执行粉尘浓度测量）的那种状态。

图5 使用待机状态降低测量频度

以每10秒进行一次测量的系统为例，在待机状态下，需要测量时间间隔（10秒）。也就是说，必须要有一组保持运行状态的定时器。除此之外，待机模式必须能够处理外部信号输入（外部中断或串行数据）。测量的操作状态和待机状态的范例如图6所示。

图6 测量操作和待机期间的处理流程

G11待机功能的说明如下。G11提供三种不同的待机模式，分别称为HALT，STOP和SNOOZE（图7）。

图7 RL78/G11的三种待机模式

HALT模式从CPU的Run模式进入，当收到中断时，CPU返回Run模式。在HALT模式下，几乎所有外围功能都可以操作。

STOP模式与HALT模式一样是从CPU的Run模式进入的，当收到中断时，CPU返回Run模式。某些定时器、安全功能和DOC（数据操作电路）在此模式无法使用，但其他外围功能仍可操作。

SNOOZE模式是一种特殊模式，当微控制器接收到串行数据，A/D转换结束信号，或DTC（Data Transfer Controller，数据传输控制器）启动源请求时，系统从STOP模式进入SNOOZE模式。如果产生中断，CPU会被唤醒，否则微控制器还是返回STOP模式。SNOOZE模式是一种可以进行串行数据通讯、A/D转换和缓存器设置（DTC的缓存器重写）的待机模式，该模式下并不会唤醒CPU。

微控制器的功耗取决于模式，通常可以如下排序：

STOP < SNOOZE < HALT < CPU RUN

功耗往右侧是增加。Run模式和STOP模式之间，操作电流（电源的电流特性）的比较，结果如下。

CPU Run模式：1.4 mA（24 MHz操作，HS模式，-40ºC至+85ºC，典型值）
STOP模式：0.25μA（+25ºC，典型值）

在此可以看出，STOP模式下的电流消耗仅为Run模式的0.02％。

在G11的STOP模式下，可以进行间隔定时器的操作。间隔定时器用于定期从停止模式返回到Run模式，来获取粉尘传感器数据。外部信号输入可以通过STOP和SNOOZE模式的组合来处理，进而可以满足来自外部系统的测量结果查询需求。G11提供的ELC（Event Link Controller，事件链接控制器）和DTC功能，可用于检测外部中断，操作间隔定时器和使用比较器匹配。

快速异常检测和无延迟处理

本节介绍检测到错误（异常）时的处理方法。

制造厂房中的环境传感器，检测到异常情况时，可能的处理流程如图8所示。图中所示的步骤，需要以最小的延迟执行，即使微控制器当时处于待机模式也是一样。

图8 检测到异常时的处理步骤

例如，在以10秒间隔进行测量的系统中，如果在测量完成后立即发生异常（CPU从Run变为Standby），则在最糟糕的情况下，CPU可能不会在10秒内唤醒（图9（a））。对于要确保对异常的快速反应，这就是个问题。因此，CPU在停止（待机状态）时也能够进行异常检测的系统，就会受到期待。使用G11时，STOP和SNOOZE模式的组合，可用于监控传感器输出，并在待机期间也能触发警报信号（图9（b））。

图9 检测到异常时的CPU操作

图10图标了利用G11的外围功能，进行异常检测的方法。在图10（b）中，DOC在没有CPU干预的情况下，执行16位比较、加法和减法。在图10（a）和（b）中，DTC执行缓存器操作，例如在CPU停止期间进行内存之间的数据传输。G11还提供中断标志输出功能，输出INTFO信号。通过这些功能的适当组合，可以在不唤醒CPU的情况下输出警报信号。

图10 使用RL78/G11外围进行异常检测

当异常检测和或警报输出完成时，微控制器返回CPU Run模式。由于诸如切换频率，和等待芯片内置振荡器稳定的过程，这种类型的唤醒操作，通常需要几十微秒。但是，使用G11，通过选择合适的工作时钟频率，以及正确的闪存操作模式，CPU唤醒时间可以缩短到4到5微秒（图4）。

异常检测和警报信号输出的同时系统会产生一次中断，可以快速触发唤醒CPU，以便顺利进行后续处理。虽然可能有些情况下，需要对异常做出更直接的反应，但在大多数情况下，5微秒的反应时间已经够短了。

瑞萨电子网站上提供的文件和有用的工具

这里描述的方法，也就是将微控制器的待机功能，用于环境传感器系统上的方法，也可以应用于其他类型的系统。为了推广G11待机功能的理解和运用，瑞萨电子在其网站上提供了应用说明和范例程序代码。

同时，瑞萨电子还向用户免费提供一套易于使用的可视化程序设计工具——Applilet EZ PL for RL78（版本2.00）。逻辑电路、定时器、一般用途逻辑、微控制器功能等，都在GUI面板上显示，并且可以加以组合，来创建微控制器程序。使用精灵格式（wizard format）也可以轻松完成待机功能设置。

有关G11信息以及获得Applilet EZ PL for RL78，请访问访下面显示的URL。

<参考URL >

・ RL78/G11 – 低功耗丰富模拟MCU
https://www.renesas.com/products/microcontrollers-microprocessors/rl78/rl78g1x/rl78g11.html