Уменьшаем энергопотребление Ардуино

Данная тема весьма актуальна при разработке устройств, которые должны работать от автономного источника питания. Это могут быть беспроводные датчики, системы контроля и автоматизации, устройства для умного дома и многое другое. Как можно заставить их работать дольше без подзарядки аккумуляторов и замены батарей? Давайте разбираться.
В основе большинства плат Ардуино и ее клонов лежат AVR микроконтроллеры (МК) фирмы Atmel, известные своей технологией picoPower, которая позволяет добиться минимального уровня энергопотребления по сравнению с большинством МК других производителей. Так если обратиться к даташиту ATmega328P, то в самом его начале приводятся данные по энергопотреблению в различных режимах при частоте 1МГц и напряжении питания 1,8В:

• Active Mode: 0.2мА
• Power-down Mode: 0.1мкА
• Power-save Mode: 0.75мкА

Режимы энергосбережения рассмотрим чуть позже, а сейчас пока остановимся на двух других факторах: напряжении питания МК и его частоте.

Согласно закону Ома, сила тока в цепи прямо пропорциональна напряжению. Поэтому для уменьшения тока, потребляемого Ардуино, необходимо уменьшить напряжение питания. Требуемое рабочее напряжение (5В или 3.3В) в Ардуино обеспечивают линейные стабилизаторы типа AMS1117, при этом входное напряжение должно быть несколько больше (6,5В и 4,8В).  Чтобы запитать Ардуино меньшим напряжением его следует подавать в обход стабилизатора:  на пин +5V или через USB разъем. Но будьте осторожны, превышение максимально допустимого напряжения питания МК (для ATmega328P оно составляет 6В) выведет его из строя. Других причин не использовать пин +5V для питания Ардуино нет.

Если использование стабилизатора все-таки необходимо, то вместо линейных лучше использовать импульсные, так как они имеют больший КПД. Вполне реально найти импульсный стабилизатор, подходящий по габаритам и распиновке для замены AMS1117 на плате UNO.

Другой фактор, влияющий на расход энергии, это тактовая частота МК. Чем выше частота МК, тем больший ток он потребляет. Если нам не нужна вся вычислительная мощь Ардуино, то можно понизить его тактовую частоту, чтобы уменьшить энергопотребление. И в этом нам поможет предделитель тактовой частоты (System Clock Prescaler).

Описание предделителя МК ATmega328P и управляющего им регистра CLKPR (Clock Prescale Register) приведено в разделе 13.11 даташита. Согласно документации для того чтобы изменить значение делителя необходимо сначала установить в управляющем регистре бит Clock Prescaler Change Enable (CLKPCE), записав в него значение 0x80. После этого новое значение делителя, а точнее его код, записывается в младшие 4 бита регистра. На время внесения данных изменений все прерывания должны быть запрещены. Таким образом для уменьшения частоты, например, в 8 раз можно использовать следующий код:

void setup() {
  //Уменьшим тактовую частоту Ардуино при помощи делителя
  noInterrupts (); // cli()
  CLKPR = 0x80;    // Разрешаем изменение значения делителя
  CLKPR = 3;       // Записываем в регистр значение 3, что соответствует значению делителя 8.
                   // Все значения CLKPR и соответствующие им коэффициенты приведены в даташите
  interrupts ();   // sei()
}

void loop() {

}

Данный пример иллюстрирует принцип управления частотой Ардуино на низком уровне. Но все же гораздо удобнее для этих целей использовать функцию clock_prescale_set() из файла power.h. Пример скетча с ее использованием ниже:

#include <avr/power.h>
void setup() {
  //Уменьшим тактовую частоту Ардуино в 8 раз при помощи делителя
  clock_prescale_set(clock_div_8);
}

void loop() {

}

Параметром функции clock_prescale_set() должно быть одно из следующих значений:

• clock_div_1
• clock_div_2
• clock_div_4
• clock_div_8
• clock_div_16
• clock_div_32
• clock_div_64
• clock_div_128
• clock_div_256

Управляя частотой МК, можно добиться значительного снижения потребляемого тока.

Еще один важный момент на пути к минимизации энергопотребления - это выбор конкретной платы Ардуино. Платы могут отличаться моделями используемых МК, частотой кварцевых резонаторов, микросхемами для соединения с компьютером через USB и т.д. Например, в оригинальных платах Ардуино за соединение с компьютером отвечает МК ATmega16U2, в дешевых клонах вместо нее устанавливают преобразователи интерфейсов USB в UART вроде CH340G, а в Arduino Pro Mini преобразователь отсутствует в принципе.

Я измерил ток, который потребляют имеющиеся у меня ардуинки. Самой прожорливой оказалась оригинальная UNO: при питании 5В (запитывал через пин +5V) и скетче из пустых функций setup и loop ток составил 44,2мА. Китайский клон с микросхемой CH340G потребляет 23,5мА. Наименьший ток оказался у платы Pro Mini 5В 16МГц без встроенного преобразователя USB-UART, он составил 15,4мА - с ней я и решил проводить свои эксперименты по снижению энергопотребления. И начал я их с управления тактовой частотой. Ниже приведены значения тока, который потребляет моя Arduino Pro Mini при питании 5В и различных коэффициентах делителя частоты:

clock_div_1       (16МГц):   15,4мА
clock_div_2       (8МГц):     11,4мА
clock_div_4       (4МГц):     9,5мА
clock_div_8       (2МГц):     7,7мА
clock_div_16     (1МГц):     7,3мА
clock_div_32     (512кГц):   6,9мА
clock_div_64     (256кГц):   6,7мА
clock_div_128   (128кГц):   6,6мА
clock_div_256   (64кГц):     6,5мА

Бросаться в крайности и уменьшать частоту в 256 раз может и не стоит. А вот понизить ее до 1МГц вполне адекватное решение, этого хватит для большого круга задач.

Однако, здесь есть и нюанс. Изменение тактовой частоты микроконтроллера сказывается на работе всех его модулей, работающих в синхронном режиме. Если во время выполнения программы тактовая частота будет уменьшена вдвое, то и скорость обмена по I2C, USART или SPI также уменьшится в 2 раза, задержки функцией delay станут в 2 раза дольше, исказится ШИМ и т.д. Это происходит потому, что при компиляции скетча была заявлена одна частота, а по факту микроконтроллер работает на другой. Поэтому программное изменение тактовой частоты стоит использовать в тех участках кода, которые от частоты не зависят.

Следующий шаг - снижение напряжения питания. При тактовой частоте 1МГц и снижении напряжения до 3,3В Ардуино ProMini потребляет 2мА. Все еще много. Поэтому я решил выпаять из Ардуино светодиод-индикатор питания, в результате ток уменьшился до 1,2 мА - это уже что-то!

Следующий шаг в минимизации энергопотребления Ардуино - это управление энергосберегающими режимами. Поэтому предлагаю перейти к следующей статье - Режимы энергосбережения Ардуино.