Прежде всего определим параметры потребления электроэнергии наиболее популярными платами Arduino. В табл. 5.1 представлены результаты непосредственных измерений амперметром силы тока, потребляемого платами. Имейте в виду, что измерение силы потребляемого тока не самая простая задача, так как он меняется, когда при выполнении периодических задач в работу включаются таймеры и другие компоненты микроконтроллера и платы Arduino.
Таблица 5.1. Потребление электроэнергии платами Arduino
Плата
Ток, мА
Uno (5 В, USB)
47
Uno (9 В, внешний источник питания)
48
Uno (5 В, с извлеченным процессором)
32
Uno (9 В, с извлеченным процессором)
40
Leonardo (5 В, USB)
42
Due (5 В, USB)
160
Due (9 В, внешний источник питания)
70
Mini Pro (9 В, внешний источник питания)
42
Mini Pro (5 В, USB)
22
Mini Pro (3,3 В, непосредственно)
8
Обратите внимание на то, как различается ток, потребляемый платами Arduino, питающимися напряжением 5 В, с процессором и без него. Разница составляет всего 15 мА, откуда получается, что остальные 32 мА потребляет сама плата. И действительно, на плате Arduino имеются интерфейс USB, светодиод On и стабилизатор напряжения 3,3 В, которые также потребляют некоторую мощность даже без микроконтроллера. Обратите также внимание на то, насколько меньше потребляет микроконтроллер, питающийся напряжением 3,3 В.
Приемы, описываемые далее, помогают снизить потребление электроэнергии процессором, но не самой платой. В примерах, приведенных в дальнейшем, я использовал плату Arduino Mini Pro, питающуюся непосредственно напряжением 3,3 В через контакты VCC и GND (рис. 5.1) в обход стабилизатора напряжения, чтобы кроме светодиода On питание подводилось только к микроконтроллеру.
Рис. 5.1. Плата Arduino Mini Pro, запитанная непосредственно напряжением 3 В
Такая схема часто используется в системах с автономным питанием от аккумуляторов, например от единственного литий-полимерного (Lithium Polymer, LiPo) аккумулятора, дающего напряжение 2,7 В, когда почти разряжен, и 4,2 В, когда полностью заряжен, который прекрасно подходит для непосредственного питания микроконтроллера ATmega328.
Ток и аккумуляторы
Эта книга посвящена программному обеспечению, поэтому я не буду останавливаться на обсуждении аккумуляторов дольше, чем необходимо. На рис. 5.2 изображены аккумуляторы, которые можно использовать для питания плат Arduino.
Слева вверху изображен цилиндрический литий-полимерный аккумулятор емкостью 2400 мА·ч. Ниже — небольшой плоский литий-полимерный аккумулятор емкостью 850 мА·ч. Литий-полимерные аккумуляторы имеют небольшой вес, могут перезаряжаться много раз и имеют большую емкость для своих веса и размеров. Справа вверху изображен 9-вольтовый никель-металлгидридный аккумулятор емкостью 200 мА·ч. Этот
Рис. 5.2. Аккумуляторы для питания плат Arduino
аккумулятор тоже поддерживает многократную перезарядку, но создан по устаревшей технологии. Так как он имеет выходное напряжение 9 В, его можно использовать для питания плат Arduino только через встроенный стабилизатор напряжения. Вы можете приобрести специальные зажимы для подключения аккумулятора к контактам питания Arduino. Наконец, справа внизу изображена 3-вольтовая незаряжаемая литиевая батарея (CR2025) емкостью около 160 мА·ч.
Как правило, чтобы получить время в часах, в течение которого аккумулятор продержится, прежде чем полностью разрядится, достаточно разделить емкость аккумулятора в миллиампер-часах [мА·ч] на силу потребляемого тока в миллиамперах [мА]:
Время работы батареи = Емкость батареи/Потребляемый ток.
Например, если для питания 3-вольтовой платы Mini Pro использовать батарею CR2025, можно ожидать, что ее хватит на 20 часов (160 мА·ч/8 мА). Если ту же плату запитать от литий-полимерного аккумулятора емкостью 2400 мА·ч, можно надеяться, что его хватит на 300 часов (2400 мА·ч /8 мА).
Снижение рабочей частоты
Большинство плат семейства Arduino работает с тактовой частотой 16 МГц. Основное потребление электроэнергии микроконтроллером происходит в моменты, когда тактовый сигнал переключается из состояния HIGH в состояние LOW, то есть частота, на которой работает процессор, оказывает существенное влияние на потребляемый ток. Конечно, уменьшение тактовой частоты приведет к снижению быстродействия микроконтроллера, что, впрочем, может не являться проблемой.
Снизить рабочую частоту микроконтроллера ATmega328 можно прямо из скетча. Для этой цели удобно использовать библиотеку Arduino Prescaler (http://playground.arduino.cc/Code/Prescaler).
Библиотека Prescaler не только позволяет уменьшить рабочую частоту микроконтроллера, но и предоставляет свои версии функций millis и delay с именами trueMillis и trueDelay. Такая замена совершенно необходима, потому что уменьшение тактовой частоты увеличивает задержки в той же пропорции.
Скетч в следующем примере включает светодиод L на 1 с и затем выключает на 5 с, в течение которых потребляемый ток измерялся для всех возможных значений деления частоты, поддерживаемых библиотекой Prescaler.
// sketch_05_01_prescale
#include <Prescaler.h>
void setup()
{
pinMode(13, OUTPUT);
setClockPrescaler(CLOCK_PRESCALER_256);
}
void loop()
{
digitalWrite(13, HIGH);
trueDelay(1000);
digitalWrite(13, LOW);
trueDelay(5000);
}
Библиотека предоставляет множество констант деления тактовой частоты. Так, константа CLOCK_PRESCALER_1 оставляет исходную тактовую частоту 16 МГц, а противоположная ей константа CLOCK_PRESCALER_256 делит исходную тактовую частоту на 256, устанавливая ее на уровне всего 62,5 кГц.
В табл. 5.2 показаны результаты измерения потребляемого тока на всех возможных частотах, а на рис. 5.3 те же данные представлены в виде графика. Как видно на графике, кривая потребления тока быстро выравнивается, поэтому частота 1 МГц выглядит наиболее оптимальным компромиссом между частотой и потребляемым током.
Таблица 5.2. Потребляемый ток в зависимости от тактовой частоты
Константа
Эквивалентная тактовая частота
Ток (светодиод выключен), мА
CLOCK_PRESCALER_1
16 МГц
7,8
CLOCK_PRESCALER_2
8 МГц
5,4
CLOCK_PRESCALER_4
4 МГц
4,0
CLOCK_PRESCALER_8
2 МГц
3,2
CLOCK_PRESCALER_16
1 МГц
2,6
CLOCK_PRESCALER_32
500 кГц
2,3
CLOCK_PRESCALER_64
250 кГц
2,2
CLOCK_PRESCALER_128
125 кГц
2,1
CLOCK_PRESCALER_256
62,5 кГц
2,1
Рис. 5.3. График зависимости потребляемого тока от тактовой частоты
Помимо необходимости использовать новые версии millis и delay снижение тактовой частоты влечет за собой еще ряд следствий. Фактически любая операция, чувствительная к изменению тактовой частоты, такая как вывод аналоговых сигналов PWM или управление сервоприводами, будет выполняться не так, как ожидается.
Большая доля тока из 2,1 мА, потребляемого на самой низкой скорости, вероятнее всего, будет поглощена светодиодом On, поэтому, если вас действительно заботит проблема снижения энергопотребления, вам стоит аккуратно выпаять его из платы.
Выключение электронных компонентов на плате
Контроллеры ATmega имеют широкие возможности управления электропитанием, настолько широкие, что способны отключать неиспользуемые электронные компоненты на плате, чтобы уменьшить потребляемый ток.