CC BY
8РАЗДЕЛ 5. ПРОГРАММНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ И КОМПОНЕНТЫ
АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ
контроллера (процессорное время, RAM,Flash,таймер). Поэтому использование ОСРВ для простых проектов на слабых микроконтроллерных ядрах с малым количеством памяти не оправдано.
Результаты исследований, изложенные в данной статье, получены при финансовой поддержке Минобрнауки РФ в рамках реализации проекта "Создание высокотехнологичного производства по изготовлению мобильного многофункционального аппаратно-программного комплекса длительного карди-омониторирования и эргометрии" по постановлению правительства №218 от 09.04.2010 г. Исследования проводились во ФГАОУ ВПО ЮФУ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Елисеев, Н. Микроконтроллеры EFM32 компании Energy Micro - ультранизкое потребление при высокой производительности [Электронный ресурс] / Н. Елисеев, М. Стариченков // Электроника НТБ. Выпуск №5/2011- Режим доступа: http://www.electronics.ru/joumal/article/2922. -Загл. с экрана. - Яз. рус.
2. Семейство микроконтроллеров MSP430. [Текст] / Рекомендации по применению: Пер. с англ. - М.: Серия «Библиотка Компэла», 2005. - 544 с.
3. Кириенко, В.В. Обзор ОСРВ, пригодных для встраиваемых систем, применяемых при разработке современного диагностического оборудования [Текст] / В.В. Кириенко // Ползуновский вестник. - 2013. - № 2 - C. 280 -282.
4. Ванцев, Д.В. Основные модели программирования микроконтроллеров [Электронный ресурс] / Д.В. Ванцев. - Режим доступа: http://mcu.ucoz.ru/publ/programmirovan ie/razrabotka programmnogo obespechenija/osn ovnye modeli programmirovanija mikrokontroller ov/11 -1 -0-4 - Загл. с экрана. - Яз. рус.
5. Курниц, А. FreeRTOS. Операционная система реального времени для микроконтроллеров [Электронный ресурс] / А. Курниц // Компоненты и технологии, № 2/2011 - Режим доступа: http://kit-e.ru/assets/listalka/Kurniz/Kurni z.pdf - Загл. с экрана. - Яз. рус.
6. EmbOS [Электронный ресурс] / User & reference guide. Режим доступа: https://www.segger. com/admin/uploads/productDocs/UM01001 emb OS Generic.pdf. - Загл. с экрана. - Яз. англ.
7. Labrosse uC/OS-III The Real-Time Kernel [Электронный ресурс] / J Jean. - Режим доступа: http://www.micrium.com/ - Загл. с экрана. - Яз. англ.
Начальник сектора Кириенко В.В тел.: (8634) 311-143, e-mail: snowball@nxt.ru, Научно-технический центр "Техноцентр" Южного федерального университета; начальник отдела, ассистент кафедры МПС Семенистая Е.С., тел. 8 (8634) 311-143, suncat_75@mail.ru - Научно-технический центр "Техноцентр" ФГАОУ ВПО Южный федеральный университет
УДК 615.471
ОБЗОР МЕТОДОВ ТЕСТИРОВАНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ МИКРОКОНТРОЛЛЕРОВ С УЛЬТРАНИЗКИМ ПОТРЕБЛЕНИЕМ ДЛЯ МЕДИЦИНСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ
В.В. Кириенко, Е.С. Синютин
В данной статье рассмотрены основные методы тестирования энергоэффективности микроконтроллеров, которые используются для создания современной медицинской техники с автономным питанием. Произведено тестирование энергопотребления представителей трех семейств микроконтроллеров.
Ключевые слова: тестирование энергопотребления, микроконтроллер, медицинское оборудование, автономное питание.
Актуальность
Современные медицинские устройства с автономным питанием требуют минимизации потребляемой энергии, т.к. это увеличивает время диагностирования и срок службы элементов питания, а также повышает удобство использования прибора и положительно сказывается на экологии. Понижения потребляемой энергии медицинским прибором такого
212
класса можно добиться применением низкопотребляющих микросхем [1]. Отсюда следует и необходимость применения низкопо-требляюшего микроконтроллера, который, как правило, является логическим ядром прибора и основным энергозатратным его элементом. Из существующих семейств микроконтроллеров в сегменте низкого энергопотребления были выбраны три основных ли-
ПОЛЗУНОВСКИЙ ВЕСТНИК № 2, 2014
дера - это семейства MSP430F5, STM32L1, EFM32GG [2-5].
Основная часть
Произведем испытание микроконтроллерных семейств MSP430F5 фирмы Texas Instruments, STM32L1 фирмы STMicroelectron-ics, EFM32TG фирмы Energy Micro с ультранизким энергопотреблением на соответствие заявленным в технической документации характеристикам потребления тока в активном режиме и режимах пониженного энергопотребления.
I__________j
Щупы мультиметра
NI PXM070
Рисунок 1 - Стенд измерения потребляемого тока
Для проверки потребляемого тока семейством MSP430F5 была взята отладочная плата MSP430-H5438 фирмы Olimex, содержащую микроконтроллер MSP430F5438IPZ [6], минимальную необходимую для его работы обвязку (кварцевый резонатор, конденсаторы, потягивающий резистор) и разъем программирования. Использование данной отладочной платы гарантирует точность при измерении потребляемого тока, потому что на ней кроме самого микроконтроллера отсутствуют другие микросхемы и компоненты. Плата MSP430-H5438 для минимизации воздействия электромагнитных наводок была помещена в металлический корпус (экран) и подключена экранированным кабелем к источнику питания. В качестве источника питания был взят лабораторный блок питания MASTECH HY3002D-2. Для измерения потребляемого платой тока использовался высокоточный мультиметр NI PXI-4070 фирмы National Instruments. Для того чтобы запустить микроконтроллер MSP430F5438IPZ на работу
в тока в активном режиме и режимах пониженного энергопотребления был написан программный проект в среде среды разработки IAR Embedded Workbench for MSP430 5.1, позволяющий это сделать. Программирование микроконтроллера MSP430F5419IPZ из среды разработки IAR Embedded Workbench for MSP430 5.1 при помощи JTAG-отладчика MSP-FET430UIF. Представим схему измерительного стенда на рисунке 1.
Рассмотрим таблицу 1, в которой представлены результаты тестирования микроконтроллера MSP430F5438IPZ. Потребление данным микроконтроллером в активном режиме и режимах пониженного энергопотребления, измеренное на стенде соответствует цифрам, заявленным в документации производителем с небольшим превышением.
Таблица 1 - Таблица потребления тока микроконтроллера MSP430F5438 в зависимости от режима работы, при напряжении питания 3,3 В
Источник тактирования Частота Режим пониженного энергопотребления Потребление заявленное в технической документации Потребление полученное в результате эксперимента
Внеш ний кварц 16 МГц нет 4,064 (254 мкА/ МГц) 4,1978 мА (262 мкА/ МГц)
DCO 1 МГц LPM0 91 мкА 91,77 мкА
DCO 1 МГц LPM2 8 мкА 10,76 мкА
VLO 32 кГц LPM3 3.37 мкА 2,56 мкА
VLO 32 кГц LPM4 1.69 мкА 2,45 мкА
Для оценки потребления тока семейством STM32L1 была взята отладочная плата STM32-H152 фирмы Olimex, содержащую микроконтроллер STM32L152VBT6 [6], которая также как и MSP430-H5438 имеет минимальный набор компонентов, что гарантирует точность измерений. Проект для запуска микроконтроллера в различных режимах работы был написан в IAR Embedded Workbench for ARM 6.3. Для оценки потребления использовался та же схема стенда, что для MSP430-H5438, изображенная на рисунке 1. С тем отличием, что программирование микроконтроллера STM32L152VBT6 3 при помощи JTAG-отладчика J-LINK фирмы SEGGER из среды разработки IAR Embedded Workbench
РАЗДЕЛ 5. ПРОГРАММНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ И КОМПОНЕНТЫ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ
for ARM 6.3. Результаты тестирования микроконтроллера STM32L152VBT6 представлены в таблице 2. Полученные данные отличаются от заявленных в технической документации средних величин, но укладываются в максимально допустимые значения.
Таблица 2 -Таблица потребления тока микроконтроллера STM32L152VBT6 в зависимости от режима работы, при напряжении питания 3,3 В
Источник тактирования Частота Режим пониженного энергопотребления Потребление заявленное в технической документации Потребление полученное в результате эксперимента
Внешний кварц 32 МГц Нет 9,6 мА (300 мкА/ МГц) 9,8 мА (306 мкА/ МГц)
MSI 4 МГц Нет 900 мкА (225мкА/ МГц) 652 мкА (163 мкА/Мгц)
MSI 4 МГц Sleep 210 мкА (52мкА/М Гц) 243 мкА (61мкА/М Гц)
MSI 32 кГц LowPow er Run 24 мкА 43 мкА
MSI 32 кГц LowPow er Sleep 17,5 мкА 25,5 мкА
выключен - Stop Mode 7,7 мкА 8,4 мкА
выключен - Standby 0,3 мкА 0,2 мкА
В целях проверки семейства EFM32TG фирмы Energy Micro на соответствие заявленным в технической документации характеристикам потребления тока была использована отладочная плата EFM32TG-STK330, которая специально разработана для задачи измерения потребляемого тока микроконтроллером EFM32TG840F32 [7]. Плата EFM32TG-STK330 помимо микроконтроллера EFM32TG840F32, содержит встроенную схему измерения тока построенную на операционных усилителях вместе с дополнительным микроконтроллером, который опрашивает и передает по USB в измеренные значения тока. Данные значения, принятые по USB, отображаются на ПК в виде графика в программе Enegy Micro energyAware Profiler. Для программирования микроконтроллера
EFM32TG840F32 плата EFM32TG-STK330 содержит встроенный JTAG-отладчика J-LINK фирмы SEGGER. Т.о. в качестве измерительного стенда для оценки потребления тока микроконтроллером EFM32TG840F32 достаточно использования отладочной платы EFM32TG-STK330, которая и включает вы-
шеописанные модули измерения и программирования, и ПК для программирования и отображения полученных значений. Проект для запуска микроконтроллера в различных режимах работы был написан в IAR Embedded Workbench for ARM 6.3. Программирование микроконтроллера STM32L152VBT6 3 при помощи JTAG-отладчика J-LINK фирмы SEGGER из среды разработки IAR Embedded Workbench for ARM 6.3. Результаты тестирования микроконтроллера EFM32TG840F32 представлены в таблице 3. Полученные данные сходятся с данными заявленными в технической документации с небольшим превышением.
Таблица 3 - Таблица потребления тока микроконтроллера EFM32TG840F32 в зависимости от режима работы, при напряжении питания 3,3 В
Источник тактирования Частота Режим пониженного энергопотребления Потребление заявленное в технической документации Потребление полученное в результате эксперимента
Внешний кварц 32 МГц Нет (EM0) 4,8 мА (150 мкА/ МГц) 4,97 мА (155 мкА/ МГц)
Внешний кварц 32 МГц EM1 1,63 мА (51 мкА/ МГц) 1,6 мА (50 мкА/ МГц)
RC 32 кГц EM2 1 мкА 0,9мкА
выключен - EM3 0,6 мкА 0,7 мкА
выключен - EM4 20 нА 70 нА
Основываясь на проведенных измерениях можно сделать вывод о том, что все три микроконтроллера соответствуют заявленным в технической документации характеристикам потребления тока в активном режиме и режимах пониженного энергопотребления. Перейдем к оценке времени выполнения микроконтроллерами конкретной тестовой математической задачи с учетом энергоэффективности.
В качестве тестовой математической задачи для проверки вычислительной способности микроконтроллеров MSP430F5438IPZ, STM32L152VBT6 и EFM32TG840F32 была выбрана задача цифровой фильтрации, которая представляет собой набор операций с плавающей точкой. Задача была алгоритми-ПОЛЗУНОВСКИЙ ВЕСТНИК № 2, 2014
зирована и кодирована в качестве библиотеки, для обеспечения возможности запуска на всех трех микроконтроллерах. Метод измерения времени выполнения задачи основан на переключении вывода порта общего назначения микроконтроллера из логического нуля в единицу перед началом выполнения кода задачи и переключении из логической единицы в ноль после выполнения. Таким образом, используя дискретный выход микроконтроллера можно оценить время выполнения задачи математики. Проекты для оценки времени выполнения задачи математики были написаны в средах IAR Embedded Workbench for ARM 6.3 (STM32L152VBT6 и EFM32TG840F32) и IAR Embedded Workbench for MSP430 5.1 (MSP430F5438IPZ). Потребление при выполнении задачи математики мерялось стендами описанными выше. Для микроконтроллеров STM32L152VBT6 и EFM32TG840F32 была выбрана тактовая частота 32 МГц от внешнего кварцевого резонатора, а микроконтроллер MSP430F5438IPZ тактировался от 16 МГц также от внешнего кварца. Результаты тестирования времени вычисления тестовой математической задачи микроконтроллерами представлены в таблице 4. Помимо этого в данной таблице приведены значения потребляемого тока микроконтроллерами, при решении данной задачи, а также результирующее значение затраченной энергии как произведение трех множителей времени, тока и напряжения (3,3 В).
Таблица 4 - Таблица времени решения тестовой математической и результирующих энергозатрат микроконтроллерами MSP430F5438IPZ , STM32L152VBT6 и EFM32TG840F32, при напряжении питания 3,3 В
Из рассмотренной таблицы видно, что наиболее эффективно и с точки зрения времени и с точки зрения затраченной энергии с тестовой математической задачей эффективней других справляется микроконтроллер EFM32TG840F32 фирмы Energy Micro [8].
Подводя итоги, можно сделать вывод о том, что микроконтроллеры MSP430F5438IPZ , STM32L152VBT6 и EFM32TG840F32 [7], принадлежащие к семействам с ультранизким энергопотреблением MSP430F5 фирмы Texas Instruments, STM32L1 фирмы STMicroelectronics, EFM32TG фирмы Energy Micro, по результатам испытаний соответствуют заявленным в технической документации характеристикам энергопотребления и пригодны для создания медицинских устройств с автономным питанием. По результатам тестирования микроконтроллер EFM32TG840F32 является наиболее эффективным для создания такого рода устройств, как с точки зрения режимов пониженного энергопотребления, так и с точки зрения энергоэффективности и скорости решения математических задач.
Из рассмотренной таблицы видно, что наиболее эффективно и с точки зрения времени и с точки зрения затраченной энергии с тестовой математической задачей эффективней других справляется микроконтроллер EFM32TG840F32 фирмы Energy Micro. Подводя итоги, можно сделать вывод о том, что микроконтроллеры MSP430F5438IPZ , STM32L152VBT6 и EFM32TG840F32, принадлежащие к семействам с ультранизким энергопотреблением MSP430F5 фирмы Texas Instruments, STM32L1 фирмы
STMicroelectronics, EFM32TG фирмы Energy Micro, по результатам испытаний соответствуют заявленным в технической документации характеристикам энергопотребления и пригодны для создания медицинских устройств с автономным питанием. По результатам тестирования микроконтроллер EFM32TG840F32 является наиболее эффективным для создания такого рода устройств, как с точки зрения режимов пониженного энергопотребления, так и с точки зрения энергоэффективности и скорости решения математических задач.
Выводы
Микроконтроллерные семейства
MSP430F5 фирмы Texas Instruments, STM32L1 фирмы STMicroelectronics, EFM32TG фирмы Energy Micro с ультранизким энергопотреблением соответствуют заявленным в технической документации характеристикам потребления тока в активном режиме и режимах пониженного энергопотребления.
Результаты исследований, изложенные в данной статье, получены при финансовой
Микроконтроллер Время выполнения тестовой математики, мс Потребление, при решении математической задачи, мА Результирующее значение затраченной энергии, нВт
MSP430F5438IPZ 8 3,72 26,73
STM32L152VBT6 3 12,38 43,28
EFM32TG840F32 3,2 8 23,43
РАЗДЕЛ 5. ПРОГРАММНО-ТЕХНИЧЕС
АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ
поддержке Минобрнауки РФ в рамках реализации проекта "Создание высокотехнологичного производства по изготовлению мобильного многофункционального аппаратно-программного комплекса длительного карди-омониторирования и эргометрии" по постановлению правительства №218 от 09.04.2010 г. Исследования проводились во ФГАОУ ВПО ЮФУ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Синютин, Е.С. Сравнительное исследование новых решений входных каскадов электрофизиологических мониторов [Текст] / Е.С. Синютин // Ползуновский вестник. - 2013 - №. 2 - C. 124 - 128.
2. Черемисов, П. Микроконтроллеры с низким энергопотреблением для телеметрических систем [Электронный ресурс] / П. Черемисов // ООО «Компэл» - Режим доступа: http://www.compel.ru, свободный - Загл. с экрана. - Яз. рус.
3. 16-разрядные микроконтроллеры MSP430™ со сверхнизким энергопотреблением [Электронный ресурс] // Texas Instruments - Режим доступа: http://www.ti.com/ww/ru/msp430.html, свободный - Загл. с экрана. - Яз. рус.
4. STM32 L1 series of ultra-low-power MCUs [Электронный ресурс] // STMicroelectronics - Режим доступа: http://www.st.com/web/en/catalog/mmc/
ЭЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ И КОМПОНЕНТЫ
FM141/SC1169/SS1295, свободный - Загл. с экрана. - Яз. рус.
5. EFM32 Tiny Gecko Microcontroller Family [Электронный ресурс] // Silicon Labs - Режим доступа: http://www.energymicro.com/products/efm32-tiny-gecko-microcontroller-family, свободный -Загл. с экрана. - Яз. англ.
6. MSP430F543x, MSP430F541x Mixed Signal Microcontroller (Rev. C) [Электронный ресурс] // Texas Instruments - Режим доступа: http://www.ti.com/lit/ds/symlink/msp430f5438.pdf , свободный - Загл. с экрана. - Яз. англ.
7. STM32L15xx6/8/B [Электронный ресурс] ] // STMicroelectronics - Режим доступа: http://www.st.co m/st-we b-
ui/static/active/en/resource/technical/document/dat asheet/CD00277537.pdf, свободный - Загл. с экрана. - Яз. англ.
8. EFM32TG840 Datasheet [Электронный ресурс] // Energymicro - Режим доступа: http://cdn.energymicro.com/dl/devices/pdf/d0011_ efm32tg840_datasheet.pdf , свободный - Загл. с экрана. - Яз. англ.
Начальник сектора Кириенко В.В тел.: (8634) 311-143, e-mail: snowball@nxt.ru; начальник сектора Синютин Е.С. тел.: (8634) 311-143, e-mail: dark elf4@mail.ru - Научно-технический центр "Техноцентр" Южного федерального университета
УДК 534 (0.45)
КОНТРОЛЬ АМПЛИТУДЫ КОЛЕБАНИЙ ПРИ СОЗДАНИИ И ПРИМЕНЕНИИ МНОГОПОЛУВОЛНОВЫХ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ
В.Н. Хмелев, С.В. Левин, С.С. Хмелев, С.Н. Цыганок
В статье представлены результаты исследований, показывающих как результаты контроля амплитуды колебаний при помощи созданного способа позволяют совершенствовать ультразвуковые излучатели. На примере исследования многополуволновых излучателей показана возможность повышения эффективности пьезоэлектрических колебательных систем с многополуволновыми излучателями, выполненными в виде стержней переменного диаметра
Ключевые слова: ультразвук, ультразвуковой технологический аппарат, пьезоэлектрическая колебательная система
Актуальность
Ультразвуковые (УЗ) аппараты широко применяются в различных отраслях промышленности, позволяя интенсифицировать технологические процессы [1]. Это стало возможным только благодаря созданию и промышленному применению в составе аппаратов многополуволновых излучателей ультразвуковых колебаний (рисунок 1) [2].
Увеличение поверхности излучения в таких аппаратах обеспечивается за счет соос-ного и последовательного установления полуволновых по длине волноводов цилиндрической формы переменного диаметра. Поверхности переходов между участками различного диаметра являются поверхностями эффективного излучения УЗ колебаний [3].
216
ПОЛЗУНОВСКИЙ ВЕСТНИК № 2, 2014
