Conception de dispositifs corporels toujours actifs basse consommation : 1re partie – Optimisation du microcontrôleur

Note de l'éditeur : cet article est la 1re partie d'une série de trois sur la conception d'électronique corporelle toujours active alimentée par batterie, portant sur trois domaines d'optimisation de l'alimentation. Cette 1re partie décrit la configuration du microcontrôleur pour étendre l'autonomie de la batterie et réduire les recharges. La 2e partie traite des méthodes appropriées pour préserver la batterie et étendre la durée entre les recharges. La 3e partie étudie la mise en réseau sans fil des dispositifs corporels et la préservation de la connectivité sans fil, tout en limitant la décharge de la batterie.

Comme les dispositifs corporels alimentés par batterie deviennent de plus en plus populaires, leurs fabricants ajoutent de meilleures fonctionnalités pour rester compétitifs. C'est particulièrement le cas des montres de fitness que le consommateur utilise constamment. Les utilisateurs de ces montres toujours actives recherchent continuellement de nouvelles fonctionnalités et des performances améliorées.

Cependant, l'ajout de meilleures fonctionnalités nécessite souvent l'utilisation d'un microcontrôleur plus puissant pour contrôler et surveiller les fonctions de la montre. Cela présente l'inconvénient de réduire l'autonomie de la batterie en nécessitant des recharges de batterie plus fréquentes, ce qui compromet l'expérience utilisateur.

Cet article traite des besoins uniques des microcontrôleurs pour les dispositifs corporels toujours actifs. Il explique comment configurer un microcontrôleur pour un dispositif corporel toujours actif, notamment les modes basse consommation et les périphériques autonomes. Il examine ensuite un microcontrôleur 16 bits de Texas Instruments et un modèle 32 bits de Maxim Integrated, et indique comment exploiter les avantages de leurs fonctionnalités clés pour la conception d'un dispositif corporel.

Besoins uniques des microcontrôleurs dans les dispositifs corporels toujours actifs

Pour les utilisateurs finaux de dispositifs corporels, une autonomie de batterie étendue entre les recharges peut être la fonctionnalité la plus importante. Même si les évaluations en ligne peuvent vanter la précision et les fonctionnalités d'un produit corporel, le temps entre les recharges peut faire la différence entre la déception d'une évaluation à une étoile et la satisfaction de celle à cinq étoiles.

Une faible autonomie de batterie ne se résume pas à l'inconvénient que représentent les recharges fréquentes. Les batteries rechargeables au lithium perdent leur capacité totale en raison d'une recharge fréquente, ce qui nuit à la préservation de l'intégrité de la batterie au fil du temps. La 2e partie de cette série traitera des batteries pour les dispositifs corporels.

Aussi, même si le connecteur utilisé pour la recharge est souvent robuste, chaque recharge entraîne son usure en raison du nombre d'insertions/de retraits limité.

Les dispositifs électroniques corporels ont des besoins en alimentation différents des autres dispositifs grand public, car ils sont toujours actifs et nécessitent ainsi l'activation permanente du microcontrôleur. En général, ils présentent également une connexion BLE (Bluetooth Low Energy) qui doit toujours rester prête à communiquer avec un dispositif mobile associé. Il est à noter que la 3e partie de cette série aborde la connectivité sans fil des dispositifs corporels.

Cependant, même si un dispositif corporel peut synchroniser ses données avec le dispositif mobile lorsqu'une connexion est disponible, il doit également permettre un fonctionnement autonome sans connexion mobile pendant plusieurs heures ou plusieurs jours, selon l'usage prévu.

Le principal objectif d'un dispositif corporel comme une montre connectée, en plus d'indiquer l'heure, est de surveiller et d'enregistrer en permanence les entrées des capteurs externes connectés aux ports série comme I²C et SPI. Il peut s'agir d'accéléromètres spécialisés capables de compter les pas pour un podomètre, d'une radio GPS pour les fonctions de localisation et de navigation, et d'un moniteur de la fréquence cardiaque. Même si ces capteurs peuvent être allumés et éteints séparément par l'utilisateur, un bon ingénieur se doit de concevoir le système en fonction du pire scénario où tous les capteurs sont actifs.

Les données collectées de ces capteurs doivent être enregistrées en permanence. Dans la majorité des dispositifs IoT (Internet des objets) ou mobiles grand public, les données de capteur enregistrées sont stockées dans une mémoire non volatile comme une mémoire Flash ou EEPROM. Cependant, une opération d'écriture sur une mémoire Flash ou EEPROM consomme beaucoup de courant, ce qui peut rapidement décharger la petite batterie d'un dispositif corporel. La meilleure solution serait de stocker les données de capteur dans une mémoire SRAM.

L'écriture sur une mémoire SRAM consomme beaucoup moins de courant que sur une mémoire non volatile. Comme le microcontrôleur est toujours alimenté, les données de capteur SRAM sont constamment préservées et sécurisées, sauf lorsque le dispositif corporel est éteint ou que l'utilisateur ne recharge pas la batterie lorsqu'elle est déchargée. Les données de capteur stockées sont transférées sans fil et enregistrées dans un dispositif mobile, ainsi, même en cas de désactivation, les données de capteur ne sont pas perdues.

Les périphériques autonomes constituent une fonctionnalité importante pour limiter la consommation énergétique d'un microcontrôleur. Le niveau précis d'autonomie varie en fonction de la gamme de produits des microcontrôleurs. Une autre fonctionnalité courante pour économiser l'énergie consiste à désactiver l'alimentation d'un périphérique inutilisé, indépendamment du reste du microcontrôleur, en réglant ou en supprimant un bit dans le registre d'alimentation.

Modes basse consommation du microcontrôleur d'un dispositif corporel

Après avoir compris les besoins uniques d'un microcontrôleur dans un dispositif corporel toujours actif, il est important de déterminer le fonctionnement des différents modes basse consommation, y compris ceux qui sont utiles et ceux qui ne le sont pas.

Bien entendu, un dispositif corporel présente le mode à la plus basse consommation lorsqu'il est éteint. La majorité des dispositifs corporels sont allumés et éteints en appuyant brièvement sur un bouton-poussoir contrôlé par logiciel, pour empêcher un séquencement de mise sous tension accidentelle. Cette approche est plus sophistiquée que pour un interrupteur mécanique, qui est moins rentable, mais peut également être actionné accidentellement. Cependant, l'ingénieur doit supposer que l'utilisateur éteindra rarement son dispositif et concevoir le dispositif corporel en considérant deux hypothèses vraisemblablement contradictoires : le dispositif ne sera jamais éteint et il sera occasionnellement éteint.

En général, une puce de gestion de l'alimentation contrôle la charge de la batterie et séquence l'activation et la désactivation du microcontrôleur et des capteurs. La 2e partie de cette série aborde également la gestion de l'alimentation. Lorsqu'une puce de gestion de l'alimentation désactive le dispositif corporel, l'alimentation principale du microcontrôleur est bloquée, à l'exception de l'alimentation distincte de l'horloge temps réel (RTC). Cela nécessite un microcontrôleur pouvant fonctionner même si l'alimentation externe vers le processeur, la RAM et la plupart des périphériques est désactivée, à l'exception de l'horloge temps réel.

Il est essentiel que l'horloge temps réel du microcontrôleur fonctionne lorsque le dispositif corporel est désactivé, afin que l'heure reste correcte. Le microcontrôleur doit ainsi avoir une broche d'alimentation distincte et constamment mise sous tension pour l'horloge temps réel. Une horloge temps réel est cadencée par un oscillateur basse fréquence de 32,768 kHz qui ne consomme que quelques nanoampères. Une montre connectée sans suivi de l'heure lorsqu'elle est éteinte n'offrirait pas une expérience utilisateur satisfaisante. C'est pourquoi un mode basse consommation qui désactive l'horloge temps réel n'est pas applicable pour un dispositif corporel.

Le processeur peut être désactivé pour économiser l'énergie, ainsi que les périphériques inutilisés. Le contenu de la RAM doit toujours être conservé, ce qui fait qu'un mode basse consommation désactivant l'ensemble du boîtier RAM n'est pas non plus applicable pour un dispositif corporel.

Configuration du microcontrôleur

Le microcontrôleur MSP430FR2676TPTR de 16 MHz à mémoire vive ferroélectrique (FRAM) de Texas Instruments constitue un excellent exemple de microcontrôleur optimisé pour les dispositifs corporels (Figure 1). Il s'agit d'un produit de la gamme de microcontrôleurs à détection tactile capacitive MSP430™ CapTIvate™ 16 bits MSP430FR2676 de Texas Instruments, qui contient un périphérique basse consommation à détection tactile à travers du verre épais. Les écrans en verre utilisés sur les dispositifs corporels doivent être épais et durables pour résister à l'usure d'une utilisation régulière, la technologie CapTIvate est ainsi applicable pour un dispositif corporel à écran tactile.

Figure 1 : Le microcontrôleur FRAM 16 bits ultrabasse consommation MSP430FR2676TPTR de Texas Instruments présente des périphériques très diversifiés et peut contrôler un dispositif corporel simple avec un minimum de composants externes. (Source de l'image : Texas Instruments)

Le MSP430FR2676TPTR inclut 64 Ko de mémoire programme FRAM de Texas Instruments afin d'atteindre de meilleurs niveaux de performances de lecture/d'écriture avec une consommation plus basse que les microcontrôleurs Flash. Il présente 8 Ko de mémoire SRAM et un ensemble complet de périphériques, notamment I²C, SPI et un UART pour la connexion aux capteurs. Un multiplicateur matériel 32 x 32 permet d'accélérer la multiplication, réduisant ainsi la consommation énergétique.

L'horloge temps réel du MSP430FR2676TPTR peut être configurée pour activer le microcontrôleur à des intervalles allant de quelques microsecondes à quelques heures. Cette option est utile pour activer le processeur afin d'exécuter des tâches comme le traitement périodique des données de capteur et le transfert sans fil de ces données vers un dispositif mobile.

Le système d'oscillateurs et d'horloges du MSP430FR2676TPTR est conçu pour réduire le coût du système et fournir une basse consommation énergétique. Le microcontrôleur prend en charge quatre sources d'horloge générées en interne et deux sources d'horloge haute précision externes. Ces oscillateurs et horloges peuvent être activés et désactivés par commande micrologicielle en fonction du mode basse consommation sélectionné et de la configuration micrologicielle. Pour les périphériques en fonctionnement, le MSP430FR2676TPTR dispose de deux horloges : une horloge SMCLK (maître sous-système) haute vitesse qui peut fonctionner à la même fréquence d'horloge que celle du système et une horloge ACLK (auxiliaire) basse vitesse de 40 kHz.

Outre le mode actif, dans lequel le processeur et tous les autres composants sont activés, le MSP430FR2676TPTR prend en charge des modes basse consommation configurables et complexes. Un périphérique intégré en mode basse consommation MSP430 peut être désactivé par un micrologiciel. Cela permet de réaliser des configurations basse consommation personnalisées. Pour un dispositif corporel MSP430FR2676TPTR, les modes basse consommation (LPMx) suivants sont applicables :

• LPM0 permet à tous les composants de fonctionner, à l'exception du processeur. Ce mode est utile lorsque les périphériques autonomes doivent être actifs et fonctionner à pleine vitesse sans intervention du processeur.
• LPM3 désactive le processeur, l'oscillateur haute vitesse et l'horloge SMCLK. Tous les périphériques activés peuvent fonctionner avec l'horloge écoénergétique ACLK de 40 kHz. Cette option est utile lorsque le dispositif corporel est inactif et qu'aucun bouton n'est utilisé. Les périphériques série, comme I²C et SPI, peuvent fonctionner de manière autonome pour collecter les données de capteur, tandis que l'accès direct à la mémoire (DMA) transfère les données vers la RAM. L'horloge temps réel peut activer le dispositif pour exécuter toutes les tâches requises.
• LPM4 désactive tous les composants, à l'exception de l'horloge temps réel. La mémoire SRAM est mise hors tension. Cette option est utile lorsque le dispositif corporel est désactivé par l'utilisateur.

Le MSP430FR2676TPTR peut fonctionner sur une tension de 1,8 V à 3,6 V, et il est ainsi adapté aux batteries au lithium de 3,6 V. Le microcontrôleur peut consommer moins de 5 µA lorsque l'horloge temps réel fonctionne avec un minimum de périphériques. Lorsque l'oscillateur principal fonctionne, le MSP430FR2676TPTR consomme 135 µA/MHz (typique).

Pour un dispositif corporel aux performances supérieures, Maxim Integrated présente le microcontrôleur 32 bits MAX32660GWE (Figure 2). Il est basé sur un cœur Arm® Cortex®-M4 avec une unité en virgule flottante (FPU). Le MAX32660 dispose de 256 Ko de mémoire Flash et de 96 Ko de mémoire SRAM. La mémoire SRAM est divisée en quatre secteurs. Chaque secteur peut être activé pour la lecture/l'écriture, mis en mode veille légère pour désactiver la lecture/l'écriture tout en conservant les contenus pour économiser l'énergie, ou entièrement désactivé pour éliminer toute consommation provenant de ce secteur.

Figure 2 : Le MAX32660 de Maxim Integrated est spécialement conçu pour l'électronique corporelle toujours active. Pour économiser l'énergie, il limite le nombre de périphériques au minimum requis pour réaliser l'interface avec les capteurs externes dans une application corporelle. (Source de l'image : Maxim Integrated)

Le MAX32660 peut fonctionner jusqu'à 96 MHz et ne consomme que 85 µA/MHz lorsque tous les périphériques sont opérationnels. Pour limiter la consommation de courant et réduire la taille du boîtier, il présente un ensemble minimal de périphériques utilisés pour les dispositifs corporels, y compris deux SPI, deux I²C et deux UART.

Il prend en charge deux oscillateurs internes : un oscillateur interne haute vitesse de 96 MHz pouvant être désactivé par un micrologiciel et un oscillateur en anneau basse consommation de 8 kHz qui est toujours actif, indépendamment du mode basse consommation. Un oscillateur de 32,768 kHz utilisant un quartz externe est utilisé pour l'horloge temps réel. Chacun de ces trois oscillateurs peut être utilisé pour cadencer le processeur et les périphériques.

Tous les périphériques peuvent être mis hors tension via le micrologiciel. De plus, le micrologiciel peut également désactiver l'horloge vers un périphérique donné pour économiser quelques précieux nanoampères.

Selon les exigences du dispositif corporel, l'horloge temps réel est toujours active dans tous les modes basse consommation, à moins d'être volontairement désactivée par le micrologiciel en mode actif. L'horloge temps réel et l'horloge se trouvent dans une section distincte, appelée « domaine toujours actif ». Ce domaine est isolé du reste du microcontrôleur pour garantir qu'en cas de dysfonctionnement micrologiciel ou d'altération, l'horloge temps réel ne soit pas touchée.

Outre le mode actif, le MAX32660 prend en charge trois modes basse consommation spécialement personnalisés pour l'électronique corporelle :

• En mode veille, le processeur est éteint tandis que les périphériques activés peuvent fonctionner de manière autonome. Cette option peut être utile lorsque le dispositif corporel est inactif et que les données de capteur sont enregistrées et stockées via l'accès direct à la mémoire. Tout périphérique actif peut faire passer le processeur en mode actif.
• En mode de veille profonde, toutes les horloges internes vers le processeur et les périphériques sont bloquées, à l'exception de l'horloge de 32,768 kHz vers l'horloge temps réel. Le micrologiciel peut configurer l'horloge interne de 96 MHz de sorte à se désactiver automatiquement en passant en mode de veille profonde. Tous les contenus de la RAM sont conservés, y compris la mémoire SRAM de données et tous les registres périphériques. Cette option est utile pour un dispositif corporel nécessitant un mode d'arrêt progressif, dans lequel il est mis hors tension pour économiser l'énergie, mais doit lancer obligatoirement l'état précédent à son redémarrage.
• Le mode de sauvegarde est le mode à la plus basse consommation. Les horloges et l'alimentation vers le processeur et tous les périphériques sont bloquées, à l'exception de l'horloge temps réel. Toute alimentation vers la mémoire SRAM est désactivée par défaut. Cette option est utile lorsque l'utilisateur effectue une mise hors tension du dispositif corporel sans rétention SRAM pour économiser de l'énergie. Cependant, ce mode peut éventuellement conserver l'un des quatre secteurs SRAM en mode veille légère pour préserver les contenus de la mémoire. Cette option est utile pour un dispositif corporel devant conserver un état minimal avec une faible consommation de courant supplémentaire.

Le MAX32660 requiert entre 1,71 V et 3,63 V et peut ainsi fonctionner avec des batteries au lithium de 3,6 V. Le microcontrôleur présente également une unité de gestion de l'alimentation autonome pour réduire le brochage en éliminant le composant externe. Il prend également en charge un indicateur du niveau de batterie qui surveille la batterie externe et fournit une lecture précise de l'état de charge de la batterie, qui peut s'afficher sur l'interface utilisateur du dispositif corporel.

Conclusion

L'électronique corporelle toujours active fournit des défis singuliers aux ingénieurs. Même en étant éteint, un dispositif corporel consomme toujours un certain niveau d'énergie. Cependant, comme démontré, les concepteurs peuvent ajouter des capacités et fonctionnalités à leurs conceptions et utiliser des modes basse consommation configurables pour préserver et étendre l'autonomie de la batterie.