Réduire la consommation énergétique des conceptions

Entre les remplacements de batterie et les cycles de charge, j'ai parfois l'impression que je suis constamment en train d'essayer de redonner vie à mes appareils électroniques personnels. Même si je reste relativement vigilant par rapport à l'état de l'alimentation, il arrive souvent que mon dispositif corporel de fitness ou que mes écouteurs Bluetooth s'éteignent pendant un entraînement, sans parler du cliché habituel concernant les niveaux de charge des smartphones qui s'épuisent toujours au pire moment possible.

En extrapolant l'expérience d'une personne qui possède quelques appareils électroniques personnels à une application IoT (Internet des objets) dotée de milliers de dispositifs alimentés par batterie, il est facile d'imaginer que ces applications puissent s'écrouler simplement sous le poids de la maintenance des batteries. Pour ces réseaux IoT de grande envergure, comme pour les dispositifs personnels, le besoin de données plus immédiates de la part de capteurs toujours actifs amplifie le problème de consommation énergétique. Heureusement, cette sombre image d'appareils électroniques sous-alimentés s'efface peu à peu, à mesure que les fabricants perfectionnent le rendement énergétique des microcontrôleurs et allègent le processeur principal de certaines tâches de traitement.

Gestion de l'alimentation classique améliorée par des technologies avancées

La vision conventionnelle des systèmes basés sur un microcontrôleur cible largement le rapport cyclique du processeur principal, car il est généralement responsable de la plus grande partie de la consommation d'énergie dans les petits systèmes embarqués. Les concepteurs ont appris à travailler pour réduire le temps que le processeur passe dans son état actif qui consomme le plus d'énergie. Au lieu de cela, un système à puissance limitée a été conçu pour permettre au processeur de rester dans son mode de veille à économie d'énergie le plus longtemps possible. Pour les applications qui requièrent une collecte de données régulière de la part des capteurs, les développeurs laissent alors le processeur en veille et utilisent les interruptions périphériques pour l'activer juste assez longtemps pour qu'il puisse collecter et traiter les données, avant de le remettre en mode veille.

L'émergence de périphériques intégrés plus sophistiqués a permis aux développeurs d'étendre le temps que le processeur passe en état de veille. Les microcontrôleurs intègrent fréquemment des périphériques, comme des convertisseurs analogique-numérique (CAN), qui sont capables de collecter des données de capteur sans activer le processeur. Les fabricants de semi-conducteurs ont étendu ce concept dans les architectures de microcontrôleur plus avancées pour prendre en charge des modes de consommation énergétique intermédiaires entre les modes entièrement actif et entièrement en veille. Dans ces dispositifs, les modes de consommation énergétique intermédiaires peuvent activer de manière sélective plusieurs domaines de puissance distincts pour le cœur de processeur, la mémoire intégrée, les périphériques analogiques et les périphériques numériques.

Des gammes de processeurs avancés, comme les microcontrôleurs Darwin de Maxim Integrated, font passer cette approche au niveau supérieur avec un ensemble complet de mécanismes spécialement conçus pour réduire la consommation énergétique, sans compromettre les fonctionnalités de l'application ni les exigences de performances (voir l'article « Concevoir des dispositifs intelligents plus efficaces : 1re partie – Conception basse consommation avec microcontrôleurs et PMIC »). Par conséquent, les développeurs peuvent plus facilement trouver un équilibre entre puissance et performances pour respecter les budgets d'alimentation serrés.

Des processeurs distincts pour les périphériques

En séparant les fonctionnalités des périphériques du traitement principal, les microcontrôleurs plus avancés ont amélioré ces sous-systèmes périphériques grâce à des processeurs dédiés. Par exemple, la série Darwin de Maxim Integrated, comme bon nombre de dispositifs de cette classe, inclut une unité de gestion des périphériques (PMU) qui va au-delà de la prise en charge habituelle des opérations DMA (accès direct à la mémoire) en incluant la répartition par permutation circulaire et d'autres fonctionnalités plus avancées.

Cette diffusion de capacité de traitement au-delà du cœur du processeur se trouve à la base de quelques-unes des approches les plus efficaces en matière de réduction de la consommation et d'amélioration des performances disponibles actuellement. L'un des exemples les plus évidents de cette tendance concerne les accélérateurs matériels cryptographiques intégrés à des microcontrôleurs plus avancés et conçus pour l'IoT ou d'autres applications connectées. En accélérant l'exécution des algorithmes, des accélérateurs dédiés permettent au dispositif de revenir plus rapidement à un état basse consommation.

Les microcontrôleurs sans fil de la gamme SimpleLink de Texas Instruments sont un exemple plus intéressant de cette tendance. Par exemple, le microcontrôleur sans fil Bluetooth Low Energy (BLE) CC2640R2F de Texas Instruments associe un processeur principal Arm® Cortex®-M3 à un sous-système BLE dédié comprenant un processeur Arm Cortex-M0 et un émetteur-récepteur RF (radiofréquence) (Figure 1).

Figure 1 : Les microcontrôleurs avancés, comme le dispositif BLE CC2640R2F de Texas Instruments, optimisent la consommation énergétique en utilisant un cœur de processeur écoénergétique Arm Cortex-M0 pour conserver la connectivité sans fil lorsque le processeur principal Arm Cortex-M3 est en veille. (Source de l'image : Texas Instruments)

Lorsque le processeur principal exécute l'application, le processeur Cortex-M0 n'est pas disponible pour le développeur et exécute seulement la pile de protocoles BLE. Comme le cœur Cortex-M0 écoénergétique continue de fonctionner à des niveaux basse consommation lorsque le processeur principal est en mode veille, ce microcontrôleur peut fournir une connectivité « toujours active », sans surcharger les budgets d'alimentation serrés.

Bien évidemment, le besoin de fonctionnalités toujours actives n'est pas simplement une exigence liée à la connectivité. Dans un nombre croissant d'applications de détection, les utilisateurs s'attendent à ce que leurs dispositifs répondent immédiatement aux variations de température, de mouvements, de qualité de l'air et d'autres caractéristiques. Avec les méthodes conventionnelles, cette fonctionnalité toujours active forcerait le microcontrôleur à fonctionner continuellement, ou presque, en mode actif, tout en collectant et en examinant les données pour détecter les événements importants.

La plupart des capteurs avancés laissent aux développeurs le soin de programmer des seuils minimum et maximum de déclenchement d'une interruption, permettant ainsi au microcontrôleur de rester en mode veille jusqu'à ce qu'un événement dépassant le seuil se produise. Dans certaines applications, toutefois, cette fonction de seuil n'est toujours pas suffisante. Un détecteur de mouvement toujours actif, par exemple, peut avoir besoin de reconnaître des variations ou des formes caractéristiques dans l'accélération ou l'orientation mesurées, qui pourraient indiquer que l'utilisateur du dispositif est en train de marcher, de courir, de monter des escaliers, de tourner ou de réaliser d'autres activités. Même avec ces capteurs avancés dotés de seuils, le microcontrôleur hôte devrait rester actif pour identifier ces variations caractéristiques. À l'inverse, le module de capteur LSM6DSOX de STMicroelectronics est capable d'identifier des formes données grâce à sa machine à états finis intégrée et à son moteur de traitement d'arbres de décision.

Pour les développeurs, des capacités comme le fonctionnement périphérique autonome, les moteurs de traitement dédiés et le traitement local des capteurs ne constituent que quelques-unes des méthodes disponibles pour réduire la consommation des conceptions alimentées par batterie.

Référence :

Concevoir des dispositifs intelligents plus efficaces : 1re partie – Conception basse consommation avec microcontrôleurs et PMIC - https://www.digikey.fr/fr/articles/techzone/2018/oct/build-more-effective-smart-devices-part-1-low-power-design-mcus-pmics