Pułapki AVR: Zapis do EEPROM vs usypianie vs prąd

Autor: Dondu

Artykuł jest fragmentem cyklu: Pułapki mikrokontrolerów AVR
To jedna z pułapek, która może sprawić sporo problemów w projektach używających EEPROM i korzystających z usypiania mikrokonrolera do trybów:

• Power Down
• Power Save

Można się niemile rozczarować, że mikrokontroler wchodzi w tryb uśpienia, lecz pobiera znacznie więcej prądu, niż wynika to z datasheet.

Na początku zobaczmy jaki powinien być pobór prądu przez mikrokontroler w trybie uśpienia Power Down, na przykładzie ATmega8A:

Zaznaczyłem napięcie zasilania około 4,85V ponieważ w poniższych testach (pomiarach) takim właśnie zasilałem mikrokontroler. Pomiary przeprowadzałem w temperaturze pokojowej około 21°C stąd biorę pod uwagę wykresy dla temperatury 25°C. Z wykresu wynika więc, że powinniśmy się spodziewać prądu około 1,1µA.


Układ pomiarowy

Zastosujemy możliwie najprostszy układ pomiarowy z niezbędnymi kondensatorami filtrującymi oraz rezystorem wymuszającym wysoki stan pinu RESET:

Rys. Schemat układu pomiarowego.

Warunki dot. pomiarów:

• mikrokontroler taktowany jest z wewnętrznego generatora RC 1MHz,
• wyłączone wszelkie wewnętrzne moduły,
• napięcie zasilania w trakcie pomiarów wynosiło 4,85V.
• multimetr METEX M-3610.

Do pomiarów zastosujemy także dobre praktyki polegające na wymuszeniu ustawienia wszystkich nieużywanych pinów, by nie stały się antenkami łapiącymi zakłócenia mogące mieć wpływ na pomiary. Będzie to zgodne z przyjętymi przez producenta mikrokontrolera warunkami pomiarowymi na podstawie których zamieścił wykresy w datasheet:

Pomiary

Załóżmy że mamy jakieś program, który na przykład:

1. dokonuje co kilka godzin pomiaru za pomocą przetwornika analogowo-cyfrowego ADC,
2. zapisuje pomiar w EEPROM mikrokontrolera,
3. zostaje uśpiony w celu oszczędzania energii.

Pomiar 1

Najpierw sprawdzimy jak ile prądu pobiera mikrokontroler uśpiony do trybu Power Down:

#include <avr/io.h> 
#include <avr/interrupt.h> 
#include <avr/sleep.h>
#include <avr/eeprom.h>

EEMEM unsigned char pamiec_eeprom[512];

int main(void) 
{ 

 //--- Wyłącz zbędne moduły ---
 //W celu oszczędzania energii wyłączamy domyślnie włączony 
 //moduł komparatora analogowego
 ACSR |= (1<<ACD); //wyłącz komparator analogowy


 //--- Dobre praktyki ---
 //szczegóły: http://mikrokontrolery.blogspot.com/2011/04/zakocenia-w-pracy-mikrokontrolerow.html
 PORTB  = 0xff; //włącz rezystory pull-up
 PORTC  = 0xff; //włącz rezystory pull-up
 PORTD  = 0xff; //włącz rezystory pull-up

 //uśpij mikrokontroler do trybu Power Down
 set_sleep_mode(SLEEP_MODE_PWR_DOWN); 
 sleep_enable();
 cli();   //na wszelki wypadek wyłącz przerwania globalne
 sleep_cpu();  

 //pętla główna nigdy się nie wykona 
 while(1); 
}

Pomiar 1

Wynik pomiaru: 0,8µA

Różnica w stosunku do spodziewanych 1,1µA to 0,3µA, czyli około 30%, co porównując z parametrami multimetru oznacza, że trafiła mi się bardzo oszczędna ATmega8A :-)

Pomiar 2

Dokonajmy teraz zapis do pamięci EEPROM, po czym natychmiast uśpijmy mikrokontroler także do trybu Power Down:

#include <avr/io.h> 
#include <avr/interrupt.h> 
#include <avr/sleep.h>
#include <avr/eeprom.h>

EEMEM unsigned char pamiec_eeprom[512];

int main(void) 
{ 

 //--- Wyłącz zbędne moduły ---
 //W celu oszczędzania energii wyłączamy domyślnie włączony 
 //moduł komparatora analogowego
 ACSR |= (1<<ACD); //wyłącz komparator analogowy


 //--- Dobre praktyki ---
 //szczegóły: http://mikrokontrolery.blogspot.com/2011/04/zakocenia-w-pracy-mikrokontrolerow.html
 PORTB  = 0xff; //włącz rezystory pull-up
 PORTC  = 0xff; //włącz rezystory pull-up
 PORTD  = 0xff; //włącz rezystory pull-up

 //zapisz liczbę 0xAA do pamięci EEPROM o adresie 511
 eeprom_write_byte(&pamiec_eeprom[511], 0xAA);

 //uśpij mikrokontroler do trybu Power Down
 set_sleep_mode(SLEEP_MODE_PWR_DOWN); 
 sleep_enable();
 cli();   //na wszelki wypadek wyłącz przerwania globalne
 sleep_cpu();  

 //pętla główna nigdy się nie wykona 
 while(1); 
}

Pomiar 2

Wynik pomiaru: 1,014mA !!! 

Miało być tyle samo co w poprzednim pomiarze, czyli 0,8µA, a otrzymaliśmy ponad 1mA, czyli 1267 razy więcej.

Jak to możliwe?
Przecież wykonaliśmy instrukcję usypiania?

Odpowiedź na to pytanie znajdziemy oczywiście w datasheet.

Po pierwsze należy wziąć pod uwagę czas trwania zapisu do pamięci EEPROM:

Jak widzisz czas zapisu wynosi 8448 cykli zegara. Moja ATmega8A pracowała z zegarze 1MHz co daje czas trwania zapisu wynoszący 8,5ms.

Nie oznacza to, że mikrokontroler w tym czasie nie może nic robić. Ależ może i właśnie to wykorzystaliśmy wykonując następne rozkazy, którymi były czynności prowadzące do uśpienia mikrokontolera. Innymi słowy:

Zażądaliśmy uśpienia mikrokontrolera, w trakcie trwania zapisu do pamięci EEPROM!

No dobrze, ale dana zapisała się poprawnie, czyli operacja zapisu trwała nadal.
Wniosek: Mikrokontroler był uśpiony, ale jakby nie do końca :-)

Zerkamy do datasheet i znajdujemy wyjaśnienie:

Czyli:

• gdy w trakcie zapisu do EEPROM, uśpimy mikrokontroler do trybu Power Down, operacja zapisu będzie kontynuowana,
• gdy operacja zapisu zostanie zakończona, mikrokontroler nie wyłącza generatora zegara mikrokontrolera, czego konsekwencją jest niekompletne przejście do trybu Power Down.

Pomiar 3

Dla porównania sprawdźmy ile prądu powinien pobierać ten mikrokontroler, w czasie normalnej pracy:

I do kompletu pomiar, gdy mikrokontroler "kręci się" w pętli głównej:

#include <avr/io.h> 
#include <avr/interrupt.h> 
#include <avr/sleep.h>
#include <avr/eeprom.h>

EEMEM unsigned char pamiec_eeprom[512];

int main(void) 
{ 

 //--- Wyłącz zbędne moduły ---
 //W celu oszczędzania energii wyłączamy domyślnie włączony 
 //moduł komparatora analogowego
 ACSR |= (1<<ACD); //wyłącz komparator analogowy


 //--- Dobre praktyki ---
 //szczegóły: http://mikrokontrolery.blogspot.com/2011/04/zakocenia-w-pracy-mikrokontrolerow.html
 PORTB  = 0xff; //włącz rezystory pull-up
 PORTC  = 0xff; //włącz rezystory pull-up
 PORTD  = 0xff; //włącz rezystory pull-up

 //pętla główna
 while(1); 
}

Pomiar 3

Jak widzisz pomiar 2 (1,014mA) jest pomiędzy pomiarem 1 (0,8µA) i pomiarem 3 (1,532mA).

Czyli zgodnie z fragmentem datasheet zacytowanym powyżej, w pomiarze 2 mikrokontroler faktycznie wyłączył część wewnętrznych "bebechów", a część nie.

---

Jak temu zaradzić?

Mamy zdiagnozowaną przyczynę, trzeba więc jakoś temu zaradzić. Ostatnie zdanie z zacytowanego powyżej fragmentu datasheet daje nam wskazówkę:

że jeżeli zależy nam na tym, by mkrokontroler poprawnie został uśpiony należy zaczekać do końca operacji zapisu danej do EEPROM.

Bitem, który o tym informuje jest EEWE w rejestrze ECCR (przy okazji znajdziesz tam opis całej procedury zapisu do EEPROM):

Innymi słowy:

Po rozpoczęciu operacji zapisu do pamięci EEPROM, mikrokontroler może wykonywać inne czynności, ale przed uśpieniem mikrokontrolera do trybu Power Down, należy upewnić się czy operacja zapisu została zakończona.

Pomiar 4

Można to zrobić sprawdzając bit EEWE pętlą:

//Czekaj na koniec zapisu do EEPROM
while(EECR & (1<<EEWE));

lub skorzystać z gotowej funkcji eeprom_busy_wait():

//zaczekaj do końca zapisu EEPROM
eeprom_busy_wait();

Sprawdźmy więc, czy teraz będzie prawidłowo:

#include <avr/io.h> 
#include <avr/interrupt.h> 
#include <avr/sleep.h>
#include <avr/eeprom.h>

EEMEM unsigned char pamiec_eeprom[512];

int main(void) 
{ 

 //--- Wyłącz zbędne moduły ---
 //W celu oszczędzania energii wyłączamy domyślnie włączony 
 //moduł komparatora analogowego
 ACSR |= (1<<ACD); //wyłącz komparator analogowy


 //--- Dobre praktyki ---
 //szczegóły: http://mikrokontrolery.blogspot.com/2011/04/zakocenia-w-pracy-mikrokontrolerow.html
 PORTB  = 0xff; //włącz rezystory pull-up
 PORTC  = 0xff; //włącz rezystory pull-up
 PORTD  = 0xff; //włącz rezystory pull-up

 //zapisz liczbę 0xAA do pamięci EEPROM o adresie 511
 eeprom_write_byte(&pamiec_eeprom[511], 0xAA);

 //zaczekaj do końca zapisu EEPROM
 eeprom_busy_wait();

 //uśpij mikrokontroler do trybu Power Down
 set_sleep_mode(SLEEP_MODE_PWR_DOWN); 
 sleep_enable();
 cli();   //na wszelki wypadek wyłącz przerwania globalne
 sleep_cpu();  

 //pętla główna nigdy się nie wykona 
 while(1); 
}

Testujemy powyższy program:

Pomiar 4

... i otrzymujemy tyle samo co w pierwszym pomiarze, czyli mikrokontroler prawidłowo wszedł w tryb uśpienia.


... a tryb Power Save?

W datasheet mowa jest o trybie Power Down, jednakże tryb Power Save podlega temu samemu problemowi (przynajmniej w ATmega8, którego sprawdziłem osobiście).

Zobacz pozostałe pułapki AVR

• Pułapki AVR: Spis treści