Les microcontrôleurs conformes à IoT sont très présents dans les innovations à faible consommation électrique

Les prévisions du marché suggèrent qu’entre 18 et 50 milliards « d'objets » pourraient être connectés à Internet d'ici 2020. De nombreux appareils de l'Internet des objets (IoT) sont autonomes et alimentés indépendamment. Ils doivent pouvoir fonctionner sans maintenance pendant de longues périodes. Comme d'autres contraintes peuvent exiger l'utilisation de minuscules piles plates ou de systèmes de collecte d'énergie fournissant des quantités limitées d'électricité, une conception économe en énergie utilisant des composants à ultra-faible énergie tels que les microcontrôleurs est cruciale.

Au plan historique, les applications limitées en énergie ont utilisé les microcontrôleurs bas de gamme les plus simples. Mais un cœur 16 bits ou 32 bits peut économiser efficacement de l'énergie en minimisant les délais d'exécution. Parmi les dispositifs 16 bits importants disponibles à l'heure actuelle, citons les microcontrôleurs eXtreme Low Power PIC® de Microchip tels que la gamme PIC24F, qui combinent une faible consommation en fonctionnement/veille et une importante intégration de fonctionnalités.

Plusieurs gammes de microcontrôleurs 32 bits offrent une performance ultra-faible énergie adaptée. Citons parmi eux Freescale Kinetis L et Silicon Labs EFM32™, basés sur le cœur ARM® Cortex®-M0+, NXP Semiconductors LPC1100 dotés du cœur Cortex-M0 et la série STMicroelectronics STM32 L1 dotée du cœur Cortex-M3. Les alternatives telles qu'Atmel® AVR® UC3 L et TI C2000 sont basées sur des cœurs 32 bits exclusifs.

Associées à des délais d'exécution très courts, les caractéristiques typiques d'économie d'énergie incluent une consommation d'énergie en mode actif et veille très faible et des périphériques économiques en énergie qui fonctionnent sans éveiller le cœur, comme illustré à la figure 1.

English	Translation
Very Low Active and Standby Power Consumption	Consommation très faible en mode actif et veille
Energy-Saving Peripherals	Périphériques économiques en énergie
Reduced Processiing Time	Temps de traitement réduit
Initialization	Initialisation
Control	Contrôle
Compute	Calcul
Ultra-Low Active Current	Courant actif ultra-faible
Ultra-Low Standby Current	Courant de veille ultra-faible
Deep Sleep Mode	Mode de veille renforcée
Energy Savings	Économies d'énergie
Power	Alimentation
Time	Temps

 

Figure 1. Économies d'énergie obtenues par un cœur et des périphériques à microcontrôleurs ultra-faible puissance (source : Livre blanc de Freescale Energy-Efficient Solutions ENEFFSOLKINLSWP).

Les modes de fonctionnement multiples optimisent la flexibilité pour arrêter ou ralentir les parties inutilisées de l'appareil. Les dispositifs Kinetis L tels que le MKL02Z32 ont 10 modes, dont deux modes FONCTIONNEMENT dotés de différentes options d'horloge pour économiser la puissance du cœur, deux modes VEILLE dans lesquels le cœur est arrêté et six modes VEILLE RENFORCÉE qui arrêtent progressivement la logique interne et prennent en charge différentes options de réveil. Dans le mode ayant la plus faible puissance, VLL Stop 0, le contenu de la mémoire RAM n'est pas maintenu et même l'oscillateur basse puissance 1 kHz est arrêté. D'autres gammes ont des caractéristiques similaires : la série STM32 L1 est dotée de cinq modes faible puissance. Enfin, le délai de réveil rapide (jusqu'à 2 µs pour les EFM32 de Silicon Labs) minimise l'énergie consommée pendant que le cœur se remet à fonctionner.

Certains aspects du cœur Cortex-M0+ peuvent être optimisés afin de renforcer encore les économies d'énergie. La série Kinetis L utilise le moteur de manipulation de bits pour minimiser les instructions nécessaires pour les tâches de lecture-modification-écriture alors qu'une option de redémarrage faible puissance minimise les pics de puissance pendant le démarrage ou le réveil après le mode de veille renforcée.

La consommation d'énergie du cœur peut être optimisée en utilisant la conversion dynamique de tension. Le STM32L151 permet d'ajuster la tension du cœur entre 1,8 V à la fréquence maximale du CPU et 1,2 V aux fréquences inférieures comme lorsque l'on acquiert des données d'un circuit frontal analogique. Ceci peut réduire la consommation de 25 %, voire plus. Les dispositifs LPC1100 de NXP tels que LPC1114 permettent d'ajuster la fréquence de l'unité centrale et de l'horloge périphérique.

Un exemple type des périphériques intelligents qui fonctionnent indépendamment du cœur est la gamme SleepWalking™ des microcontrôleurs Atmel® AVR® UC3 L tels que l'AT32UC3L0128. En effet, ils peuvent vérifier la saisie des données valides pour éviter les faux réveils de l'unité centrale, envoyer des signaux directement aux autres périphériques et peuvent fonctionner même lorsque le reste du système est en veille renforcée ou peuvent être réveillés individuellement d'un état sans horloge. Le EFM32 Peripheral Reflex System de Silicon Labs offre des capacités similaires.

En règle générale, l'intégration des périphériques offre un bon soutien pour les applications IoT. La plupart des dispositifs sont dotés de périphériques essentiels tels que USART, I2C, USB, contrôleurs tactiles, ADC, DAC, comparateurs et minuteurs, alors que les microcontrôleurs C2000 de TI comme le TMS320F28062PZPS comportent aussi des périphériques de commande renforcés tels que PWM, la capture haute résolution et des modules de codeur à quadrature.