【应用】如何应用Renesas低功耗MCU RL78/G11实现环境传感器系统的异常检测和报警输出

时间： 2018-05-28 来源：Renesas

制造业中的工厂需要大量的环境传感器来监测诸如振动、气体存在、温度、照明、灰尘等情况。如今，这些任务通常被集成到综合系统中（图1），这些系统连续收集大量传感器数据并应用基于人工智能（AI）的分析方法，以便及早发现可能影响制造业并导致故障的任何变化。这些系统中使用的传感器可能安装在空间限制的位置，造成供电线路连接困难，并且它们还必须在设备停止时收集数据。因此，这种传感器通常基于独立电源（电池）供电。电池更换的频率会影响设备的维护成本。如果只有少数传感器，这不会造成重大问题；但对于具有数十或数百个传感器的系统而言，电池更换所需的人力和时间成本将会成为重要考虑因素。当旨在降低电池更换频率时，降低环境传感器的功耗是一种有效的方法。本文介绍了一种利用瑞萨电子的16位微控制器（MCU）RL78/G11的待机功能降低传感器系统功耗的方法。

图1 环境传感器系统

用于传感器处理的外设功能

首先介绍有关RL78/G11（随后称为G11）的一些信息。该产品是瑞萨电子低功耗RL78微控制器系列的一部分（图2）。在这个系列中，G11属于通用系列G1x，但其特点是提供了适用于电压测量、单相电机控制应用等的增强模拟/数字外设功能。例如，这些功能可用于控制传感器集线器和工业传感器、电池模块、电动工具、测量仪器、厨房用具、吸尘器、美容用具、空调风扇和通风器等。

G11集成了四种类型的定时器、串行通信功能、比较器、可编程增益放大器、10位A/D转换器和8位D/A转换器。在CPU停止时，许多外设功能也可在待机模式下使用。G11的电源电压范围为1.6V至5.5V，包含三个用于生成时钟信号的振荡器。G11有四种Flash操作模式，可优化内部电路的操作电压、操作时序和操作电流。根据电源电压范围和要使用的时钟频率选择适当的模式（图3），可以有效降低微控制器的电流消耗。下面将解释如何使用G11控制传感器（以灰尘传感器为例）。

图2 瑞萨RL78微控制器系列

图3 RL78/G11的Flash操作模式

在待机模式下使用定时器进行间歇操作

降低测量频率是首先要实现的。这可以通过利用MCU的待机功能间歇地操作灰尘传感器来实现。该解决方案仅在测量灰尘浓度时唤醒MCU的CPU，并在其他时间保持待机状态（图4）。在这种情况下的待机状态意味着更少的电流消耗，但是可以快速恢复到可以执行灰尘浓度测量的正常状态。

以每10秒执行一次测量的系统为例，需要测量待机状态下的时间间隔（10秒）。这意味着需要一个可操作的计时器。此外，MCU在待机状态下接收到用于测量结果的查询（输入）以提供响应（输出）时，必须能够唤醒CPU。换句话说，待机模式必须允许处理外部信号输入（外部中断或串行数据）。测量操作状态和待机状态的示例如图5所示。

图4 使用待机状态降低测量频率

图5 测量状态（a）和待机状态（b）的操作流程

下面介绍G11的待机功能。 G11提供三种不同的待机模式，分别称为HALT、STOP和SNOOZE，如图6所示。

·HALT模式从CPU的运行（主）模式进入，当收到中断时CPU返回运行模式。在HALT模式下，几乎所有外设都可以运行。

·STOP模式，和HALT模式一样，从CPU的运行模式进入，当收到中断时，CPU返回运行模式。某些更高级别的定时器、安全功能和DOC（数据操作电路）不能使用，但其他外围设备可以运行。

·SNOOZE模式是一种特殊模式，当微控制器接收到串行数据、定时器触发信号或DTC使能请求时，该模式从STOP模式进入。如果产生中断，则唤醒CPU；否则，MCU返回到STOP模式。SNOOZE模式是一种待机模式，用于在不唤醒CPU的情况下实现串行数据通信、A/D转换和寄存器设置（由DTC进行寄存器重写）。

图6 RL78/G11的三种待机模式

MCU的功耗取决于模式，一般可以按照以下顺序排列：STOP < SNOOZE < HALT < CPU RUN。CPU RUN模式下的工作电流为1.4mA（24 MHz、 HS模式、-40℃至+85 ℃典型值）；STOP模式下的工作电流为0.25μA（+25℃，典型值）。可以看出，STOP模式下的电流消耗仅为RUN模式的约0.02％。在G11的STOP模式下，可以进行间隔定时器操作。间隔定时器用于定期从STOP模式返回到RUN模式并捕获灰尘传感器数据。外部信号输入可以通过STOP和SNOOZE的组合模式来处理，从而可以适应来自外部系统测量结果的查询。G11提供的事件链接控制器（ELC）和数据传输控制器（DTC）功能可用于检测外部中断、操作间隔定时器以及使用比较器匹配。

快速异常检测和无延迟处理

当环境传感器检测到异常情况时，可能的处理流程如图7所示。即使微控制器当时处于待机模式，图中列出的步骤也需要最小的延迟。以间隔为10秒进行测量的系统为例，如果在测量完成后立即发生了异常（CPU从运行状态变为待机状态），则CPU在最坏的情况下可能不会在10秒内被唤醒（图8a）。因此，CPU在停止时（待机状态）也能进行异常检测的系统是工厂所需要的。通过G11 STOP和SNOOZE的组合模式来监测传感器输出，并在待机状态下启用报警信号触发（图8b）。

图7 检测到异常时的处理流程

图8 检测到异常时的CPU操作

图9是利用G11的外设功能进行异常检测的方法。在图9b中，DOC无需CPU干预可以执行16位比较、加法和减法。在图9a和b中，DTC执行寄存器操作，例如CPU停止时存储器之间的数据传输。G11还提供了一个用于输出中断标志而不作任何修改的功能（INTFO）。通过这些功能的适当组合，可以在不唤醒CPU的情况下输出报警信号。

当异常检测或报警输出完成时，微控制器返回到CPU运行模式。由于切换时钟和等待片内振荡器稳定等过程，这种类型的唤醒操作通常需要几十微秒。但是，G11通过适当选择时钟和闪存操作模式（图3），CPU唤醒时间可以缩短至4到5微秒。通过与异常检测和报警信号输出并行产生中断，可以迅速触发CPU唤醒，以便后续处理顺利进行。尽管有些情况下需要对异常做出更及时的反应，但在大多数情况下，5微秒的响应时间已经足够。

图9 利用RL78/G11的外设功能进行异常检测

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