RL78/G13系列MCU中可用的低功耗模式解析

　　低功耗已成为 MCU 的必备特性。本文介绍了 Renesas Snooze 功能的使用，并提供了一个示例应用程序，在该应用程序中，平均电流节省了 31%。

　　在过去几年中，设计人员对低功耗运行的需求急剧增长，尤其是在用于消费、工业、办公和医疗应用的便携式电子设备中，在这些应用中，购买者表现出对延长使用寿命、更小尺寸和复杂功能的不懈渴望。

　　为了支持这些最终用户的需求，瑞萨在 16 位 MCU 领域推出了 RL78/G12 和 RL78/G13 MCU 组。

　　除了出色的一般低功耗特性外，RL78 系列还具有一些特定功能，可通过关闭器件的主要部分来进一步降低工作功耗，同时仍允许关键外围模块继续运行。特别是，为了方便系统设计人员，RL78 增加了贪睡模式。此功能允许常见的数据采集或数据传输功能在无需“唤醒”CPU 的情况下运行，从而显着降低了许多典型 MCU 功能的功耗。与 CPU 必须保持活动并协助常见外围功能的其他低功耗模式相比，这种操作灵活性是一个显着优势。

　　例如，在 RL78/G13 贪睡模式下，A/D 转换器可以在不唤醒 CPU 的情况下完成转换。由于在贪睡模式下运行的 A/D 转换仅需要 0.5 mA 而不是使用运行模式所需的 5 mA，因此这可以节省大量电力。本文通过一个设计示例应用程序解释了在 RL78 的整体低功耗功能的背景下如何使用贪睡功能，该应用程序定期测量模拟信号并在信号超出工作范围时发出警报。

　　提出了两种不同的实现：一种不使用贪睡模式操作，另一种使用。RL78/G13 MCU 组的数据表编号将用于比较。我们将展示对于这个典型示例，当使用贪睡模式而不是没有贪睡功能的实现时，可以节省 31% 的功耗。

　　RL78 特性

　　RL78 系列由两个流行的瑞萨 MCU 系列 78 K 和 R8C 演变而来。RL78 的设计利用了这些产品系列背后的多年经验，包括 CPU 内核和各种经过验证的外围功能。这样可以有效地重用与以前的 78K 和 R8C 产品一起使用的软件资源。

　　RL78/G12 和 RL78/G13 系列具有 2 KB 至 512 KB 的片上单电源闪存、0.25 KB 至 32 KB 的 RAM 数据存储器和高达 8 KB 的闪存数据存储器。1.6 V 至 5.5 V 的宽工作范围使其易于在基于电池的应用中使用，在这些应用中，随着电池逐渐放电，电压可能会随时间变化。在运行模式下，RL78/G13 在 32 MHz 下提供 41 个 DMIP，而仅需要 66 uA/MHz 的工作电流。这样可以尽快完成重要功能，从而显着减少关键操作期间的电流消耗。下面的图 1 显示了 RL78/G13 MCU 的关键元件。

 

 

　　图 1：RL78/G13 的关键要素。

　　RL78/G13 提供全功能 DMA 控制器、时钟生成、上电复位、低电压检测器、硬件支持复杂的算术功能（16 位乘 16 位乘法、32 位乘 32 位除法、16 位通过 16 位乘以 32 位累加）和单线调试接口来加速开发。安全功能包括提高系统可靠性的特殊自诊断和错误检查功能。

　　四种基本模式

　　降低功耗的常用策略包括降低时钟频率或在不需要时关闭某些外围设备。这些技术可以将平均电流调整到几毫安或更小。另一种方法利用定时器（如 RTC）来维持系统控制，同时允许 CPU 和外围设备在大多数时间停止。在这里，通常可以获得低至 10 或 100 微安的平均电流。当系统被允许在需要之前完全处于非活动状态时，使用中断来唤醒芯片，甚至可以实现更低的电流，通常小于微安。

　　RL78 为系统设计人员提供了极大的灵活性，可以动态调整 MCU 状态以最大限度地降低功耗。它有四种基本模式——操作、暂停、贪睡和停止。这些模式的操作流程图如下图 2 所示。每个都有不同的功率特性。

　　RL78/G13 器件在待机运行时具有出色的低功耗特性；即，在暂停或停止模式下。例如，当使用运行实时时钟 （RTC） 和低压检测器 （VLD） 功能的 32 kHz 内部振荡器时，它们在暂停模式下的电流要求较低，仅为 0.57 μA。当芯片在周期性操作之间等待时，这种性能可以保持低电流消耗，这是基于电池的设计中的常见情况。

 

 

　　图 2：四种操作模式的流程图。

　　在 Halt 模式下，CPU 时钟被禁用以节省功耗，但所有外围功能都可以运行，主时钟或副时钟可以保持活动状态。活动时钟允许 CPU 立即重新启动。外设（如 DMA 控制器）运行不受阻碍——例如在外设和内存之间传输数据而无需 CPU 干预。

　　时钟以最高 32 MHz 的频率运行以供外设使用时，暂停模式下的电流消耗为 1.1 mA，而工作模式下的电流消耗为 5.1 mA。

　　在使功耗尽可能低的 STOP 模式下，高速系统时钟振荡器和内部高速振荡器被禁用，从而停止整个系统。32 kHz 子时钟仍可在停止模式下运行，保持实时时钟 （RTC） 和 12 位间隔定时器处于活动状态。此外，低压检测 （LVD） 电路、看门狗定时器和外部中断都处于活动状态。所有活动源都可以将 CPU 唤醒到操作模式。MCU 在启用 RTC 和 LVD 的停止模式下通常消耗 0.57 µA。

　　引入贪睡模式

　　在贪睡模式下，一些外围功能可以“唤醒”并执行简单的操作，而无需“唤醒”CPU。当特定外设通过退出停止模式并启用正在执行的操作所需的适当外设时钟来触发数据接收事件时，可以实现这一点。大多数外围功能都被禁用，但有一些例外；即RTC、间隔定时器、看门狗定时器、上电复位、低电压检测、外部中断和按键中断都可以工作。然而，它们也可以被选择性地禁用以节省更多电量。只有选择子系统时钟作为计数时钟，时钟输出才可操作。定时器阵列单元、乘法器/除法器、DMA 控制器、高速 CRC、CRC 操作和非法存储器访问功能均被禁用。

　　例如，当 RTC 或间隔定时器中断发出转换开始的信号时，A/D 转换器从数据转换接收数据可以通过唤醒以在贪睡模式下运行。通常，在 STOP 模式下 A/D 转换会停止，但通过使用 SNOOZE 模式，可以在不操作 CPU 的情况下执行 A/D 转换。A/D 转换在贪睡模式下仅使用 0.5 mA，但在运行模式下使用 5 mA。

　　同样，当检测到串行时钟输入引脚 （SCKp） 边沿时，同步串行端口可以“唤醒”。当检测到 RxD 输入的边沿时，UART 可以“唤醒”。这避免了与从停止到运行的正常转换相关的“唤醒”时间，并且可以节省大量电力。

　　当贪睡模式转换到运行模式时，唤醒时间（时钟稳定所需）为 20 微秒。

　　在停止模式下，所有外设都可操作，而在贪睡模式下，外设的时钟被禁用，除了 ADC、UART 和 CSI 配置时。

　　示例显示贪睡操作的好处

　　为了更好地了解贪睡模式操作的好处，我们将检查示例设计的功耗。所选设计是一种必须定期测量模拟信号的常见应用类型。（在这种情况下，模拟信号表示温度，但它可以是各种周期性传感器测量中的任何一种。）我们首先在不使用贪睡模式的情况下计算了预期的功耗。接下来，我们计算了使用贪睡模式时的预期功耗。对所产生的功耗估计值进行比较后，我们将通过数值衡量贪睡模式在常见设计类型中的优势。

　　该远程温度传感器将使用瑞萨电子 RL78/G13 MCU 作为主控制器，以实现更高级别的程序功能。片上 A/D 转换器将用于通过模拟输入引脚测量温度。温度将使用四个位置的四个独立传感器测量。UART 端口将用于使用外部无线收发器与中央控制系统进行通信。串行闪存将存储事件记录数据，MCU 将通过 SPI 端口与内存通信。GPIO 端口将用于通过 7 段 LCD 显示测量值和状态。该系统的框图如下图 3 所示。

 

 

　　图 3：远程温度传感器的框图。

　　远程温度传感器示例的主要功能的程序流程如下图所示。

 

 

　　图 4：远程温度传感器程序流程。

　　功耗估算

　　为了估算每个运行周期所需的总电流，我们可以简单地将每个电流分量乘以运行时间，然后将它们中的每一个相加。计算如下表1所示。循环期间的工作电流在 0.5 秒内为 0.57 uA，因此平均电流为 1.14 uA。

 

 

　　表 1：平均当前估计值 - 没有贪睡。

　　使用贪睡模式可将测量温度功能的工作电流从 5.2 mA 降低到 1.12 mA。其他工作电流不变。循环期间的工作电流降低至 0.39 μA，平均为 0.791 μA，节省约 31%。见下表 2。

 

 

　　表 2：电源使用配置文件 - 有贪睡。

　　结论

　　瑞萨电子的 RL78/G12 和 RL78/G13 MCU 是推荐用于要求低功耗操作要求的嵌入式系统的解决方案，因为它们提供了先进的电源管理功能。除了提供业界最低功耗等级之一，RL78 系列还提供省电贪睡模式，在该模式下，A/D 转换和串行通信可以在 CPU 处于待机状态时继续，而 CPU 仅被唤醒在需要的时候。

　　本文详细介绍了 RL78/G13 系列 MCU 中可用的低功耗模式，并在示例应用中展示了通过使用特殊的贪睡功能实现了 31% 的平均电流节省。这种高性能和低功耗的结合使 RL78 非常适合各种功率受限的应用。