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── 在待機狀態(tài)下，RL78的CPU也能進(jìn)行異常檢測和警報輸出 在工業(yè)工廠和廠房中，希望降低環(huán)境傳感器系統(tǒng)的維護成本時，可以通過降低傳感器功耗來實現(xiàn)。本文描述如何利用微控制器的待機功能來降低傳感器系統(tǒng)的功耗。具體來說，就是將傳感器測量的頻度降低，讓系統(tǒng)盡可能長時間保持在待機狀態(tài)。除此之外，還能在保持該狀態(tài)的同時，執(zhí)行異常檢測。瑞薩電子的16位微控制器芯片RL78/G11，提供了許多在待機模式下可用的外圍功能。通過這些功能的適當(dāng)組合，不必讓芯片跳出待機模式，就可以實現(xiàn)異常檢測和警報輸出。 制造業(yè)中的工廠和廠房，需要大量的環(huán)境傳感器來監(jiān)控諸如振動、氣體的存在、溫度、采光、粉塵等方面的信息。如今，這些任務(wù)通常會整合在系統(tǒng)中，再透過這套系統(tǒng)，持續(xù)收集大量的傳感器數(shù)據(jù)，并應(yīng)用AI（人工智能）式的分析方法，以及早發(fā)現(xiàn)可能會影響制造，并導(dǎo)致故障的任何變化（預(yù)防性故障診斷和維護）。 在這種系統(tǒng)中使用的傳感器，其安裝可能受到空間限制，而難以連接電源布線的位置，有時還必須在制造設(shè)備停止運作時收集數(shù)據(jù)。因此，這種傳感器經(jīng)常由獨立的電池式電源供電。必須的電池更換頻度，會影響工廠的維護成本。如果只有少數(shù)傳感器，就不會造成嚴(yán)重問題，但對于具有數(shù)十個或數(shù)百個傳感器的系統(tǒng)，更換電池所需的人工成本和時間，就成為重要的考慮因素。當(dāng)考慮到降低電池更換頻度時，降低環(huán)境傳感器的功耗，即為一種有效的方法（圖1）。 
圖1 與環(huán)境傳感器相關(guān)的維護成本 本文描述了如何利用微控制器的待機功能，來降低傳感器系統(tǒng)的功耗。所使用的微控制器是瑞薩電子的16位RL78/G11芯片，專為傳感器應(yīng)用、小型家電和類似設(shè)備而設(shè)計。 在降低量測頻率時，考慮適當(dāng)?shù)漠惓z測方法 用來生產(chǎn)精密零件的制造廠房的系統(tǒng)范例，可以用作環(huán)境傳感器應(yīng)用的范例（圖2）。這里的目標(biāo)，是借著減少傳感器系統(tǒng)的電流消耗來降低電池更換頻率。為了能更清楚明白，以下的說明專注在粉塵傳感器的控制，當(dāng)作代表性的范例。
圖2 精密零件廠房的環(huán)境傳感器系統(tǒng) 在精密零件的制造上，空氣中的粉塵、煙霧、懸浮顆粒等，都會影響產(chǎn)量。為了控制好這部分，入口處會有空氣浴塵室用于人員的清潔，整間廠房的粉塵傳感器，則用于監(jiān)測粉塵顆粒的濃度�？諝馇鍍魴C的運轉(zhuǎn)率，通常根據(jù)測量的濃度值升高或降低。 當(dāng)廠房的運作正常時，粉塵濃度通常不會有較大的波動。借著在這種條件下降低測量頻率，可以降低粉塵傳感器的功耗。例如，透過每十秒，而不是每秒一次執(zhí)行量測，功耗可以減少到十分之一。 反之，如果廠房的運作偏離穩(wěn)定狀態(tài)，則粉塵濃度可能異常增加。在這種情況下，需要增加空氣清凈機的運轉(zhuǎn)率，但要等到粉塵濃度下降，可能仍需要一些時間。如果生產(chǎn)設(shè)備繼續(xù)在高濃度的粉塵下運轉(zhuǎn)，設(shè)備可能會被污染并需要清潔。因此，當(dāng)粉塵異常增加時，必須立即停止廠房的生產(chǎn)設(shè)備。 因此，用于檢測異常和系統(tǒng)控制的合適方法，必須好好的來思考。第一步，是配置用于檢測異常情況的系統(tǒng)。接下來，必須確保在異常檢測的情況下所需的處理步驟（例如輸出警報訊號）可以平穩(wěn)且快速地執(zhí)行。 這可以總結(jié)如下。粉塵傳感器系統(tǒng)需要： (1) 降低測量的頻率 (2) 有能力檢測出異常情況(3) 在檢測到異常的情況下，就可啟動系統(tǒng)控制。 外圍功能對傳感器處理很有用 在解釋如何實現(xiàn)這種控制系統(tǒng)之前，在此有一些關(guān)于RL78/G11芯片的信息（以下簡稱為G11）。該產(chǎn)品是瑞薩電子的RL78系列微控制器的一部分（見圖3）。其特點，是在提供適用于電壓測量、增強型模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換外圍功能等的應(yīng)用。舉例來說，這些功能可用于控制傳感器的集線器和工業(yè)傳感器、電池模塊、電動工具、測量儀器、廚房用具、吸塵器、美容用具、空調(diào)風(fēng)扇、通風(fēng)設(shè)備等。
圖3 RL78系列路線圖 G11包含四種類型的定時器，以及串行通訊功能、一組比較器、可編程增益放大器(PGA)、10位A/D轉(zhuǎn)換器和8位D/A轉(zhuǎn)換器等。以下進(jìn)一步說明的是，在CPU停止時，G11的許多外圍功能模塊仍然可以在待機模式下運行。 G11的電源電壓范圍為1.6 V至5.5 V，包含三個振蕩器，用于生成工作時鐘信號。G11有四種閃存操作模式（flash operation mode），可優(yōu)化內(nèi)部電路的工作電壓、工作時序和工作電流。通過選擇合適的模式，并根據(jù)電源電壓范圍，以及要使用的時鐘頻率，可以盡可能有效地降低微控制器的電流消耗（圖4）。
圖4 RL78/G11的閃存操作模式 下一節(jié)將舉例說明如何使用G11控制粉塵傳感器。 在待機模式下也能使用定時器進(jìn)行間歇操作 要實現(xiàn)的第一個方向，是降低傳感器測量的頻度。 利用微控制器的待機（standby）功能，間歇地操作粉塵傳感器，可以實現(xiàn)即只在測量粉塵濃度時，喚醒微控制器的CPU，并在其他時間將其保持在待機狀態(tài)（圖5）。這里的待機狀態(tài)應(yīng)該理解為電流消耗減少了，但可以快速返回到正常狀態(tài)（可以執(zhí)行粉塵濃度測量）的那種狀態(tài)。
圖5 使用待機狀態(tài)降低測量頻度 以每10秒進(jìn)行一次測量的系統(tǒng)為例，在待機狀態(tài)下，需要測量時間間隔（10秒）。也就是說，必須要有一組保持運行狀態(tài)的定時器。除此之外，待機模式必須能夠處理外部信號輸入（外部中斷或串行數(shù)據(jù)）。測量的操作狀態(tài)和待機狀態(tài)的范例如圖6所示。
圖6 測量操作和待機期間的處理流程 G11待機功能的說明如下。G11提供三種不同的待機模式，分別稱為HALT，STOP和SNOOZE（圖7）。
圖7 RL78/G11的三種待機模式 HALT模式從CPU的Run模式進(jìn)入，當(dāng)收到中斷時，CPU返回Run模式。在HALT模式下，幾乎所有外圍功能都可以操作。 STOP模式與HALT模式一樣是從CPU的Run模式進(jìn)入的，當(dāng)收到中斷時，CPU返回Run模式。某些定時器、安全功能和DOC（數(shù)據(jù)操作電路）在此模式無法使用，但其他外圍功能仍可操作。 SNOOZE模式是一種特殊模式，當(dāng)微控制器接收到串行數(shù)據(jù)，A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，或DTC（Data Transfer Controller，數(shù)據(jù)傳輸控制器）啟動源請求時，系統(tǒng)從STOP模式進(jìn)入SNOOZE模式。如果產(chǎn)生中斷，CPU會被喚醒，否則微控制器還是返回STOP模式。SNOOZE模式是一種可以進(jìn)行串行數(shù)據(jù)通訊、A/D轉(zhuǎn)換和緩存器設(shè)置（DTC的緩存器重寫）的待機模式，該模式下并不會喚醒CPU。 微控制器的功耗取決于模式，通�？梢匀缦屡判颍� STOP < SNOOZE < HALT < CPU RUN 功耗往右側(cè)是增加。Run模式和STOP模式之間，操作電流（電源的電流特性）的比較，結(jié)果如下。 CPU Run模式：1.4 mA（24 MHz操作，HS模式，-40ºC至+85ºC，典型值） STOP模式：0.25μA（+25ºC，典型值） 在此可以看出，STOP模式下的電流消耗僅為Run模式的0.02％。 在G11的STOP模式下，可以進(jìn)行間隔定時器的操作。間隔定時器用于定期從停止模式返回到Run模式，來獲取粉塵傳感器數(shù)據(jù)。外部信號輸入可以通過STOP和SNOOZE模式的組合來處理，進(jìn)而可以滿足來自外部系統(tǒng)的測量結(jié)果查詢需求。G11提供的ELC（Event Link Controller，事件鏈接控制器）和DTC功能，可用于檢測外部中斷，操作間隔定時器和使用比較器匹配。 快速異常檢測和無延遲處理 本節(jié)介紹檢測到錯誤（異常）時的處理方法。 制造廠房中的環(huán)境傳感器，檢測到異常情況時，可能的處理流程如圖8所示。圖中所示的步驟，需要以最小的延遲執(zhí)行，即使微控制器當(dāng)時處于待機模式也是一樣。
圖8 檢測到異常時的處理步驟 例如，在以10秒間隔進(jìn)行測量的系統(tǒng)中，如果在測量完成后立即發(fā)生異常（CPU從Run變?yōu)镾tandby），則在最糟糕的情況下，CPU可能不會在10秒內(nèi)喚醒（圖9（a））。對于要確保對異常的快速反應(yīng)，這就是個問題。因此，CPU在停止（待機狀態(tài)）時也能夠進(jìn)行異常檢測的系統(tǒng)，就會受到期待。使用G11時，STOP和SNOOZE模式的組合，可用于監(jiān)控傳感器輸出，并在待機期間也能觸發(fā)警報信號（圖9（b））。
圖9 檢測到異常時的CPU操作 圖10圖標(biāo)了利用G11的外圍功能，進(jìn)行異常檢測的方法。在圖10（b）中，DOC在沒有CPU干預(yù)的情況下，執(zhí)行16位比較、加法和減法。在圖10（a）和（b）中，DTC執(zhí)行緩存器操作，例如在CPU停止期間進(jìn)行內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)傳輸。G11還提供中斷標(biāo)志輸出功能，輸出INTFO信號。通過這些功能的適當(dāng)組合，可以在不喚醒CPU的情況下輸出警報信號。
圖10 使用RL78/G11外圍進(jìn)行異常檢測 當(dāng)異常檢測和或警報輸出完成時，微控制器返回CPU Run模式。由于諸如切換頻率，和等待芯片內(nèi)置振蕩器穩(wěn)定的過程，這種類型的喚醒操作，通常需要幾十微秒。但是，使用G11，通過選擇合適的工作時鐘頻率，以及正確的閃存操作模式，CPU喚醒時間可以縮短到4到5微秒（圖4）。 異常檢測和警報信號輸出的同時系統(tǒng)會產(chǎn)生一次中斷，可以快速觸發(fā)喚醒CPU，以便順利進(jìn)行后續(xù)處理。雖然可能有些情況下，需要對異常做出更直接的反應(yīng)，但在大多數(shù)情況下，5微秒的反應(yīng)時間已經(jīng)夠短了。 瑞薩電子網(wǎng)站上提供的文件和有用的工具 這里描述的方法，也就是將微控制器的待機功能，用于環(huán)境傳感器系統(tǒng)上的方法，也可以應(yīng)用于其他類型的系統(tǒng)。為了推廣G11待機功能的理解和運用，瑞薩電子在其網(wǎng)站上提供了應(yīng)用說明和范例程序代碼。 同時，瑞薩電子還向用戶免費提供一套易于使用的可視化程序設(shè)計工具——Applilet EZ PL for RL78（版本2.00）。邏輯電路、定時器、一般用途邏輯、微控制器功能等，都在GUI面板上顯示，并且可以加以組合，來創(chuàng)建微控制器程序。使用精靈格式（wizard format）也可以輕松完成待機功能設(shè)置。 有關(guān)G11信息以及獲得Applilet EZ PL for RL78，請訪問訪下面顯示的URL。 <參考URL > ・ RL78/G11 – 低功耗豐富模擬MCU https://www.renesas.com/products/microcontrollers-microprocessors/rl78/rl78g1x/rl78g11.html
・ Applilet EZ PL for RL78 –圖形用戶界面 https://www.renesas.com/products/software-tools/tools/code-generator/applilet-ez-pl-for-rl78.html
・ RL78/G11 – 目標(biāo)板 https://www2.renesas.cn/cn/zh/solutions/renesas-easygo/tool/target-board.html#rl78g11-pb
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