Tesi di laureaTesi di laurea

Studio di un sistema a Studio di un sistema a bassissima potenza per bassissima potenza per

l’acquisizione datil’acquisizione dati

Laureando RelatoreAdnan Berberovic ing. Gianfranco Fenu

Introduzione:Introduzione:

Motivi per l’utilizzo di sistemi a Motivi per l’utilizzo di sistemi a bassissima potenzabassissima potenza

TrasportabilitàTrasportabilità IsolamentoIsolamento Necessità di basso consumoNecessità di basso consumo Nessuna disponibilità di fonti energeticheNessuna disponibilità di fonti energetiche Diminuire la dissipazione di caloreDiminuire la dissipazione di calore Sistemi a risparmio energeticoSistemi a risparmio energetico

Caratteristiche di un progetto Low-PowerCaratteristiche di un progetto Low-Power

Componenti a bassissimo consumoComponenti a bassissimo consumo Dispositivi a bassissimo leakageDispositivi a bassissimo leakage Spegnimento delle parti circuitali non Spegnimento delle parti circuitali non

usateusate Attenzione alle eventuali reti resistive tra Attenzione alle eventuali reti resistive tra

tensione di alimentazione e massatensione di alimentazione e massa Mantenere un consumo mediato nel Mantenere un consumo mediato nel

tempo dei dispositivi molto bassotempo dei dispositivi molto basso

Schema di principio di un sistema Low-PowerSchema di principio di un sistema Low-Power

uP

Microcontrollore

AlimentazioneInterruttore

Pilotato

Hardware per la gestione dei

sensori

SensoriHardware per la

Trasmissione dati

Connessione verso

l’esterno

Alimentazione a batteria del Alimentazione a batteria del sistemasistema

Deve garantire un’adeguata durata Deve garantire un’adeguata durata temporale del dispositivotemporale del dispositivo

Deve avere basse perdite interneDeve avere basse perdite interne Deve essere adatto a funzionare a diverse Deve essere adatto a funzionare a diverse

temperaturetemperature Deve essere di ingombro ridottoDeve essere di ingombro ridotto Deve avere un basso pesoDeve avere un basso peso

Tipi di pileTipi di pile

TipoTipo VantaggiVantaggi SvantaggiSvantaggiZinco-CarboneZinco-Carbone •EconomicheEconomiche

•Facili da reperireFacili da reperire

•Bassa densità energeticaBassa densità energetica

•Curva di scarica inclinataCurva di scarica inclinata

AlcalineAlcaline •Abbastanza economicheAbbastanza economiche

•Mantengono una Mantengono una resistenza di scarica bassaresistenza di scarica bassa

•Migliori caratteristiche a Migliori caratteristiche a diverse temperaturediverse temperature

•Moderata densità Moderata densità energeticaenergetica

•Curva di scarica inclinataCurva di scarica inclinata

LitioLitio •Alta densità energeticaAlta densità energetica

•Curva di scarica piattaCurva di scarica piatta

•Buone caratteristiche a Buone caratteristiche a diverse temperaturediverse temperature

•Vita di scaffale lungaVita di scaffale lunga

•CostoseCostose

Tipi di PileTipi di PileCapacita energetiche a diverse temperature

Perdita di capacita delle pile a diversi assorbimenti di corrente

Ricerca del microcontrollore adatto Ricerca del microcontrollore adatto al sistemaal sistema

Dove garantire un basso consumo Dove garantire un basso consumo Dove avere integrati dei convertitori ADDove avere integrati dei convertitori AD Deve avere integrata una UARTDeve avere integrata una UART Deve poter passare ad una modalità di Deve poter passare ad una modalità di

bassissimo consumo bassissimo consumo

Caratteristiche cercate nel microcontrollore

Microcontrollori Microchip PIC18FMicrocontrollori Microchip PIC18F

Microcontrollore ad 8 bit CISCMicrocontrollore ad 8 bit CISC Contiene una USART hardwareContiene una USART hardware Contiene un convertitore ADContiene un convertitore AD Consuma circa 150uA ad una frequenza di Consuma circa 150uA ad una frequenza di

1MHz ed una tensione di lavoro di 2 Volt1MHz ed una tensione di lavoro di 2 Volt Può arrivare a consumare in low-power Può arrivare a consumare in low-power

fino a 2,1uAfino a 2,1uA

Caratteristiche generali

Microcontrollori Texas Instruments Microcontrollori Texas Instruments MSP430FMSP430F

Microcontrollore ad 16 bit RISCMicrocontrollore ad 16 bit RISC Contiene una USART hardwareContiene una USART hardware Contiene un convertitore ADContiene un convertitore AD Consuma circa 200uA ad una frequenza di Consuma circa 200uA ad una frequenza di

32KHz ed una tensione di lavoro di 2 Volt32KHz ed una tensione di lavoro di 2 Volt Può arrivare a consumare in low-power Può arrivare a consumare in low-power

fino a 1uAfino a 1uA

Caratteristiche generali

Scelta del microcontrolloreScelta del microcontrollore

INIZIO

ABILITA INTERRUZIONI

SLEEP MODE

DISABILITA INTERRUZIONI

FUNZIONI DI USO GENERALE

Il microcontrollore deve essere in grado di

funzionare in un sistema che può essere risvegliato

solo mediante interup provenienti da diverse

fonti

Scelta del microcontrolloreScelta del microcontrollore

Necessita di due istruzioni per attivare le Necessita di due istruzioni per attivare le interruzioni e portarsi in sleep-modeinterruzioni e portarsi in sleep-mode

Una istruzione MSP430F fa quello che Una istruzione MSP430F fa quello che fanno 4 istruzioni PIC18Ffanno 4 istruzioni PIC18F

Svantaggi del microcontrollore PIC18F

Vantaggi del microcontrollore PIC18F

Consumo più basso del MSP430FConsumo più basso del MSP430F

Scelta del microcontrolloreScelta del microcontrollore

Vantaggi del microcontrollore MSP430F

Estrema semplicità di programmazione Estrema semplicità di programmazione MSP430F per la sua struttura RISCMSP430F per la sua struttura RISC

Consumo più elevato del PIC18FConsumo più elevato del PIC18F

Svantaggi del microcontrollore MSP430F

Descrizione del Software del Descrizione del Software del sistemasistema

Controllo di ricezione serialeControllo di ricezione seriale Controllo di trasmissione serialeControllo di trasmissione seriale Esecuzione delle procedure di misuraEsecuzione delle procedure di misura Stato di SleepStato di Sleep

Parti base del software del sistema

Struttura base del sistema

INIZIO

SETTAGGI INIZIALI

Nuovo commando da

Seriale?

No

Trasmissione seriale

terminata?

No

Si

PROCEDURA PER IL CARICAMENTO DELL’OUT

BUFFER SERIALE.

Interruzione dal timer di

misura.

Si

No

ESECUZIONE DELLE PROCEDURE DI MISURAZIONE.

STATO DI SLEEP

PROCEDURA DI DECODIFICAZIONE ED

ESECUZIONE DEI COMANDI SERIALI

Si

Settaggi inizialiSettaggi iniziali

Frequenza di funzionamento tramite il Frequenza di funzionamento tramite il DCO interno (1MHz)DCO interno (1MHz)

Settaggio della USART hardware del Settaggio della USART hardware del microcontrollore (9600 bit/s)microcontrollore (9600 bit/s)

Predisposizione dell’ADCPredisposizione dell’ADC Predisposizione del riferimento di tensione Predisposizione del riferimento di tensione

internointerno

Struttura della ricezione serialeStruttura della ricezione seriale INIZIO

Trasmissione già iniziata

Si No

Byte di start IMMAGAZZINO E CONTROLLO

Si

No

FINE

Byte non di mio interesse

Dati completi

Si

No

FINE

Attendo ulteriori dati

DECODIFICO IL COMANDO E LO

ESEGUO

PREPARO I DATI DA SPEDIRE

FINE

Struttura della trasmissione serialeStruttura della trasmissione seriale

INIZIO

Byte da trasmettere.

No Si

PASSA IN RICEZIONE

CARICA IL BYTE DA TRASMETTERE

FINE

Struttura dell’acquisizione datiStruttura dell’acquisizione dati

INIZIO

ACCENSIONE DEI SISTEMI DI

ACQUISIZIONE

ATTESA

MISURA

SALVATAGGIO IN MEMORIA

AGGIORNAMENTO DEL REGISTRO DI

ULTIMO DATO VALIDO

FINE

INIZIO

CONTROLLA IL PRIMO SENSORE

CONTROLLA IL SECONDO SENSORE

CONTROLLA LÕENNESIMO

SENSORE

FINE

Diagramma per un singolo sensore

Diagramma per più sensori

Schema elettrico del sistemaSchema elettrico del sistema

I S O _ G N D

C 12 u 2

Battery

M 1B S H 1 0 3

G N D _ B A TT

B T1C R 1 2 3 A

V _ b a t t

Anti inversione della batteria

Schema elettrico del sistemaSchema elettrico del sistema

I S O _ G N D

I S O _ G N D

I S O _ G N D

TX P o rt

TX

C 6

1 0 0 n

C 7 1 u

C 8 1 u

C 1 11 u

C 1 01 u

C 1 +1

C 1 -3

C 2 +4

C 2 -5

VC

C16

GN

D15

V +2

V -6

R 1 O U T1 2

R 2 O U T9

T1 I N1 1

T2 I N1 0

R 1 I N1 3

R 2 I N8

T1 O U T1 4

T2 O U T7

U 2

M A X 3 2 3 2

R X P o rt

V _ b a t t

TX

594837261

C O N 2

C O N N E C TO R D B 9

Buffer RS232

Schema elettrico del sistemaSchema elettrico del sistema

V _ b a t tV _ b a t t

C 1 2

1 0 0 nC 91 0 0 n

I S O _ G N D

V _ b a t t

R 31 0 0 k

V _ b a t t

I S O _ G N D

R 61 0 k

I S O _ G N D

R 71 0 k

R 2N TC

V _ b a t t

I S O _ G N D

R X P o rt

TX P o rt

S W 1

B 3 S -1 0 0 0 O m ro nC 2

1 0 0 p

C 3

1 0 0 p

Te s t1

V c c2

P 2 . 5 / R o s c3

V s s4

Xo u t5

Xin6

R S T/ N M I7

P 2 . 0 / A C L K / A 08

P 2 . 1 / I N C L K / A 19

P 2 . 2 / TA 0 / A 21 0

P 2 . 3 / TA 1 / A 3 / V re f -1 9

P 2 . 4 / TA 2 / A 4 / V re f +2 0

P 1 . 0 / TA C L K / A D C 1 0 C L K2 1

P 1 . 1 / TA 02 2

P 1 . 2 / TA 12 3

P 1 . 3 / TA 22 4

P 1 . 4 / S M C L K / TC K2 5

P 1 . 5 / TA 0 / TM S2 6

P 1 . 6 / TA 1 / TD I2 7

P 1 . 7 / TA 2 / TD O / TD I2 8

P 3 . 0 / S TE 0 / A 51 1

P 3 . 1 / S I M O 01 2

P 3 . 2 / S O M I 01 3

P 3 . 3 / U C L K 01 4

P 3 . 4 / U TXD 01 5

P 3 . 5 / U R XD 01 6

P 3 . 6 / A 61 7

P 3 . 7 / A 71 8

U 1

M S P 4 3 0 F 1 2 3 2

X1C M 2 0 0 S

C 41 0 0 n

C 51 0 0 n

R 11 0 k

1234567891 01 11 21 31 4

C O N 1

M a le 7 x 2

R e s e t

R e s e t

V _ R e f

V _ R e f

I S O _ G N DI S O _ G N D

I S O _ G N D

I S O _ G N D

I S O _ G N D

V c c8

Te s t7

S C L6

S D A5

A 01

A 12

A 23

G n d4

U 3

2 4 A A 2 5 6

V _ b a t t

I S O _ G N D

R 41 0 k

R 51 0 k

Microcontrollore e memoria

Valutazioni sul consumoValutazioni sul consumo

Consumo dell’ADC durante la misura

Assorbimento dell’ADC = 1,2 mA

Assorbimento del riferimento di tensione = 0,4 mA

Tempo di accensione del riferimento di tensione = 30 uS

Consumo del sistema in fase di accensione

Tempo di acquisizione

Consumo totale nella fase di acquisizione

Assorbimento medio su 10 secondi

nASuSmA 4830)4,02,1(

mSuS 8,16300

uASuASnASmAmS 3928,248)6,18,1(

uASuAS 3,0103

Valutazioni sul consumoValutazioni sul consumo

Consumo della memoria durante la scrittura

Tempo di scrittura = 5 mS

Assorbimento di corrente in scrittura = 3 mA

Consumo in scrittura

Assorbimento medio su 10 secondi

uASmAmS 1535

uASuAS 5,11015

Valutazioni sul consumoValutazioni sul consumo

Consumo del microcontrollore

Consumo del microcontrollore = 350uA

Consumo durante le 1600 operazioni

Assorbimento tipico nei 10 secondi

uASuASuAuS 436,3350)61600(

uASuAS 4,0104

Valutazioni finaliValutazioni finali

Consumo mediodel sistema

Consumo in standby del microcontrollore = 70 uA

Consumo in standby della memoria = 1 uA

Consumo medio totale

Durata teorica con pila al litio di capacita 4Ah

uAuAuAuAuAuAuA 752,737014,05,13,0

anniMSuASAh 6192754

Valutazioni finaliValutazioni finaliDurata della memoria

32KB totali, 2 Byte ogni dato

Con 1 campione ogni 10 secondi

Circa 2 giorni

Con media su 4 campioni presi ogni 10 secondi

Circa 8 giorni

Con media su 8 campioni presi ogni 10 secondi

Circa 16 giorni

Utilizzando le nuove memorie da 1MB

Con 1 campione ogni 10 secondi

Circa 60 giorni

Applicazioni del sistemaApplicazioni del sistema

Sistema di monitoraggio della temperatura Sistema di monitoraggio della temperatura all’interno di terrariall’interno di terrari

Monitoraggio dell’irraggiamento solareMonitoraggio dell’irraggiamento solare Sistemi di monitoraggio su lungo tempoSistemi di monitoraggio su lungo tempo

Fine