RL78 微控制器时实现低功耗的应用示例

本白皮书介绍了在使用 RL78 微控制器时实现低功耗的应用示例。本文简要概述了微控制器的低功耗特性，并附有一些典型应用示例，这些示例将特别关注 RL78 的高能效运行模式、低功耗模式的使用、低速时钟以及一些技术可用于各种设计。

介绍

在过去几年中，对低功耗操作的需求急剧增长。在对提高移动性、便携性、更小尺寸和新功能的渴望的推动下，消费、家庭、工业、办公和医疗市场中的许多电子产品都采用基于电池的低功耗设计来满足全系列的低功耗要求新出现的功率受限应用。

RL78 低功耗特性

瑞萨 RL78 系列 MCU 具有卓越的低功耗特性和特性，使设计人员能够实现高 MCU 处理性能，以及在待机操作模式下的低功耗，以降低平均工作电流并最大限度地延长电池寿命。

应用实例

本应用笔记的其余部分分为几个基于电池的示例设计，重点介绍了 RL78 MCU 系列的特定低功耗特性。每个设计都包括应用示例的简短概述、低功耗/电池寿命要求、低功耗设计技术和/或选项，以及使用选定 RL78 功能的示例实现、由此产生的电流要求、由此产生的电池寿命计算，以及在可能的情况下，简单的竞争比较。

电表

现代电表正从简单的手动读取机械电表发展为更先进的智能电网电表，这些电表提供灵活的监控、通信，甚至从中央系统进行控制。这些高级功能必须在使用尽可能少的功率的情况下实现。在大多数情况下，即使仪表未连接到电源，也需要电池供电来保持实时时钟运行。

电表设计的主要低功耗要求可以按两种主要工作模式进行分组。当电源不可用时，仪表会使用电池供电（电池模式）。它仍然必须准确地跟踪时间和日期，以便基于时间的功能（如可调速率、自动更新和与远程数据收集的定期通信）正常运行。还需要与公用事业公司进行定期的服务质量通信，报告电源状态（开、关、中断、电池电量低），但速度会大大降低以节省电力。电压检测用于识别电源何时恢复并监控电池电量水平。

示例智能电表设计

在此示例中，智能电表设计将侧重于电池操作模式。示例设计的框图如图 1 所示。

RL78/G13 处理器、存储器和外围设备集成了电表的大部分功能。设计中使用的关键外设是用于测量电传感器输出的模数转换器 (ADC)、用于与无线收发器通信并在 LCD 显示屏上显示结果的 SPI 端口、实时时钟 ( RTC) 用于准确跟踪每次测量的时间，而低电压检测器 (LVD) 用于监控电池电压。

功能描述 – 电池工作模式

为了估算示例设计的功耗和电池寿命，确定 MCU 需要执行的主要功能非常重要。一些外设，如 RTC 和 LVD，需要一直运行，而其他外设，如 ADC 或 SPI 端口，将只在一小部分时间内运行。本示例设计中的关键功能描述如下。

电池监视器

功率监视器

发送更新

接收更新

实现选项和低功耗设计技术

在为基于低功耗 MCU 的系统设计程序时，通常有几种可能的实现选项。一种常见的编程选项是将系统置于低功耗模式并以固定时间间隔唤醒系统 - 定期唤醒。

在我们的示例设计中使用周期性唤醒方法，我们将每秒唤醒一次 CPU，然后执行发送更新功能（每 10 分钟间隔）、电源监视器（每 1 分钟间隔）或电池监视器（每 1 秒间隔）。请注意，所有三个函数都以每 10 分钟的间隔执行一次。接收更新功能是周期性操作规则的例外，因为它与 MCU 的时基异步（在中央控制请求时执行）。在电池运行模式下，接收更新函数大约每小时从中央控制发送一次，因此对于我们的功率计算，可以将其视为间隔 1 小时的常规函数​​。

竞争比较

总平均电流的设计主要组成部分是 RUN 模式电流消耗和 STOP 模式电流消耗。通过查看其他制造商设备在这些模式下的电流消耗，我们可以了解 RL78/G13 的比较情况。

遥控

遥控器设计的低功耗要求都与电池寿命有关。应用程序在活动模式下花费的时间和在低功耗模式下花费的时间以及相应的电流消耗将决定电池寿命。在低功耗模式下，设备等待来自 RTC（更新显示屏上的时间）来自键盘（响应按下的按钮）或来自低电池电量指示的中断。

远程控制设计示例

遥控器将使用 RL78/G14 设备作为主控制器，并带有外部面向段的显示器、键盘和射频收发器。示例设计的框图如图 2 所示。

在此示例设计中，我们将查看两种不同的软件实现，以了解哪种方法可延长电池寿命。在一种实现中，CPU 将唤醒到低频操作状态，而在另一种实现中，CPU 将唤醒到全速模式。我们将确定在哪个点上电流消耗较高，但较快处理模式的活动时间减少会导致平均电流低于较慢但使用较低工作频率的电流消耗较少的点。

示例火警设计

在本示例设计中，RL78/G13 MCU 将控制警报的所有功能。该设计的框图如图 3 所示。

RL78/G13 处理器、内存和外围设备集成了大部分报警功能。设计中使用的关键外设是用于测量环境传感器输出的模数转换器 (ADC)、用于与系统复位通信的 UART 端口、实时时钟 (RTC)用于准确跟踪时间和用于监控电池电压的低电压检测器 (LVD)。