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Beim Design neuer elektronischer Geräte sind oft Kompromisse nötig. Die Kosten stehen häufig im Widerspruch zur Leistung. In kostensensiblen Märkten, wie z. B. bei Verbraucherprodukten, ist die Auswahl des Mikrocontrollers oder Mikroprozessors die vielleicht wichtigste Entscheidung, denn er ist das Herzstück des Embedded-Systems und hat entscheidenden Einfluss auf die Leistung. Dabei gibt es oft konkurrierende Systemeigenschaften, die sich auf die Gesamtleistung eines Embedded-Systems auswirken können. In diesem Beitrag werden wir uns mit den folgenden Aspekten befassen:

• Batterielebensdauer
• Reaktionsfähigkeit
• Thermische Leistung
• Reichweite und Übertragungsgeschwindigkeit von Wireless-Signalen
• Funktionen, die von externen Peripheriekomponenten bereitgestellt werden

Stromsparendes Design ist entscheidend für batteriebetriebene Geräte oder Geräte, die auf Energy Harvesting-Technologien angewiesen sind. Daher sollte man sich zunächst einige Fragen stellen:

• Wie gut ist das Gerät für die Wartung vor Ort zugänglich? Können die Batterien ausgetauscht werden?
• Wie sieht die Betriebsumgebung aus (Temperatur, Feuchtigkeit, Sonneneinstrahlung, Chemikalien usw.)?
• Wie groß dürfen die Abmessungen und das Gewicht sein?
• Welche Art von Kommunikation wird benötigt? Wie häufig müssen Telemetriedaten übertragen werden?
• Wie viele externe Komponenten (Sensoren, Aktuatoren) werden voraussichtlich mit unserem Gerät interagieren? Welche Schnittstellen gibt es?

Wenn die allgemeinen Anforderungen geklärt sind, sollte ein ungefähres Budget für Strom aufgestellt werden. Zunächst können alle Stromaufnahmen der externen Geräte addiert werden. Danach sollte man sich die möglichen Mikrocontroller/Mikroprozessoren ansehen, die die funktionalen Anforderungen erfüllen, und ihre Effizienz bestimmen. In der Regel wird in einer Spezifikation die Effizienz in Form von uA pro Hz der Taktfrequenz angegeben. Wenn man sich im Vorfeld die Zeit nimmt, die richtige MCU/MPU zu recherchieren und in Bezug auf Funktionalität und Leistung auszuwählen, kann man die Anforderungen an einen niedrigen Stromverbrauch eines Designs sehr gut erfüllen. Nachdem wir den erwarteten Stromverbrauch im Betrieb und im Leerlauf ermittelt haben, können wir die verschiedenen Batterieoptionen durchrechnen, um abzuschätzen, wie lange die Batteriekapazität reichen wird. Die Auswahl der richtigen Batteriechemie ist bei dieser Überlegung von entscheidender Bedeutung. Nickel-Cadmium (NiCd)- und Nickel-Metallhydrid (NiMH)-Batterien haben bei kalter Witterung beispielsweise eine schlechtere Lebensdauer.

Nachdem die allgemeinen Fragen auf Architekturebene geklärt sind, sollte man sich nun auf die Überlegungen auf Designebene konzentrieren, um den Stromverbrauch eines Embedded-Systems zu optimieren. Einige Faustregeln, die sowohl für die Hardware als auch für die Firmware zu beachten sind, lauten:

• Wählen Sie eine möglichst niedrige Betriebsspannung. Lange Zeit waren 5 V die Norm, dann 3,3 V. Heute sind 2,7 V und 1,8 V als Betriebs- und Speicherspannungen keine Seltenheit mehr. Einige Embedded-Komponenten auf dem Markt kommen sogar mit bis zu 0,9 V aus.
• Die Taktrate des Kerns sollte so niedrig wie möglich sein, ohne die Leistung zu beeinträchtigen.
• Abgesehen von der kleinstmöglichen Betriebsspannung sollten die Komponenten mit der gleichen Betriebsspannung gewählt werden, um den Bedarf an DC-DC-Wandlern und das Routing mehrerer Stromschienen zu vermeiden.
• Vorsicht bei LEDs und Flüssigkristallanzeigen (LCDs)! Sie sind zwar hübsch anzusehen und können zusätzliche Funktionen bieten, aber sie können (im Verhältnis zu ihrem Nutzen) sehr stromhungrig sein. Setzen Sie LEDs mit Bedacht ein. Wenn ein LCD benötigt wird, sollte der Benutzer die Möglichkeit haben, die Helligkeit einzustellen.
• Die Topographie der Schaltung und die Auswahl der Komponenten können erhebliche Auswirkungen auf Ihr Strombudget haben. Spannungsteiler, Pull-up- und Pull-down-Widerstände sind zwar notwendig, können aber Strom verbrauchen. Wenn sie notwendig sind, sollten sie so dimensioniert werden, dass sie sowohl effektiv als auch effizient sind.
• Peripheriegeräte sollten nicht einfach fest verdrahtet werden, damit sie ständig aktiviert sind. Stattdessen sollte ein GPIO-Pin der MCU vorgesehen werden, über den die Firmware die Peripheriegeräte nach Bedarf ein- und ausschalten kann.
• Verzögerungen oder ständiges Abfragen von Sensoren im Code sind zu vermeiden, da dies zu unnötigen Taktzyklen führt, die funktional nichts bewirken, aber dennoch Energie verbrauchen. Stattdessen sollten Taskplaner und Interrupts verwendet werden.
• Das gewählte Kommunikationsprotokoll muss auf die zu überbrückende Entfernung abgestimmt sein und darf diese nicht überschreiten. ZigBee^® ist z. B. effizienter als BLUETOOTH^®. Funkmodule sollten ausgeschaltet werden, wenn sie nicht benötigt werden. Allerdings sollte auch die Zeit berücksichtigt werden, die zum Einschalten des Funkmoduls benötigt wird. Bei Applikationen mit geringem Stromverbrauch und niedriger Datenrate sollte dies kein großes Problem darstellen.
• GPIO-Pins nicht potentialfrei lassen.
• GPIO-Pins mit internen Pull-ups sollten NICHT aktiviert werden, wenn sie nicht benötigt werden.
• Die Taktrate von Kommunikationsbussen wie I²C und SPI sollte reduziert werden.
• Der Widerstand und der Kondensator, die bei der Analog-Digital-Wandlung verwendet werden, können sehr viel Strom verbrauchen. Die Frequenz der ADC-Messungen sollte reduziert und das R-C-Netzwerk zwischen den Messungen abgeschaltet werden. Allerdings müssen die Kondensatoren ausreichend Zeit haben, um sich wieder aufzuladen, bevor sie gemessen werden.

Die Optimierung eines Designs im Hinblick auf den Stromverbrauch spart nicht nur Batterielebensdauer. Weniger Stromverbrauch bedeutet weniger Wärme. Das erhöht die Zuverlässigkeit und verringert das Risiko von hitzebedingten Ausfällen. Abschließend sollte das Design unbedingt überprüft werden. Ganz gleich, ob preiswerte USB-Strommessgeräte, Multimeter, Jouleskope oder Energieanalysatoren verwendet werden: Für die Ermittlung des Stromverbrauchs eines Geräts sollte man sich die Zeit nehmen, sowohl im Labor als auch unter realen Bedingungen. Zur Vereinfachung sollten auf der Leiterplatte Messpunkte vorgesehen werden, an denen Strom und Spannung gemessen werden können.