如何利用微控制器待机功能，降低传感器系统功耗

在工业工厂和厂房中，希望降低环境传感器系统的维护成本时，可以通过降低传感器功耗来实现。本文描述如何利用微控制器的待机功能来降低传感器系统的功耗。具体来说，就是将传感器测量的频度降低，让系统尽可能长时间保持在待机状态。除此之外，还能在保持该状态的同时，执行异常检测。瑞萨电子的16位微控制器芯片RL78/G11，提供了许多在待机模式下可用的外围功能。通过这些功能的适当组合，不必让芯片跳出待机模式，就可以实现异常检测和警报输出。

制造业中的工厂和厂房，需要大量的环境传感器来监控诸如振动、气体的存在、温度、采光、粉尘等方面的信息。如今，这些任务通常会整合在系统中，再透过这套系统，持续收集大量的传感器数据，并应用AI（人工智能）式的分析方法，以及早发现可能会影响制造，并导致故障的任何变化（预防性故障诊断和维护）。

在这种系统中使用的传感器，其安装可能受到空间 限制，而难以连接电源布线的位置，有时还必须在制造设备停止运作时收集数据。因此，这种传感器经常由独立的电池式电源供电。必须的电池更换频度，会影响工厂的维护成本。如果只有少数传感器，就不会造成严重 问题，但对于具有数十个或数百个传感器的系统，更换电池所需的人工成本和时间，就成为重要的考虑因素。当考虑到降低电池更换频度时，降低环境传感器的功耗，即为一种有效的方法（图1）。

图1 与环境传感器相关的维护成本

本文描述了如何利用微控制器的待机功能，来降低传感器系统的功耗。

所使用的微控制器是瑞萨电子的16位RL78/G11芯片，专为传感器应用、小型家电和类似设备而设计。

在降低量测频率时，考虑适当的异常检测方法用来生产精密零件的制造厂房的系统范例，可以用作环境传感器应用的范例（图2）。这里的目标，是借着减少传感器系统的电流消耗来降低电池更换频率。为了能更清楚明白，以下的说明专注在粉尘传感器的控制，当作代表性的范例。

图2 精密零件厂房的环境传感器系统

在精密零件的制造上，空气中的粉尘、烟雾、悬浮颗粒等，都会影响产量。为了控制好这部分，入口处会有空气浴尘室用于人员的清洁，整间厂房的粉尘传感器，则用于监测粉尘颗粒的浓度。空气清净机的运转率，通常根据测量的浓度值升高或降低。

当厂房的运作正常时，粉尘浓度通常不会有较大的波动。借着在这种条件下降低测量频率，可以降低粉尘传感器的功耗。例如，透过每十秒，而不是每秒一次执行量测，功耗可以减少到十分之一。

反之，如果厂房的运作偏离稳定状态，则粉尘浓度可能异常增加。在这种情况下，需要增加空气清净机的运转率，但要等到粉尘浓度下降，可能仍需要一些时间。如果生产设备继续在高浓度的粉尘下运转，设备可能会被污染并需要清洁。因此，当粉尘异常增加时，必须立即停止厂房的生产设备。因此，用于检测异常和系统控制的合适方法，必须好好的来思考。第一步，是配置用于检测异常情况的系统。接下来，必须确保在异常检测的情况下所需的处理步骤（例如输出警报讯号）可以平稳且快速地执行。

这可以总结如下。粉尘传感器系统需要：

(1) 降低测量的频率

(2) 有能力检测出异常情况

(3) 在检测到异常的情况下，就可启动系统控制。

外围功能对传感器处理很有用

在解释如何实现这种控制系统之前，在此有一些关于RL78/G11芯片的信息（以下简称为G11）。该产品是瑞萨电子的RL78系列微控制器的一部分（见图3）。其特点，是在提供适用于电压测量、增强型模拟数字转换外围功能等的应用。举例来说，这些功能可用于控制传感 器的集线器和工业传感器、电池模块、电动工具、测量仪器、厨房用具、吸尘器、美容用具、空调风扇、通风设备等。

图3 RL78系列路线图

G11包含四种类型的定时器，以及串行通讯功能、一组比较器、可编程增益放大器(PGA)、10位A/D转换器和8位D/A转换器等。以下进一步说明的是，在CPU停止时，G11的许多外围功能模块仍然可以在待机模式下运行。

G11的电源电压范围为 1.6 V 至 5.5 V，包含三个振荡器，用于生成工作时钟信号。G11有四种闪存操作模式（flash operation mode），可优化内部电路的工作电压、工作时序和工作电流。通过选择合适的模式，并根据电源电压范围，以及要使用的时钟频率，可以尽可能有效地降低微控制器的电流消耗（图 4）。

图 4 RL78/G11的闪存操作模式 在待机模式下也能使用定时器进行间歇操作

要实现的第一个方向，是降低传感器测量的频度。利用微控制器的待机（standby）功能，间歇地操作粉尘传感器，可以实现即只在测量粉尘浓度时，唤醒微控制器的CPU，并在其他时间将其保持在待机状态（图5）。这里的待机状态应该理解为电流消耗减少了，但可以快速返回到正常状态（可以执行粉尘浓度测量）的那种状态。

图5 使用待机状态降低测量频度