Texas Instruments занимает лидирующие позиции во многих сегментах рынка полупроводниковой продукции. Следуя традиции, компания сама разрабатывает примеры применения своих электронных компонентов и публикует материалы на своем сайте: теория, схемы, референс-дизайны, обучающее видео и т.д. Там же продаются электронные компоненты и готовые платы (комплекты разработчиков и инструменты). Также TI имеет собственный форум e2e.ti.com и поддерживается сторонний ресурс www.43oh.com для инженеров-разработчиков и просто любителей. Активно ведет работу со школами и колледжами, обучая программированию микроконтроллеров даже младшеклассников.Тем не менее, наши любители мало знакомы с примечательной продукцией этой компании. Скорее всего, это связано с ценой и почти отсутствием материалов на русском языке, что ограничивает аудиторию любителей, познакомившихся с полупроводниковой продукцией от TI. Также есть один неприятный нюанс – некоторые вещи не пропустит таможня РФ, а другие не экспортируются из США в РФ (и это не последствия недавних санкций — «так было»). Тем не менее есть способы приобрести необходимое.
Этой статьей я хочу обратить внимание любителей-разработчиков на решения TI, в частности, применимые для умного дома. Ряд опубликованных статей на GT об умном доме могли бы позаимствовать некоторые интересные решения. Например, опубликованная avs24rus статья Беспроводный Lighting-Sensor с питанием от CR2450, вызвала, запомнившееся мне, обсуждение в комментариях: «Как сделать так, чтобы датчик «поставить и забыть» на улице в условиях экстремальных минусовых температур? Аккумулятор, солнечная батарея, ионистор?
Предлагаю познакомиться с решением этой проблемы от TI на примере референс-дизайна TIDA-00484 TI Design: Датчик влажности и температуры на электронных компонентах TI может работать от популярного литиевого миниатюрного элемента питания CR2032 более 10 лет в диапазоне –30°C… 60°C, что ограничено рабочим диапазоном CR2032, а не электронных компонент для коих этот диапазон равен –40°C… 85°C (для элемента питания BR2032 рабочий диапазон -30… 85 °C).
TIDA-00484 TI Design:
Пойдем от общего к частному. И сначала характеристики TIDA-00484 TI Design:
| Параметры | Описание |
| Источник питания | CR2032 (емкость 240 мАч) |
| Тип датчика | Влажность и температура |
| Точность измерения температуры | ± 0,2°C |
| Точность измерения относительной влажности | ± 3% |
| Интервал измерения | Одно измерение в минуту |
| Среднее потребление во включенном состоянии | 3,376 мА |
| Время во включенном состоянии | 0,03 секунд |
| Среднее потребление в состоянии покоя | 269,75 нА |
| Время в состоянии покоя | 59,97 секунд |
| Расчетное время работы от источника питания | 11,90 лет |
| Диапазон рабочих температур | от –30°C до 60°C (ограничено диапазоном рабочих температур для CR2032) |
| Условия работы | Внутри и вне помещений |
| Размер | 3,81 см ? 7,62 см |
Определимся с временем работы от автономного источника питания. Система может находится в двух состояниях: во включенном и в выключенном. Продолжительность и средний ток каждого состояния являются факторами, определяющими общую продолжительность работы от источника питания. Расчет времени производится по следующей формуле:
где
- Battery life, расчетное время работы от источника питания в годах
- Battery capacity, ёмкость источника питания в мАч
А основными параметрами, которые влияют на расчетный срок автономной работы всей системы являются:
- Среднее потребление во включенном состоянии, ION, в mA
- Время во включенном состоянии, TON, в секундах
- Среднее потребление в состоянии покоя, IOFF, в нА
- Время в состоянии покоя, TOFF, в секундах
Battery capacity, mAh
B9=240
I on, mA
B10=3,376
T on, s
B11= 0,03
I off, nA
B12=269,75
T off, s
B13= 59,97
Battery life, лет
=B9/((B10*B11+B12*B13*0,000001)/(B11+B13))*0,85/8760
Battery life получилось 11,89
TOFF, полностью контролируется конечным пользователем т.к. в данном случае система для измерений просыпается каждую минуту и TOFF = 1 минута – TON. На минимальное время TON почти не может влиять пользователь т.к. оно определяется временем необходимым для включения системы, выполнения измерения, передачи радиопакета и выключения системы.
IOFF определяется как средний ток, потребляемый от батареи в выключенном состоянии. Этот ток обычно определяется в основном током утечки через конденсаторы и рабочий ток датчиков и систем микроконтроллера, обеспечивающих спящих режим. Микроконтроллеры Texas Instruments давно известны сверхнизкой потребляемой мощностью, к которой конкуренты только приближаются, тем не менее даже такой рекордной экономичности не хватает для работы устройства от элемента CR2032 в течении 10 лет. В данном референс-дизайне разработан метод измерения относительной влажности окружающего воздуха и температуры, достигающий чрезвычайно долгий срок службы элемента питания за счет использования таймера в рабочем цикле устройства.
На следующем графике отображены два метода организации рабочего цикла устройства — с использованием обычного спящего режима микропроцессора (красный) и системного таймера (синий). Черная пунктирная линия — заявленный производителем CR2032 срок службы 10 лет.
Референс-дизайн предназначен для использования в:
- Промышленности
- Интернет вещей (IoT)
- Автоматика зданий
- Охранные системы
- Датчики вентиляции и кондиционирования
- Умные Термостаты
- Системы с батарейным питанием
Посмотрим за счет чего получается рекордная экономичность этого прототипа устройства. Устройство построено с использованием следующих компонент:
| Компонент | Описание |
| TPS61291 | Повышающий DC-DC преобразователь напряжения с режимом bypass |
| TPL5111 | Системный таймер |
| TPS22860 | Выключатель нагрузки |
| HDC1000 | Датчик влажности и температуры |
| CC1310 | «Беспроводной контроллер» |
CC1310 – многоядерная однокристальные система, бюджетный энергоэффективый беспроводной контроллер, оптимизированных для операций в субгигагерцевом диапазоне. Высокопроизводительный трансивер управляется выделенным процессорным ядром Cortex-M0, выполняющим прошитые в его ROM низкоуровневые протоколы.
Протоколы верхнего уровня выполняются на отдельном 32-битном процессорном ядре Cortex-M3 с тактовой частотой до 48 МГц. Опрос датчиков проводится независимым микромощным контроллером (16-разрядный RISC-процессор, способный работать на частотах от 32 кГц, пока остальная система находится в спящем режиме или режиме ожидания), который может работать и с аналоговыми, и с цифровыми датчиками.
Контроллерное ядро Cortex M3 имеет богатый набор периферийных устройств и содержит:
- датчик температуры;
- четыре таймерных модуля общего назначения (2x16- или 1x32 бит с режимом ШИМ);
- 8-канальный 12-битный АЦП (до 200 квыб/с);
- сторожевой таймер;
- аналоговый компаратор;
- UART, I2C;
- три SPI (один из них – микромощный);
- — AES-модуль;
- — 10...31 линий ввода-вывода (в зависимости от текущей конфигурации и корпуса);
- — поддержку до восьми емкостных кнопок
| Параметр | |
| Диапазон частот и поддерживаемые типы модуляции |
Sub 1 GHz: MSK, FSK, GFSK, OOK, ASK, 4GFSK, CPM (shaped 8 FSK) |
| Поддерживаемые протоколы | Сети топологии «звезда»:WMBUS, SimpliciTI |
| Flash, кБайт | 128 |
| RAM, кБайт | 20 |
| Напряжение питания, В | 1,65...3,8 |
| Температурный диапазон, °C | 40...85 |
| Чувствительность 2,4 Кбит/с, дБм | -121 |
| Чувствительность 50 Кбит/с, дБм | -111 |
| Максимальная выходная мощность при 868 МГц, дБм | 15 |
| Максимальная ширина полосы пропускания на приеме, кГц | 400 |
| Минимальная ширина полосы пропускания на приеме, кГц | 40 |
| Скорость передачи данных, кМбит/с | до 4 |
| Энергопотребление |
|
| Техпроцесс | 65 нм |
Использование наномощного таймера TPL5111 дает очевидное преимущество т.к. фактически к окончанию срока службы элемента питания можно заменить всё устройство, например при запланированном ремонте помещений, обслуживании или модернизации оборудования. Если для умного дома редко нужно более двух таких устройств (внешний и внутренний), то в случае объектов промышленности, зданий и систем вентиляции, таких датчиков будет намного больше и их периодическое обслуживание может выйти в серьезные расходы.
Если рассчитать по формуле выше, то полученный результат будет равен 6,75 лет.
Описание рабочего цикла намного короче описания конструкции и его характеристик.
Во включенном состоянии, по истечении определенного интервала, таймер TPL5111 подает питание на повышающий преобразователь TPS61291, который поднимает выходное напряжение до 3,3 вольт и на выключатель нагрузки TPS22860, соединяющей повышенное выходное напряжение с остальными частями системы. После появления питающего напряжения, CC1310 по I2C получает текущую температуру и относительную влажность с датчика HDC1000, затем передает «безсоединяемый» пакет данных с этой информацией (т.е. без инициализации и установки соединения с каким-либо узлом сети), а затем сигнализирует на TPL5111 о том, что система может быть отключена.
В выключенном состоянии выключатель нагрузки TPS22860 полностью отключает часть системы (CC1310 и HDC1000 устройств) от литиевой батареи. Единственными потребителями тока от литиевой батареи являются токи перезарядки и утечки конденсатора у литиевой батареи, рабочий ток таймера TPL5111, ток покоя TPS61291 в режим байпаса, и ток утечки в переключателе нагрузки TPS22860.
График тока потребления от элемента питания при включении системы.
График тока потребления от элемента питания во выключенном состоянии системы. Логарифмические шкалы.
Подобный рабочий цикл можно применить в других устройствах, например, некие датчики протечки воды, датчики открытия-закрытия дверей и т.п. где информация не требуются в реальном времени, а проблема питания устройства имеет приоритет.
Подробно с референс-дизайном можно познакомиться в документации на сайте TI:
- TIDA-00484. Humidity & Temp Sensor Node for Sub-1GHz Star Networks Enabling 10+ Year Coin Cell Battery Life
- TIDA-00374. TI Designs Humidity and Temperature Sensor Node for Sub-1GHz Star Networks Enabling 10+ Year Coin Cell Battery Life
- Taking power to a new low with the SimpleLink ULP wireless MCU platform
Комментарии (58)
Celtis
15.12.2016 16:03Простите, это перевод или Ваш личный опыт?
Если Ваш, меня очень заинтересовал один момент: как Вам удалось добиться TON = 30 мс?
Ведь судя по даташиту на hdc1000 ему для старта нужно 15 мс, еще по 4 мс для кодирования температуры и влажности и еще сколько-то на передачу в контроллер по I2C. И это мы еще даже не начинали подключение и передачу по радиоканалу…
А ведь именно этот параметр напрямую влияет на время жизни от батарейки.
andreykorol
16.12.2016 13:09+1Кажется это укороченный вариант данной статьи
Rumlin
16.12.2016 13:11+1Не так, обе статьи избранный перевод документации TI.
Документация более объемна, содержит графики и осциллограммы описывающие подробно все нюансы рабочего цикла референса
Celtis
16.12.2016 21:21Спасибо! Статья по Вашей ссылке действительно познавательнее.
В частности, нашел график, который частично отвечает на мой вопрос.
Потребление во время активной фазы.
GarryC
15.12.2016 17:13+4Мне почему то кажется, что определяющим будет ток саморазряда батарейки в означенном температурном диапазоне.
uSasha
16.12.2016 10:48+2Совершенно верно, более того, в устройствах типа «10 лет от CR2032» много магии, вроде токов утечки через фиговые конденсаторы и тп.
Rumlin
17.12.2016 09:31-1Документация очень подробно описывает все нюансы (промышленная электроника же).
Due to the nature of CR2032 lithium-ion coin cell battery chemistry, the output voltage can drop slightly
(tens to hundreds of millivolts) at lower temperatures. However, if all components in the system work
throughout the lifetime operating voltage of the coin cell, this output voltage drop should not be an issue
for proper operation.
Выходное напряжение, из-за химических особенностей элемента питания, при низких температурах немного снижается на десятки — сотни милливольт. Однако это снижение напряжения не влияет на правильную работу устройства.
segment
15.12.2016 17:34А где данные о пиковом токе потребления при обработке и отправке данных? У CR2032 рекомендованный пиковый ток около 4-12 мА. Потребление HDC1000 около 200 мкА, однако его heater потребляет уже 7.6 мА. То есть в данном устройстве его уже не задействовать. Получается при долгом пребывании при высокой влажности датчик может накопить ошибку. Ладно, возможно, это здесь и не нужно. Далее смотрим на CC1310, у него в спецификации указано потребление около 5-13 мА для беспроводной передачи RX/TX. Сама периферия тоже кушает суммарно несколько мА. Передача займет около 5-10 мс. И кто отдаст такой ток?
MyFearGear
15.12.2016 18:34+1конденсатор?
segment
15.12.2016 18:49Так для его зарядки потребуется время. Держать его заряженным? Я возможно что-то упустил, раз у них все прекрасно работает.
VT100
15.12.2016 22:37+2Именно конденсатор, 1 * 100 мкФ подписанный как "Reservoir Capacitors" (место на плате предусмотрено на 3 штуки). У них-же — есть app. note под заголовком «Coin Cells And Peak Current Draw», квинтэссенция — «К литий-марганцевым элементам обязательно конденсаторов побольше и будет счастье».
И довольно комично выглядят фраза «Микроконтроллеры Texas Instruments давно известны сверхнизкой потребляемой мощностью, к которой конкуренты только приближаются» рядом с указанием на использование внешнего нанопотребляющего таймера.
P.S. Автор привёл ссылку на отладочную плату с другим номером — там вообще на 6 конденсатров разводка сделана.
Упомянутая в статье плата №484.segment
16.12.2016 00:09Заглянул в схему, да, там емкостей прилично. Ток утечки не знаю какой конкретно в этом решении, да и может быть им можно пренебречь. Так что ток схема получит требуемый. Для меня остается неясным в этой схеме пиковый ток при заряде самих конденсаторов. Как таблетка выдаст 15 мА? Точнее она его, возможно, выдаст, но как это повлияет на ее характеристики?
VT100
16.12.2016 23:06Ну и выдаст, как-нибудь, при первом включении. А при остальных — большую часть пиков возьмут на себя конденсаторы.
Rumlin
16.12.2016 11:31Смысл фразы «конкуренты только приближаются» — результаты хорошие, но уже не выдающиеся, и можно еще сильнее оторваться от конкурентов, если использовать наномощный таймер.
5ap
15.12.2016 17:36Мечтаю об миниатюрном программируемом модуле аля микро-ардуино лов павер. Чтобы можно было добрасывать датчики и чтобы это всё жило долго без подзарядки. 10 лет это уже сильно, но вот хотябы несколько месяцев и в компактном виде и чтобы могло отправлять на какойто контрольный девайс.
Я делал на чистом микроконтроллере, но там явно не хватает толковой обвязки, таймера по типу как в статье и тп.
Вот есть например mini-a8 прослушка с sim картой. Туда бы закодить свою логику, да подконектить пару датчиков, да сделать таймер включения и всё это в таком же компактном виде — цены бы ему не было.
Хочется публичную платформу на красивой плате с хотябы мизерным комунити.
Не подскажите куда смотреть?stml
15.12.2016 20:08+1http://www.panstamp.com/
Программируется из Arduino IDE.
Много всяких интеграций.
Там есть 2 варианта: один на СС430 — SoC от TI, а другой: связка CC1101 + Atmega328p.
Ну и вообще там много всякого интересного, например модуль с усилителем для большей дальности.
arheops
15.12.2016 22:20Описанный тут таймер+esp2866 вполне достаточен. Повышающий элемент для DUI лишний, проще две батарейки поставить или конденсатор с солнечной батарей(дешевле будет в малых партиях).
igrushkin
16.12.2016 11:30+2esp8266 жрет как слон, поэтому для работы от батареек практически не подходит + подглючивает при выходе из deep sleep
PROCODER
17.12.2016 15:31Режим сна прекрасно решает проблему как всегда, даже с питанием от ионисторов и подпиткой от солнечной панели, а подглючивает потому как правильную обвязку с питанием и резетом следует делать с монитором напряжения http://raxp2.blogspot.com/2016/10/esp8266-wi-fi.html
igrushkin
17.12.2016 20:09+1Те я правильно понимаю, что у Вас ESP8266 может проработать от 2хААА хотя бы полгода, посылая данные, скажем, раз в 5 мин?
PROCODER
18.12.2016 13:051- ААА типоразмер, а не емкость
2- даже если задаться емкостью 1000 мА*час и формулой выше, будет не более 3 месяцев
3- у меня не батарейки, а ионисторы ввиду жестких климатических условий да плюс их подзарядка от солнца, потому вопрос некорректен.igrushkin
18.12.2016 14:23Вы оспорили тезис о том, что ESP не походит для работы от батареек. По факту, не привели никаких доказательств и ушли в софистику.
PROCODER
18.12.2016 16:26В софистику ушли вы изначально, задав исходные данные в виде типоразмера, а не емкости. Не находите странным?
Вы хотели полгода, оки, 2А*час и будет вам полгода. Доказательства? Формула выше и моя ссылка на вечный Wi-Fi логгер с его логами в сервисе умных вещей и твиттере.igrushkin
18.12.2016 16:31Было очевидным, что имелась в виду типичная емкость типоразмера ааа, те 900-1000mah. Да возьмём даже 2000mah, хотя я не встречал ааа такой емкости. Ок.
Проработает Ваш прибор от 2000mah 6 месяцев, выдавая данные раз в 5 мин?PROCODER
18.12.2016 16:42Если вы хотите технических четких данных, то потрудитесь предоставить четкие исходные данные. Типоразмер ААА не очевидно определяет емкость, ибо типичные емкости от 500 до 1000 мА*час. Так что прекратите уже ля-ля.
PROCODER
18.12.2016 16:40+1тайм-ап системы по моим логам ~660 мс, время на сон ~300-0.66=299.34 сек, токопотребление ESP в пиковом режиме 145 мА в режиме передачи в стандарте 802.11g, в спящем режиме 10 мкА.
Итого для батареек емкостью 2000 мА*час: Tлет = 0.85*2000/(8760*(145*0.66 + 0.01*299.34)/300)~ 0.69 лет. Так что батарейки по емкости вполне применимы. Однако ввиду климатики, не всякие подойдут, греть их энергии лишней нет, потому ионисторы. Это практика и факты.igrushkin
18.12.2016 16:56Извините, но не верю. Или Вы единственный, кто смог приручить esp8266. Больше ни у кого он так мало в режиме сна не потребляет.
Или потребляет, но быстро глючить начинает. Больше похоже на теоретические изыскания.
Для примера, у меня atmega328 ест 5мка в режиме глубоко снаPROCODER
18.12.2016 17:40Станиславский? Оки, поищем фото замеров.
Что до остальных, вот например у http://kirill1985.ru/elektro/3366-esp8266-sleep.html 78 мкА, с учетом данных выше все равно будет почти полгода, 0.489 лет.PROCODER
18.12.2016 17:44+1подобные разбеги по потреблению скорее связаны с технологическим разбросом и токами утечки, тех же емкостей.
igrushkin
16.12.2016 11:25mysensors.org и посмотрите их плату microbender
У меня датчик на bme280 имеет прогнозируемое время работы более 2 лет
Shamrel
15.12.2016 18:03+1Все таки TI — это прежде всего промышленный сегмент. Надежно, но дорого.
armature_current
16.12.2016 11:25Это точно! SoC c радиомодулями от TI очень вкусно выглядят, но их цена в 2 раза выше, чем NORDIC + STM8L, например. Да и если прикинуть, то автономность устройства на 10 лет представляется сомнительной необходимостью. Скорее всего, через 2 года уже будет выгоднее использовать новые технические решения, чем вести поддержку 10-летних устройств.
dernuss
16.12.2016 15:05+1есть ещё silabs (например si106x)
10 лет вполне нормальный срок, а 2 года маленький.
Но если есть возможность сменить батарейку через 2 года, это очень хорошо.
alexhott
15.12.2016 20:55+1Там где аналогов нет или мало, патент никому не продают, — там дорого.
В сегменте где есть конкуренция — теже цены.
dernuss
15.12.2016 21:01Чип СС1310 очень перспективный. До документация и поддержка ТИ плохая.
SmartRF Studio например не поддерживает все настройки скорости, а именно нет высоких скоростей 4mbps.
Мало примеров, например не хватает примеров с i2s.
arheops
15.12.2016 22:15+1А сколько это референсное решение стоит? обычно у TI все стоит настолько негуманно, что дешевле батарейки раз в год менять.
Rumlin
16.12.2016 11:39референс и вообще готовые платы, кроме «студенческих» дорогие, но они выкладывают все доки — схемы, печатные платы — «изготавливай сам или закажи где-то еще». Единственное что в РФ их микросхемы еще дороже чем при заказе из США. Плюс некоторые нельзя заказать — или санкции или российская таможня не пустит.
trapwalker
15.12.2016 22:38А самое главное в статье и не упомянули, вроде как. Цена-то какая? Так-то замечательная железка, дайте две, а ещё хочется такой же датчик освещенности, датчик протечки, сухой контакт и выключатель с диммированием (причем не только принимающий, но и отправляющий уровень и сигналы нажатий).
В принципе со всем этим комплектом можно уже сделать чуточку более смышлёным любой дом или квартиру даже без специального ремонта и проводки.
Почему китайцы массово не выпускают простые выключатели-кнопки (с управлением и обратной связью по wifi) устанавливающиеся вместо обычного — загадка для меня. Неужели они не пользовались бы спросом? С питанием там проблемы, вроде, нет. Где всё это счастье?
Эх. накипело.igrushkin
16.12.2016 11:32sonoff пытается. а с питанием там как раз большие проблемы, земли то, как правило, нет, только фаза
trapwalker
20.12.2016 14:35А через лампочку нельзя получать питание? Ставим последовательно с лампочкой шунт и берем с него питание при включенной цепи, а при отключенной становимся в разрыв и берем небольшой ток через ласпочку. Чтобы лампочка не моргала можно шунтировать ее высокоомным резистором. Не уверен, что так можно, но почему бы нет?
lzb_j77
16.12.2016 10:02Делали у нас прибор на ЦЦ1310. Кривовато получилось. Непонятно, правда, чья вина — двухслойной платы или программиста или ревизии микросхемы :)
А так сама задумка ЦЦ1310 довольно интересная — умеет много, ест мало, в окружении неприхотлива.
BurlakovSG
16.12.2016 10:13А для чего использовать TPS22860? Или когда на TPS61291 в режиме байпаса на выходе всё равно есть напряжение?
Rumlin
16.12.2016 11:51TPS22860 — ключ со сверхмалым током утечки. Отключает от батареи и TPS61291 нагрузку — микроконтроллер и датчик. Байпас — это питание таймера.
Maxgook
16.12.2016 11:26Протоколы WMBUS и SimpliciTI не поддерживают CC1310, по крайней мере из коробки. Зато этот чип поддерживает TI-15.4 Stack, а еще на его основе можно построить и ячеистую сеть, не только «звезду».
Rumlin
16.12.2016 11:53Пример TI сделал достаточно условный — цель демонстрация максимального энергосбережения. Поэтому упрощения со связью. Любая инициализация сети, соединения с узлами очень значительно повысят потребление. В данном случае это своего рода радиомаяк.
gessor
16.12.2016 11:26Волею судьбы через пару пару недель окажусь в Далласе. Есть ли что интересного посмотреть в офисе TI или это обычное предприятие в которое не так легко попасть простому смертному?
Rumlin
16.12.2016 11:55Вроде нет. Знаю что они активно участвуют в выставках, студенческих соревнованиях. Можно на их сайте или Фейсбук посмотреть фото с мероприятий.
SGordon123
А на устройство от любителя на компонентах TI можно взглянуть? Задача — та же что и по ссылке…
av0000
Горожу сейчас что-то похожее. Но от TI там в итоге только Step-Up на TPS610986 и детектор низкого напряжения на LM8364. В остальном — скатился с вариации на тему http://hallard.me/ulpnode-low-power-secret/, ну и железо под MySensors.org.
На мой взгляд, TI хорош для «любителей» тем, что таки присылает разные интересные сэмплы. НО! Для тех же любителей, цены (если закупаться дальше у них) и форм-фактор ну очень неудобны. Если я ещё как-то готов запаять BME280 (LGA с шагом 0.65), то LGA/BGA, предлагаемые TI, ну никак не для «домашней» пайки, даже при наличии фена…