Снизить рабочую частоту микроконтроллера ATmega328 можно прямо из скетча. Для этой цели удобно использовать библиотеку Arduino Prescaler (http://playground.arduino.cc/Code/Prescaler).
Библиотека Prescaler не только позволяет уменьшить рабочую частоту микроконтроллера, но и предоставляет свои версии функций millis и delay с именами trueMillis и trueDelay. Такая замена совершенно необходима, потому что уменьшение тактовой частоты увеличивает задержки в той же пропорции.
Скетч в следующем примере включает светодиод L на 1 с и затем выключает на 5 с, в течение которых потребляемый ток измерялся для всех возможных значений деления частоты, поддерживаемых библиотекой Prescaler.
// sketch_05_01_prescale
#include <Prescaler.h>
void setup()
{
pinMode(13, OUTPUT);
setClockPrescaler(CLOCK_PRESCALER_256);
}
void loop()
{
digitalWrite(13, HIGH);
trueDelay(1000);
digitalWrite(13, LOW);
trueDelay(5000);
}
Библиотека предоставляет множество констант деления тактовой частоты. Так, константа CLOCK_PRESCALER_1 оставляет исходную тактовую частоту 16 МГц, а противоположная ей константа CLOCK_PRESCALER_256 делит исходную тактовую частоту на 256, устанавливая ее на уровне всего 62,5 кГц.
В табл. 5.2 показаны результаты измерения потребляемого тока на всех возможных частотах, а на рис. 5.3 те же данные представлены в виде графика. Как видно на графике, кривая потребления тока быстро выравнивается, поэтому частота 1 МГц выглядит наиболее оптимальным компромиссом между частотой и потребляемым током.
Таблица 5.2. Потребляемый ток в зависимости от тактовой частоты
| Константа | Эквивалентная тактовая частота | Ток (светодиод выключен), мА |
|---|---|---|
| CLOCK_PRESCALER_1 | 16 МГц | 7,8 |
| CLOCK_PRESCALER_2 | 8 МГц | 5,4 |
| CLOCK_PRESCALER_4 | 4 МГц | 4,0 |
| CLOCK_PRESCALER_8 | 2 МГц | 3,2 |
| CLOCK_PRESCALER_16 | 1 МГц | 2,6 |
| CLOCK_PRESCALER_32 | 500 кГц | 2,3 |
| CLOCK_PRESCALER_64 | 250 кГц | 2,2 |
| CLOCK_PRESCALER_128 | 125 кГц | 2,1 |
| CLOCK_PRESCALER_256 | 62,5 кГц | 2,1 |
Рис. 5.3. График зависимости потребляемого тока от тактовой частоты
Помимо необходимости использовать новые версии millis и delay снижение тактовой частоты влечет за собой еще ряд следствий. Фактически любая операция, чувствительная к изменению тактовой частоты, такая как вывод аналоговых сигналов PWM или управление сервоприводами, будет выполняться не так, как ожидается.
Большая доля тока из 2,1 мА, потребляемого на самой низкой скорости, вероятнее всего, будет поглощена светодиодом On, поэтому, если вас действительно заботит проблема снижения энергопотребления, вам стоит аккуратно выпаять его из платы.
Выключение электронных компонентов на плате
Контроллеры ATmega имеют широкие возможности управления электропитанием, настолько широкие, что способны отключать неиспользуемые электронные компоненты на плате, чтобы уменьшить потребляемый ток.
Более того, компоненты можно включать и выключать прямо из скетча. То есть можно, к примеру, включать АЦП непосредственно перед вызовом analogRead и затем выключать его.
Управление электропитанием осуществляется с помощью библиотеки avr/power.h, включающей пары функций включения/выключения. Например, вызовом функции power_adc_disable можно выключить АЦП, а вызовом power_adc_enable вновь включить.
Однако экономия электроэнергии за счет отключения компонентов будет получаться не очень большой. В ходе экспериментов с платой Mini Pro, питающейся напряжением 5 В и действующей на частоте 16 МГц, я установил, что, когда все компоненты включены, она потребляет ток 16,4 мА, а когда выключены — что-то около 14,9 мА, то есть снижение составило всего на 1,5 мА. Для измерений я использовал следующий скетч:
// sketch_05_02_powering_off
#include <avr/power.h>
void setup()
{
pinMode(13, OUTPUT);
// power_adc_disable();
power_spi_disable();
// power_twi_disable();
// power_usart0_disable();
// power_timer0_disable();
// power_timer1_disable();
// power_timer2_disable();
// power_all_disable();
}
void loop()
{
}
Доступные функции перечислены в табл. 5.3. Каждая функция имеет пару с окончанием enable вместо disable в имени.
Таблица 5.3. Функции управления электропитанием для ATmega Arduino
| Функция | Описание |
|---|---|
| power_adc_disable | Выключает аналоговые входы |
| power_spi_disable | Отключает интерфейс SPI |
| power_twi_disable | Отключает интерфейс TWI (I2C) |
| power_usart0_disable | Отключает УСАПП (UART, интерфейс последовательной связи через USB) |
| power_timer0_disable | Отключает таймер 0 (используется функциями millis и delay) |
| power_timer1_disable | Отключает таймер 1 |
| power_timer2_disable | Отключает таймер 2 |
| power_all_disable | Отключает все компоненты, перечисленные выше |
Энергосберегающий режим
Самый действенный способ экономии электроэнергии — перевести плату Arduino в спящий режим на время, пока она не совершает полезной работы.
Narcoleptic
Питер Кнайт создал простую в использовании библиотеку с названием Narcoleptic, которую можно получить по адресу https://code.google.com/p/narcoleptic/.
Очевидно, что нет смысла переводить Arduino в энергосберегающий режим, не имея возможности вернуть ее в нормальный режим работы! Существует два способа возврата Arduino к нормальной работе. Один из них — использовать внешнее прерывание, а другой — установить таймер, который обеспечит выход в нормальный режим через определенный интервал времени. Библиотека опирается на использование таймера.
Библиотека Narcoleptic предоставляет альтернативную функцию delay, которая переводит Arduino в энергосберегающий режим на время, указанное в вызове delay. Поскольку в ходе задержки все равно ничего не происходит, этот метод действует блестяще.
Например, вернемся к старому доброму скетчу Blink. Следующий скетч включает светодиод на 1 с, затем выключает его на 10 с и повторяет эту последовательность до бесконечности:
// sketch_05_03_blink_standard
void setup()
{
pinMode(13, OUTPUT);
}
void loop()
{
digitalWrite(13, HIGH);
delay(1000);
digitalWrite(13, LOW);
delay(10000);
}
Ниже показана версия того же скетча, использующая библиотеку Narcoleptic:
// sketch_05_04_narcoleptic_blink
#include <Narcoleptic.h>
void setup()
{
pinMode(13, OUTPUT);
}
void loop()
{
digitalWrite(13, HIGH);
Narcoleptic.delay(1000);
digitalWrite(13, LOW);
Narcoleptic.delay(10000);
}
Единственное отличие этой версии в том, что она импортирует библиотеку Narcoleptic и использует ее версию функции delay вместо стандартной.
Запустив оба скетча на плате Mini
