- Mengapa Memodifikasi Frekuensi Jam di Mikrokontroler?
- Apa efek dari pemilihan frekuensi ganda terhadap kinerja?
- Frekuensi Rendah atau Tinggi, mana yang harus dipilih?
- Teknik Pengalihan Frekuensi Jam
- Memilih Mode Operasi Manajemen Jam
- Eksekusi perangkat lunak dari memori atau RAM non-volatile
- Menggunakan osilator internal
- Kesimpulan
Pengembang selalu memiliki tantangan dalam menghadirkan fungsionalitas dan kinerja tingkat tinggi sekaligus memaksimalkan masa pakai baterai. Juga untuk produk elektronik, fitur terpenting adalah konsumsi baterai. Seharusnya menambah waktu pengoperasian perangkat seminimal mungkin. Manajemen daya sangat penting dalam aplikasi portabel dan bertenaga baterai. Perbedaan konsumsi mikroampere dapat menyebabkan masa operasi berbulan-bulan atau bertahun-tahun yang dapat meningkatkan atau menurunkan popularitas dan merek produk di pasar. Peningkatan produk menuntut optimalisasi penggunaan baterai yang lebih efisien. Saat ini, pengguna menuntut cadangan baterai yang lebih lama dengan ukuran produk yang ringkas sehingga produsen berfokus pada ukuran baterai yang lebih kecil dengan masa pakai baterai yang sangat lama yang merupakan tugas yang patut dipertanyakan. Tapi,Para pengembang telah menemukan Teknologi Penghematan Daya setelah melalui banyak faktor dan parameter penting yang mempengaruhi masa pakai baterai.
Ada banyak parameter yang mempengaruhi penggunaan baterai seperti mikrokontroler yang digunakan, tegangan operasi, konsumsi arus, suhu lingkungan, kondisi lingkungan, periferal yang digunakan, siklus pengisian-isi ulang dll. Dengan tren produk pintar yang masuk di pasaran, hal ini sangat penting. untuk fokus pertama pada MCU yang digunakan, untuk mengoptimalkan masa pakai baterai. MCU menjadi bagian penting dalam hal penghematan daya pada produk berukuran kecil. Jadi disarankan agar memulai dengan MCU terlebih dahulu. Sekarang, MCU hadir dengan teknik penghematan daya yang berbeda. Untuk mengetahui lebih lanjut tentang meminimalkan Konsumsi Daya di Mikrokontroler (MCU), lihat artikel sebelumnya. Artikel ini berfokus pada salah satu parameter penting untuk mengurangi konsumsi daya pada mikrokontroler, yaitu memodifikasi frekuensi clock.yang perlu diperhatikan saat menggunakan MCU untuk aplikasi daya rendah.
Mengapa Memodifikasi Frekuensi Jam di Mikrokontroler?
Dari sekian banyak parameter yang disebutkan di atas, pemilihan frekuensi clock sangat berperan penting dalam penghematan daya. Studi tersebut menunjukkan bahwa pemilihan frekuensi pengoperasian yang salah pada mikrokontroler dapat menyebabkan persentase yang signifikan (%) kehilangan daya baterai. Untuk menghindari kerugian ini, pengembang perlu menjaga pemilihan frekuensi yang sesuai untuk menjalankan mikrokontroler. Sekarang, tidak perlu pemilihan frekuensi dapat dilakukan terlebih dahulu, saat menyiapkan mikrokontroler, tetapi dapat juga dipilih di antara pemrograman. Ada banyak mikrokontroler yang dilengkapi dengan pemilihan bit untuk memilih frekuensi operasi yang diinginkan. Mikrokontroler juga dapat berjalan pada beberapa frekuensi, sehingga pengembang memiliki opsi untuk memilih frekuensi yang sesuai tergantung pada aplikasinya.
Apa efek dari pemilihan frekuensi ganda terhadap kinerja?
Tidak diragukan lagi bahwa pemilihan berbagai frekuensi akan mempengaruhi kinerja mikrokontroler. Seperti dalam mikrokontroler, frekuensi dan performanya sangat proporsional. Artinya, semakin besar frekuensi akan semakin sedikit waktu eksekusi kode dan semakin besar pula kecepatan eksekusi program. Jadi sekarang sangat jelas bahwa jika frekuensi diubah maka performanya juga akan berubah. Tetapi pengembang tidak perlu terpaku pada satu frekuensi hanya demi kinerja mikrokontroler yang lebih tinggi.
Frekuensi Rendah atau Tinggi, mana yang harus dipilih?
Tidak selalu terjadi ketika mikrokontroler harus memberikan kinerja yang tinggi, ada beberapa aplikasi yang membutuhkan kinerja mikrokontroler yang moderat, dalam aplikasi jenis ini pengembang dapat menurunkan frekuensi operasi dari GHz ke MHz bahkan ke frekuensi minimum yang diperlukan untuk jalankan mikrokontroler. Meskipun, dalam beberapa kasus diperlukan kinerja yang optimal dan juga waktu eksekusi sangat penting seperti saat mengendarai ADC flash eksternal tanpa buffer FIFO, atau dalam pemrosesan video dan banyak aplikasi lainnya, di area ini pengembang dapat menggunakan frekuensi optimal mikrokontroler. Bahkan menggunakan dalam lingkungan semacam ini, para pengembang dapat membuat kode dengan cerdas untuk mengurangi panjang kode dengan memilih instruksi yang tepat.
Misalnya: Jika loop 'for' mengambil lebih banyak instruksi dan seseorang dapat menggunakan beberapa baris instruksi yang menggunakan lebih sedikit memori untuk melakukan tugas tanpa menggunakan loop for , maka pengembang dapat menggunakan beberapa baris instruksi untuk menghindari penggunaan loop 'for' .
Pemilihan frekuensi yang sesuai untuk mikrokontroler tergantung pada kebutuhan tugas. Frekuensi yang lebih tinggi berarti konsumsi daya yang lebih tinggi tetapi juga lebih banyak daya komputasi. Jadi pada dasarnya pilihan frekuensi adalah trade-off antara konsumsi daya dan daya komputasi yang diperlukan.
Keuntungan utama bekerja pada frekuensi rendah adalah arus suplai yang rendah disamping RFI (Radio Frequency Interference) yang lebih rendah.
Arus Suplai (I) = Arus Diam (I q) + (K x Frekuensi)
Istilah kedua dominan. Energi RFI mikrokontroler sangat kecil sehingga sangat mudah untuk disaring.
Jadi jika aplikasi membutuhkan kecepatan cepat, jangan khawatir berjalan cepat. Tetapi jika konsumsi daya menjadi perhatian, jalankan aplikasi lebih lambat.
Teknik Pengalihan Frekuensi Jam
Unit PLL (Phases Lock Loop) selalu ada di MCU berperforma tinggi yang berjalan dengan kecepatan tinggi. The PLL meningkatkan frekuensi input ke frekuensi yang lebih tinggi misalnya, dari 8 MHz ke 32 Mhz. Ini adalah opsi pengembang untuk memilih frekuensi operasi yang sesuai untuk aplikasi. Beberapa aplikasi tidak perlu dijalankan dengan kecepatan tinggi, dalam hal ini pengembang harus menjaga frekuensi clock MCU serendah mungkin untuk menjalankan tugas. Namun, dalam platform frekuensi tetap, seperti MCU 8-bit berbiaya rendah yang tidak mengandung unit PLL, seseorang harus memperbaiki kode instruksi untuk mengurangi energi pemrosesan.. Selain itu, MCU yang berisi unit PLL tidak dapat memanfaatkan manfaat teknik perpindahan frekuensi yang memungkinkan MCU beroperasi pada frekuensi tinggi dalam periode pemrosesan data dan kemudian kembali ke operasi frekuensi rendah untuk periode transmisi data.
Gambar tersebut menjelaskan penggunaan unit PLL dalam Teknik Pengalihan Frekuensi.
Memilih Mode Operasi Manajemen Jam
Beberapa mikrokontroler berkecepatan tinggi mendukung mode manajemen jam yang berbeda seperti mode Stop, Mode Manajemen Daya (PMM) dan mode Idle. Dimungkinkan untuk beralih di antara mode-mode ini yang memungkinkan pengguna untuk mengoptimalkan kecepatan perangkat sambil konsumsi daya.
Sumber Jam yang Dapat Dipilih
Osilator kristal adalah konsumen daya yang besar pada mikrokontroler apa pun, terutama selama operasi daya rendah. Ring oscillator, digunakan untuk start cepat dari mode Stop, juga dapat digunakan untuk menyediakan sumber clock kira-kira 3 sampai 4MHz selama operasi normal. Meskipun osilator kristal masih diperlukan saat power-up, setelah kristal stabil, pengoperasian perangkat dapat dialihkan ke osilator cincin, sehingga menghasilkan penghematan daya sebanyak 25 mA.
Kontrol Kecepatan Jam
Frekuensi operasi mikrokontroler adalah faktor tunggal terbesar dalam menentukan konsumsi daya. Rangkaian mikrokontroler Mikrokontroler Berkecepatan Tinggi mendukung berbagai mode manajemen kecepatan jam yang menghemat daya dengan memperlambat atau menghentikan jam internal. Mode ini memungkinkan pengembang sistem untuk memaksimalkan penghematan daya dengan dampak minimum pada kinerja.
Eksekusi perangkat lunak dari memori atau RAM non-volatile
Pengembang harus mempertimbangkan dengan cermat apakah perangkat lunak dijalankan dari memori non-volatile atau RAM dalam memperkirakan konsumsi saat ini. Menjalankan dari RAM dapat menawarkan spesifikasi arus aktif yang lebih rendah; namun, banyak aplikasi yang tidak cukup kecil untuk dieksekusi dari RAM saja dan membutuhkan program yang dijalankan dari memori non-volatile.
Jam bus diaktifkan atau dinonaktifkan
Sebagian besar aplikasi mikrokontroler memerlukan akses ke memori dan periferal selama eksekusi perangkat lunak. Ini membutuhkan jam bus untuk diaktifkan dan perlu dipertimbangkan dalam perkiraan saat ini aktif.
Menggunakan osilator internal
Menggunakan osilator internal dan menghindari osilator eksternal dapat menghemat energi secara signifikan. Karena osilator eksternal menarik lebih banyak arus sehingga menghasilkan lebih banyak penggunaan daya. Juga tidak ada batasan keras bahwa seseorang harus menggunakan osilator internal, karena osilator eksternal disarankan untuk digunakan ketika aplikasi memerlukan lebih banyak frekuensi clock.
Kesimpulan
Membuat produk berdaya rendah dimulai dengan pilihan MCU dan sangat sulit ketika beragam pilihan tersedia di pasar. Modifikasi frekuensi dapat berdampak besar pada penggunaan daya dan juga memberikan hasil konsumsi daya yang baik. Keuntungan tambahan dari modifikasi frekuensi adalah tidak ada biaya perangkat keras tambahan dan dapat diimplementasikan dengan mudah dalam perangkat lunak. Teknik ini dapat digunakan untuk meningkatkan efisiensi energi MCU berbiaya rendah. Selain itu, jumlah penghematan energi bergantung pada perbedaan antara frekuensi operasi, waktu pemrosesan data, dan arsitektur MCU. Penghematan energi hingga 66,9% dapat dicapai bila menggunakan teknik peralihan frekuensi dibandingkan dengan operasi normal.
Pada akhirnya, bagi pengembang, memenuhi kebutuhan fungsionalitas sistem yang ditingkatkan dan tujuan kinerja sekaligus meningkatkan masa pakai baterai produk, merupakan tantangan yang signifikan. Untuk mengembangkan produk secara efektif yang memberikan masa pakai baterai paling lama - atau bahkan beroperasi tanpa baterai sama sekali - memerlukan pemahaman yang mendalam tentang persyaratan sistem dan spesifikasi mikrokontroler saat ini. Ini jauh lebih kompleks daripada sekadar memperkirakan berapa banyak arus yang dikonsumsi MCU saat aktif. Bergantung pada aplikasi yang sedang dikembangkan, modifikasi frekuensi, arus siaga, arus periferal mungkin memiliki dampak yang lebih signifikan pada masa pakai baterai daripada daya MCU.
Artikel ini dibuat untuk membantu pengembang memahami bagaimana MCU mengkonsumsi daya dalam hal frekuensi dan dapat dioptimalkan dengan modifikasi frekuensi.