13-12-2024

Устройство контроля внешних воздействий на основе низкопотребляющего микроконтроллера К1921ВГ015

А.В. Дыхно, А.Е. Михайлов, В.А. Смерек

Статья впервые опубликована в журнале «СТЭК-В». Всю подробную информацию о журнале можно найти здесь https://stec-v.niiet.ru/ 

 

Аннотация: в статье рассмотрен проект по созданию компактного устройства по сбору информации о внешних воздействиях (температура, влажность, давление, положение в пространстве) на базе низкопотребляющего микроконтроллера К1921ВГ015, обладающего возможностью длительной автономной работы от малогабаритного литиевого батарейного элемента. Низкопотребляющий микроконтроллер К1921ВГ015 разработан в рамках субсидии выделяемой на финансовое обеспечение части затрат на создание электронной компонентной базы и модулей (Постановление Правительства РФ от 24.07.2021 N 1252).

Ключевые слова: низкопотребляющий, микроконтроллер, К1921ВГ015, RISC-V, Flash-память, компактное автономное устройство.

The device for monitoring external influences based on a low-consumption microcontroller

A.V. Dakhno, A.E. Mikhailov, V.A. Smerek

Annotation: the article considers a project to create a compact device for collecting information about external influences (temperature, humidity, pressure, position in space) based on a low-consumption K1921VG015 microcontroller with the possibility of long-term autonomous operation from a small lithium battery cell. The low-consumption microcontroller K1921VG015 was developed as part of a subsidy allocated for the financial provision of part of the cost of creating an electronic component base and modules (Decree of the Government of the Russian Federation dated 07/24/2021 No. 1252).

Keywords: low-consumption, microcontroller, RISC-V, Flash memory, compact autonomous device.

 

I. ВВЕДЕНИЕ

Актуальной задачей грузоперевозок является контроль условий перевозки различных категорий грузов. Для этого могут применяться как одноразовые индикаторы состояния, так и сложные электронные устройства, которые позволяют не только зафиксировать сам факт нарушений условий перевозки и хранения, но и временной промежуток, когда это произошло. Для технически сложных и ответственных грузов такие устройства могут гарантировать получение качественного товара.

АО «НИИЭТ» в 2024 году завершает разработку отечественного микроконтроллера К1921ВГ015, сочетающего в себе вычислитель на базе 32-разрядного ядра архитектуры RISC-V, гибкую систему управления потреблением, позволяющую избирательно отключать питание внутренних блоков, широкий набор периферийных устройств, в том числе реализующих механизмы криптографии, и имеющий низкий ток потребления в режиме ожидания.

Для того, чтобы продемонстрировать все эти особенности работы микроконтроллера К1921ВГ015, было разработано устройство накопления информации об окружающей среде (логгер).

1. Принцип работы устройства

Разработанное устройство предназначена для сбора и хранения следующих данных:

- температура;

- влажность;

- давление;

- изменение координат в пространстве (по трем координатам).

Логгер осуществляет постоянный контроль внешних воздействий в режиме реального времени, записывает отчеты через заданные промежутки времени, а также факты фиксации событий отклонений заданных координат в пространстве, связанных с ударами, вибрацией, недопустимой температурой. Прибор регистрирует воздействия по трем координатам, что обеспечивает полноценную картину мониторинга.

Фрагмент схемы электрической принципиальной представлена на рисунке 1.

Внешние датчики подключены к микроконтроллеру по интерфейсу SPI. Для индикации состояния устройства используется светодиод. Контроль прерываний от внешних датчиков, а также обнаружение нажатий кнопки осуществляются с помощью выводов WAKEUP0 – WAKEUP2. Выводы WAKEUP0 – WAKEUP2 микроконтроллера позволяют запускать устройство из режима ожидания, когда оба внутренних регулятора напряжения отключены.

Рисунок 1. Фрагмент схемы устройства контроля внешних параметров

 

Внешний вид устройства представлен на рисунках 2 и 3.

Рисунок 2. Внешний вид печатной платы устройства (вид сверху)

Рисунок 3. Внешний вид печатной платы устройства (вид снизу)

При проектировании печатной платы получили компактные размеры устройства – (62 х 25) мм.

Алгоритм работы программного обеспечения микроконтроллера состоит из нескольких фаз:

- фаза инициализации;

- фаза сбора информации;

- фаза сохранения данных во внутренней Flash-памяти;

- фаза передачи собранной устройством информации на ПК.

 

Фаза инициализации

Для настройки конфигурации устройства используется программное обеспечение для ОС Windows, позволяющее настроить период сбора данных, допустимые максимум/минимум температуры и параметры акселерометра, а также синхронизировать время встроенного блока часов реального времени со временем на ПК. С целью снижения расхода энергии батарейного элемента инициализация внешних датчиков происходит вместе с отправкой настроек, пока устройство питается от ПК. После отключения от ПК устройство переходит в режим глубокого сна, в котором ожидает команды на старт мониторинга, для чего используется тактовая кнопка, при пробуждении от которой устройство записывает текущее время и устанавливает будильник в соответствии с заданными настройками и снова уходит в глубокий сон.

Фаза сбора информации

При пробуждении микроконтроллера перезапускается будильник, проверяется готовность датчика передать измеренные параметры и, если данные готовы, происходит считывание, обработка и накопление в регистрах RTC_REG, сохраняющих свои значения даже при отключенных внутренних регуляторах напряжения. Далее по интерфейсу SPI отправляется команда на запуск нового преобразования данных температуры\давления\влажности для подготовки датчика к следующему запуску устройства. Такой алгоритм работы был обусловлен, исходя из длительного ожидания окончания измерений.

Фаза сохранения данных во внутренней Flash-памяти

После заполнения регистров RTC_REG происходит выгрузка данных во внутреннюю FLASH- память микроконтроллера размером 1 Мб.

Фаза передачи собранной устройством информации на ПК

Для связи устройства с ПК используется интерфейс UART, который обеспечивает передачу конфигурации устройства, информации о работе устройства, количестве записанных данных и выгрузку накопленных данных.

При работе микроконтроллера от батарейного питания частота тактирования устанавливается в 16МГц – компромисс между энергосбережением и скоростью обработки данных. При подключении внешнего питания подключается PLL, и частота устанавливается в 50МГц для увеличения производительности при обработке и передаче данных. Для минимизации потребления в проекте задействовано минимальное количество функциональных блоков: блок подсчета CRC, DMA, сторожевой таймер, АЦП последовательного приближения, таймер 32-разрядный, RTC, UART. Блоки используются для выполнения следующих операций:

• аппаратный подсчет контрольных сумм блоком CRC используется при сохранении и передаче данных;
• блок прямого доступа к памяти DMA задействуется при копировании больших объемов данных;
• АЦП последовательного приближения используется для контроля напряжения питания;
• сторожевой таймер – для сброса ядра для исключения случаев зависания микроконтроллера;
• таймер 32-разрядный – для измерения точных временных интервалов.
• последовательный интерфейс UART – для обмена данными с ПК (в перспективе будет задействован интерфейс USB).

III. Анализ результатов работы устройства

Для анализа и обработки собранной устройством информации было разработано программное обеспечение, работающее под управлением ОС Windows, которое позволяет конфигурировать период опроса датчиков, границы контроля температуры, синхронизировать время, отображать текущий статус устройства, серийный номер, наличие батарейного элемента питания, текущее время блока RTC, следующее время срабатывания будильника и запуска мониторинга. Внешний вид окна конфигуратора изображен на рисунке 4.

Разработанное ПО позволяет подключаться к устройству для отправки настроек, просмотра статуса, выгрузки данных и сброса к заводским параметрам.

Рисунок 4.  Внешний вид окна конфигуратора

Основные функции:

• синхронизация времени устройства с текущим на ПК;
• установка границ минимальной и максимальной температуры для контроля наступления события;
• установка периода опроса;
• сброс устройства к заводским установкам со стиранием накопленных данных;
• выгрузка таблицы накопленных данных на ПК с автоматическим созданием отчета с графиком в формате файла электронных таблиц «*.xlsx».

 

После подключения ПО отображает следующую информацию:

• версия ПО устройства;
• период опроса датчиков;
• наличие установленного батарейного элемента питания;
• текущее время блока RTC;
• время следующего пробуждения микроконтроллера из режима ожидания;
• время начала мониторинга;
• количество доступной и занятой памяти;
• серийный номер устройства;
• допустимые значения максимума и минимума температуры.

 

На рисунке 5 показан лист с данными измерений в виде таблицы файла формата XLSX.

Рисунок 5. Значения измеренных параметров в программе

 

На рисунке 6 показан лист с данными измерений в виде временного графика файла формата XLSX.

 

Рисунок 6. Графики измеренных параметров в программе

 

В процессе тестового запуска устройства по сбору информации о внешних воздействиях были получены следующие результаты:

• время работы от батарейного элемента CR2032 от 6 до 12 месяцев в зависимости от частоты опроса датчиков;
• потребление в режиме ожидания – (6-10) мкА;
• потребление в активном режиме – около 10 мА;
• время работы микроконтроллера в активном режиме не более 5мс;
• возможность хранения до 340 000 записей измерений во внутренней Flash- памяти микроконтроллера.

IV. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Благодаря низкому потреблению микроконтроллера К1921ВГ015 в режиме ожидания и высокой производительности в активном режиме, удалось создать компактное автономное устройство с продолжительным временем работы от малогабаритного батарейного литиевого элемента CR2032. Во внутренней Flash-памяти микроконтроллера размером 1 Мб и организацией страниц по 4Кб можно хранить большое количество данных. Наличие модуля Crypto и генератора случайных чисел позволяет шифровать данные при передаче по различным каналам связи. Входящие в состав микроконтроллера модули CRC и HASH позволяют контролировать целостность сохраненных и передаваемых данных.

 

ЛИТЕРАТУРА:

1. Руководство пользователя К1921ВГ015
2. Combined humidity and pressure sensor.
3. LIS3DHTR Product Specification.
4. Набор программных средств разработки для микроконтроллеров RISC-V НИИЭТ: https://gitflic.ru/project/niiet/niiet_riscv_sdk

 

 

 

Понравилась статья? Поставьте лайк 2

---

Электроника Производство электроники Микроэлектроника Разработка электроники