Mühendislik Fakültesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü Arş. Gör. KAZIM EVECAN 25.05.2015 Özet: Bu dökümanda elektronik devre ve gömülü sistem (embedded system design) tasarımında faydalı olabilecek konular kısaca anlatılmıştır. Detaylı bilgi için çeşitli kaynaklardan araştırma yapmanız gerekmektedir. Anlatılan konularla ilgili birçok kitap mevcuttur, buna ek olarak internetten birçok uygulama notu ve web sitesine erişebilirsiniz. 1
Elektronik Devre Tasarımında Dikkat Edilmesi Gereken Konular İçindekiler RISC (reduced instruction set computing) ve CISC (complex instruction set computing) mimarileri avantaj ve dezavantajları........................................... 3 Derleyici (Compiler), Bağlayıcı (Linker) ve Üst Seviye Programlama Dili (High Level Programming Language) nedir?............................................... 3 Tümleşik Tasarım Ortamı (Integrated Development Environmet)..................... 3 Veri akışı için yaygın olarak kullanılan arayüz standartları nelerdir ve neden kullanılır?........ 4 PCB tasarımı ve kuralları............................................. 9 Düşük güç tüketen elektronik devre tasarımı................................. 15 Güvenilirlik (Reliability) ve hata giderme................................... 18 2
RISC (reduced instruction set computing) ve CISC (complex instruction set computing) mimarileri avantaj ve dezavantajları. Bellek boyutu, hız (frekans), güç tüketimi ve programlama kolaylığı açısından mikroişlemci seçiminde bu bilgiler dikkate alınmalıdır. RISC CISC Avantaj Dezavantaj Avantaj Dezavantaj Kod daha fazla alan Kod daha az alan Komut boyutu sabit kaplar ve fazla bellek kaplar ve etkin bellek değil, karmaşık kullanımı (derleyici kullanımı komutlar ve fazla yükü fazla) (derleyici yükü az) komut sayısı Komut boyutu sabit, komutlar basit ve komut sayısı az Mikroişlemci çekirdeği daha basit ve az alan kaplıyor, daha az adresleme modu Mikroişlemci çekirdeği pipelined, ve hızı arttırmak için ve düşük güç tüketecek şekilde tasarlanabilir Fazla üretilen koddan dolayı fazla bellek kullanımı ve düşük hız Daha az kod üretildiğinden etkin bellek kullanımı ve yüksek hız Mikroişlemci çekirdeği daha karmaşık ve fazla alan kullanıyor, daha fazla adresleme modu Genellikle komutların birçoğunun kullanılmamasından dolayı, mikroişlemci çekirdeği düşük güç tüketen şekilde tasarlanabilir Derleyici (Compiler), Bağlayıcı (Linker) ve Üst Seviye Programlama Dili (High Level Programming Language) nedir? Derleyici (compiler) kaynak kodunu obje koduna dönüştüren yazılımdır. Üretilen kod hedeflenen ortama göre, Windows, Linux işletim sisteminde, başka bir üst seviye programlama dilinde ya da başka bir donamında çalışabilir. Kısacası, kaynak koddan hedeflenen işletim sistemine ya da donanıma kod dönüşümü söz konusudur. Gömülü sistem tasarımında genel olarak, tasarımın daha kolay olduğu üst seviye bir dilden daha alt seviye bir dil olan makine koduna (1 ve 0 olarak) ya da assembler a (obje kodu) dönüşüm söz konusudur. Bu konuda en iyi örnek iki sayının çarpımı için gerekli işlemler verilebilir. Üst seviye dil olan C de sadece a*b ile elde edilirken, assembler ya da makine dilinde mikroişlemci sınıfına göre 10-20 satır arasında kod yazmak gereklidir. Derleyici tarafından üretilen kodun bellekte en efektif şekilde yer teşkil etmesi için tümleşik geliştirme ortamında (IDE integrated development environment) çeşitli en uygun şekle sokma (optimizasyon) seçenekleri seçilebilir, bu en az hafıza kullanılması, en yüksek hız, en az güç tüketimi ya da en az enerji tüketimi olarak düşünülebilir. Bu aşamadan sonra üretilen obje kodları bağlayıcı (linker) tarafından birleştirilerek exe dosyası oluşturulur ya da ilgili donamın üzerinde çalışacak hale gelir (makine dili). Biraz daha açıklamak gerekirse farklı noktalarda geliştirilen kodlar bağlayıcı aracılığıyla (donamın özellikleri dikkate alınarak) donanım üzerinde çalışacak hale getirilmiştir. Derleyici ve bağlayıcı farkını bilmeniz, kod yazarken oluşan hataları gidermenizi kolaylaştırır. Diğer önemli terimler: çapraz derleyici (crosscompiler) çalıştığı ortamdan başka bir ortam için kod üreten derleyicidir, örneğin Windows ortamında, Linux ortamı için kod üreten derleyicidir; kaynaktan kaynağa derleyici (source to source compiler) bir dilden başka bir dile çeviri yapan derleyicidir; yorumlayıcı (interpreter) kodun icra edilen kısmıyla ilgilenen, makine kodunu üreten ve hataları yakalayan yazılımdır. 3
Figure 1: Üst seviye dilden donanımın üzerinde çalışıncaya kadar kod üretimini gösteren çevrim ve bağlayıcı giriş ve çıkış elemanlarının şema gösterimi [1]. Figure 2: Tümleşik tasarım ortamı veri akışı. Tümleşik Tasarım Ortamı (Integrated Development Environmet) Gömülü sistem tasarımı için, yukarıda belirtilen yazılımları içeren birçok tümleşik tasarım ortamı (IDE integrated development environment) bulunmaktadır, örneğin PIC mikroişlemcileri için MPLAB IDE ortamında derleyici (compiler), simülatör (simulator), ve bağlayıcı gibi diğer yazılımlar ve fonksiyon kütüphaneleri (function libraries) bulunmaktadır. Simülatör ile oluşturduğunuz kodu satır satır icra edebilmeniz için, çalıştır (run) ve satırlara durdurma noktaları (breakpoints) fonksiyonlarını sağlamaktadır. Bu tasarım ortamı simülatöre ek olarak, fiziksel olarak üretilmiş devre üzerindeki hataları giderme olanağı ya da gerçeklenmek istenilen özellikleri test etmeyi sağlayan, hata ayıklayıcı (In circuit debugger) desteğine sahiptir, örneğin ICD2. Hata ayıklayıcı JTAG arayüzü üzerinden devreye makine kodu aktarmakta ve iletişim kurmaktadır, bilgisayarla da USB üzerinden iletişim kurmaktadır. Hata ayıklayıcı interaktif olarak işlemci üzerindeki kayıtçılara, ROM, RAM, EEPROM, Flash bellek, yığın ve durum kayıtçılarına (state register) erişmeyi sağlar ve böylece tasarım öncesinde ortaya konan algoritmaya uygun şekilde kodun geliştirilmesine olanak sağlar. Bu özelliklere ek olarak tümleşik tasarım ortamları, işlemciyi sanal ortamda donanım ve yazılım olarak taklit eden simülatöre benzer olan, öykünücü (emulatör) özelliğine sahiptir. MATLAB ortamında simülatöre ait yukarıda bahsedilen özellikler (çalıştır, durdur, kayıtçı değerleri) kırmızı kutu içerisinde gösterilmiştir. Diğer tasarım ortamları da buna benzer şekilde simülatöre sahiptir. 4
Figure 3: MATLAB ortamında simülatör fonksiyonları kırmızı kutu içerisinde gösterilmiş. 5
Figure 4: Basit bir SPI yapısını gösterem diyagram ve veri akışı için sinyal seviyeleri [1]. Veri akışı için yaygın olarak kullanılan arayüz standartları nelerdir ve neden kullanılır? 1 Arayüz Standartları Embedded sistem tasarımında veri akışı için yaygın olarak kullanılan arayüz standartlarını ve bunların uç (pin) sinyallerinin (bit zamanlaması ve veri çerçevesi) ve gerilim seviyelerinin veri iletişiminde nasıl ve nerede kullanıldığını bilmek sistem tasarımını kolaylaştırır, daha iyi sonuç elde etmenizi sağlar ve yazılım yükünü azaltır. Donanımı ilk kullanıma hazırladığınızda (initialize) ve sekizli (byte) elde ettiğinizde arayüz istediğiniz şekilde işlev görür. 1.1 SPI (serial peripheral interface) SPI (serial peripheral interface) veri yolu 4 uçlu, efendi-köle (master-slave) yapısında ve saat (clock) senkronize edilmiş olup tümdevre (IC) arası ve hafıza (memory stick) seri iletişimde kullanılmaktadır ve iki yönlü (full duplex) veri transferine izin vermektedir. Buna ek olarak efendi tümdevre birden fazla köle tümdevre ile iletişim kurabilmektedir. 1.2 UART (universal asynchronous transceiver) UART (universal asynchronous transceiver) 2 uçlu asenkron (clock olmaksızın) tümdevre arası seri veri iletişiminde kullanılmaktadır. Veri alım şekli, kayıtçılarla (register) ayarlanmaktadır. Örneğin, veri hızı (baud rate), veri alım şekli (başlama ve durdurma biti olup olmadığı), sekizli uzunluğu (5-8 bit), hata kontrolü (parity check), çerçeve (frame) hatası vb. ayarlanabilmektedir. Bu arayüz daha çok RS232, RS422 ve RS485 standartlarında kullanılmaktadır. 6
Figure 5: UART yapısını gösterem diyagram ve bir sekizli veri dizisi [2]. 1.3 CAN (controller area network) CAN (controller area network) veri yolu birden fazla tümdevre (multi-master serial bus) aynı veri hattına bağlandığı ve birbiriyle seri veri iletişiminde bulunduğu otomotivde kullanılan arayüzdür. 120 ohm kablolarla (twisted pair) veri hattı oluşturulup yüksek hızlı iletişime izin vermektedir. 1.4 I 2 C (inter integrated circuit) I 2 C (inter integrated circuit) birden fazla tümdevre birbirine bağlayan seri arayüzdür. Diğer arayüzlerde olduğu gibi veri hızı, köle-efendi, vb. özellikler programlanabilmektedir, fakat diğerlerinden farklı olarak düşük hızla iletişim kurmaktadır. Tümdevre arası iletişimde ve EEPROM programlamada kullanılmaktadır. Adres alanlarında bulunan tümdevrelere ilgili adres komutu gönderilerek, efendi ünite tarafından erişim sağlanmaktadır. 1.5 LIN (local interconnect network) LIN (local interconnect network) bir efendi tümdevre ve en fazla 16 tane seri bağlı köle tümdevreden oluşan bir ağdır ve otomotivde kullanılmaktadır. Efendi tümdevre, ilgili köle tümdevre alacak şekilde, kodu içeren bilgiyi ağa gönderir ve geri gelen cevabı alır. Tek kablolu efendi tümdevreden başlamak üzere birbiri ardına bağlanmış köle tümdevrelerden oluşan UART arayüz olarak da düşünülebilir. 1.6 Ethernet Ethernet IEEE 802.3 fark sinyali ile (differential) bilgisayar ağı teknolojisi olup, endüstride cihazları yerel ağa (LAN) bağlamak için kullanılmaktadır. Günümüzde 10Gbps hızlara kadar çıkmaktadır. Özellikle internet (web) tabanlı kontrolde ve telemetri uygulamalarında kullanılmaktadır. 7
Figure 6: CAN ağını gösteren şema [1]. Figure 7: I 2 C bağlantısını gösteren şema ve veri transferine ait veri çerçevesi. Figure 8: Basitçe Ethernet iletişim katmanları ve veri çerçevesi. 8
1.7 USB (universal serial bus) USB (universal serial bus) 4 uçlu fark sinyali ile seri iletişim kurulan bir arayüzdür. Vdd, gnd, data+ ve datauçlarına sahip olup, USB 3.1 10 Gbps hıza sahiptir ve 900 ma çıkış akımı verebilmektedir. İşletim sistemi (OSI) iletişim kurabilmesi için sürücü (driver) gereklidir. Bu sayılanlara benzer olarak birçok arayüz standardı bulunmaktadır. ISO bu standartları yürüten kuruluştur. Standartlarla ilgili detaylı bilgilere ISO web sitesinden ulaşabilirsiniz. PCB tasarımı ve kuralları Part I PCB Tasarımı ve EMC Şematik tasarımda, her bir devre elemanına ait modellerle ideal ortamda yapılan benzetimle (simülasyon) çalışan devre, baskı devre (PCB printed circuit board) üretildikten sonra çalışmayabilir. İç ve dış kaynakların oluşturduğu girişim (EMI electromagnetic interference) sonucunda da istenmeyen şekilde çalışabilir. Bu tür sorunların birçoğu, kurallara uygun olarak tasarlanmayan PCB den kaynaklanmaktadır. Bundan dolayı her bir ürün sınıfına ait standart getirilmiştir (EMC electromagnetic compatibility), tüketici elektroniği, endüstriyel elektronik ve savunma elektroniği gibi. Nem, basınç ve radyasyon (alfa, beta, RF, vb.) sistemde istenmeyen sonuca neden olabilir. Tüm bunların yanında, elektronik sistemlerin ve devrelerin en büyük problemi sıcaklıktır, frekanslarda kaymaya, yollar üzerinde değişik gecikmelere, vb. problemlere neden olur. Bundan dolayı, sinyal bütünlüğü (signal integrity) sağlanarak, PCB, tasarım kurallarına uygun şekilde oluşturulmalıdır. Test kartının istenen sonucu vermesi, sistemin endüstriyel ortamda ya da sahada çalışacağı anlamına gelmez. Aşağıda tecrübelerle de sabit olan bazı kuralları listeledim. Ekranlama yaparak (toprağa bağlanmış şekilde olan bakır tabaka ya da katman) dış ve iç girişim kaynaklarına (elektromanyetik alanlar gibi) ve parazitlere (crosstalk or capacitive coupling) karşı koruma sağlayabilirsiniz. Tek ya da çok katmanlı her PCB bu özelliğe sahip olmalıdır. Dijital, analog ve yüksek frekans devre elemanlarını gruplandırarak PCB üzerine yerleştirin, bu dijital ve analog devre gürültülerini birbirinden izole ederek azaltmayı sağlar. Toprak gürültülerini birbirinden izole etmek için ekranlamalarını ayrı ayrı yapın. Devre elemanları arasında en kısa yol oluşturacak şekilde bağlantıları ve yerleşimi yapın (akım kısa yolu takip eder). İletim hatlarından da hatırlayacağınız üzere dielektrikten dolayı kapasitans, iletkenden dolayı direnç ve indüktansı meydana gelir. Köşeleri kıvrılmış şekilde ya da 45 derecelik açıyla çizmeye çalışın. Yüksek frekans yolları birbirinden ve diğer yollardan mümkün olduğunca uzakta oluşturun ya da aralarından toprak hattı çizin (guard-trace). (dikkat yüksek frekans tasarım için farklı paket programlar kullanmanız gerekmektedir) Yerleri sabit olan hiç değişmeyen parçalar olacaktır, diğer bağlantılar ve devre elemanları için mümkün olduğunca bu kuralları uygulayınız. Tüm bu kuralları uygulayabilmek açısından, otomatik yerleştirme programlarıyla (autorouther, vb.) PCB tasarlamak doğru değildir. 9
Figure 9: Ekranlanmış bir PCB e örnek. Figure 10: Şekilde ekranlama öncesi (a) ve sonrası (b) EMI mağruz kalan yola ait elektrik alan [3]. Figure 11: Dijital ve yüksek frekans devre elemanlarının gruplandırılarak yerleştirildiği PCB ye örnek. ISM bant IC ve anteni ekranlanmış kısımdan uzak ve ayrı kısma yerleştirilmiş. 10
Figure 12: (a) Akımın yoluna ait manyetik alan (akım sayfa düzleminden içeri), (b) yolun alt kısmında toprak düzleminde oluşan geri dönüş yönünde olan akıma ait manyetik alan (akım sayfa düzleminden dışarı), (c) toprak düzleminden aşağıda manyetik alan birbirini tümüyle, üzerinde ise kısmi olarak yok eder. Manyetik Alan (c) gösterilen sarı alanda yoğunlaşmıştır [3]. Figure 13: Şekilde gösterilen yollardan 2 ve 3 numaralı çizimler uygun çizimlerdir. Figure 14: Köşelerde oluşan alanlar toplam oluşturacağından indüktansı arttırır ve uygun bir çizim değildir [4]. 11
Figure 15: İki kablo dışında alanlar birbirini yok eder (kablolar arası mesafe=0) [4]. Hassasiyeti fazla olan, yüksek çözünürlüklü analog sinyaller gibi sinyalleri, diferansiyel olarak iletin. Örneğin sensör ve devreye dışarıdan uygulanan sinyaller gibi. Bu tarz bir tasarımda sinyaller, yollar üzerindeki gerilim düşümünden etkilenmediği gibi elektromanyetik girişimden minimum düzeyde etkilenir. Buna ek olarak, diferansiyel sinyal gönderimi emisyonu azaltır. Besleme hatlarını daha kalın çizmek gerilim düşümünü azaltır. Toprak hattını ekran halinde oluşturmak ve besleme uçlarını mümkün olduğunca kalın çizmek hat üzerindeki direnci ve indüktansı azaltır. Isı artışına neden olan elemanlar için PCB üzerinde solder stop mask ı koymamak, ya da ısı dağıtımı için PCB üzerinde soğutucu alan yapmak. Elektrik şebekesine bağlı devre için, filtre devresinden sonra gerilimi işlemek. Bunu bir band pass (RLC elemanlarıyla) 50 Hz geçiren devre olarak düşünebilirsiniz. Dışarıdan sisteme uygulanan sinyaller için filtre devresi uygulamak gürültü ve girişimi engeller. Elektrostatik deşarjı ve kasa üzerinde oluşan elektriği gidermek için, elektriksel ve elektronik sistemlerin dış kasaları topraklanabilir. Entegre devrelerin besleme hatlarına entegreye yakın olacak şekilde dekuplaj kondansatörü bağlanmalıdır (ek olarak bobinde bağlanabilir). Büyük değerli kondansatör düşük frekansı, düşük değerli kondansatör yüksek frekansı filtreler. Buna ek olarak, İndüktif gerilim çökmelerini engeller 12
Figure 16: Diferansiyel sinyal gönderiminin gürültüye karşı koruma sağlaması gösterilmiş [1]. Figure 17: EMC özelliğine sahip sistemin [5]. 13
Figure 18: İletkenlik yoluyla kuplaj mekanizmaları. Figure 19: (a) İndüktif kuplaj (b) Kapasitif kuplaj (c) Güç ve toprak hattı gürültüsü. 14
Figure 20: Topraklanma koruması olmayan twisted pair kabloya örnek [1]. Figure 21: Kaçak alanların farklı dielektrik katsayısına sahip tabanlarda (substrate) gösterilişi [6]. Sinyal taşımada ekranlı kabloları (kuaksiyel kablo) ya da diferansiyel kabloları (twisted pairs) tercih ediniz. Kuaksiyel kablodaki toprak hattı dış alanlara karşı sinyali korur. Diferansiyel kablolama hem dışarıdan gelen alana karşı koruma sağlar hem de kendi oluşturduğu alanı yok eder. Yüksek derecede elektromanyetik gürültünün olduğu ortamda çalışacak olan elektronik kartlar, birden fazla katmanlı olacak şekilde ve iki topraklanmış katman arasında oluşturulabilir. Relative permitivitesi yüksek olan taban (substrate) kullanmak yolların birbiriyle olan kaçak alanları (field leakage) azaltır. [6] Tüm bunları yapmanız tasarlanan sistemin, ilgili merkezlerde yapılan testlerden geçmesini kolaylaştırır. PCB tasarımı ve EMC konusunda birçok eğitime ve dokümana internetten ulaşabilirsiniz. Bilgisayar destekli PCB tasarım programları inç ölçüsünü kullanmaktadır. 1 inç=2.54 cm. Düşük güç tüketen elektronik devre tasarımı Düşük güç ve enerji tüketiminin önemi Günümüzde gelişen teknolojilerle birlikte birçok elektronik devre taşınabilir olmuş ve pil ya da batarya ile çalışmaktadır. Bundan dolayı bu tarz devreler için düşük güç tüketimi ya da enerji tüketimi gereklidir, örneğin cep telefonu, otomobil üzerindeki elektronik sistemler ve telemetri uygulamalarında pil ya da bataryanın uzun süre çalışması istenir. Enerji tüketimine bir örnek vermek gerekirse, kalem pil ile çalışan, ISM frekans şeriti (frequency band) kablosuz oda termostatı ana üniteye sıcaklık bilgisini gönderirken 3.3V 2200m/saat pilden 25mA akım gerektirmektedir ve sürekli olarak sıcaklık bilgisini ana üniteye göndererek 2200mA/25mA=88 saat ya da 3.7 gün çalışmaktadır. Eğer bu oda termostatı, 30 saniyede bir uyku modundan 15
(3.3V pilden 1uA akım çekmektedir) uyanıp 100 ms boyunca 3.3V pilden 25mA akım çekerek ana üniteye sıcaklık bilgisini gönderseydi, 25mA*0.1s/30s=0.083mA/s saniyede 0.083mA ortalama olarak harcayacak ve 2200mA/0.083mA=26400saat=1100gün=36.7ay=3.06yıl yaklaşık olarak 3 yıl bu pil ile çalışacaktı. Buna ek olarak, şebeke elektriğiyle çalışacak şekilde tasarlanan cihazlara düşük güç tüketimi ek bir özellik olarak eklenebilir. Güç tüketimine bir örnek olarak, kullandığım modem 12V besleme gerilimiyle çalışan bir cihaz olup 1000mA akım gerektirmektedir, 12*1000m=12W güç tüketir saatte, kw/saat elektriğin 0.40 TL olduğunu düşünürsek, 0.4*0.012*24*30= 3.456TL aylık 3.5 TL karşılık gelmektedir. Eğer bu cihaz ve tasarımda kullanılan tümdevreler düşük güç tüketecek şekilde tasarlansaydı ve gereken akım 500mA sınırlandırılmış olsaydı güç tüketimi yarı yarıya düşecekti ve aylık olarak 1.75 TL harcanmış olacaktı. Olaya faklı açılardan bakarsak, tüketici, bu elektronik cihazın ömrünü 10 yıl olarak kabul edersek (5 yıl kullanım garantisi var), cihaz kullanım süresi boyunca 420 TL karşılık bir elektrik faturası ödemektedir, fakat güç tüketimi yarı yarıya düşseydi 210 TL ödenecekti, cihazın bedelinden daha fazla bir kazanç sağlıyor. Üretici, aylık olarak 10000 adet satışı olan bir cihazı düşündüğünüzde aylık olarak ekonomiye 2100000 TL yaklaşık 2.1 milyon Lira (10 yıl içerisinde geri dönüşü olan) katkı sağlamaktadır. Bu sadece evimizde kullandığımız basit bir elektronik devre ve bunun gibi birçok cihaz var, diğer çok düşük güç tüketen sistemleri düşündüğümüzde, düşük güç tüketen sistem tasarımının küçük ama sonuçları itibariyle büyük olduğu gözükmektedir ve mühendisliğin en önemli noktalarından biridir. (Diğer bir örnek, elektrik prizine bağlı bir 55 cm TV kapalıyken 1W güç harcamaktadır bu aylık yaklaşık olarak 30 kr karşılık gelmektedir.) Teori Düşük güç ya da enerji tüketimi için, düşük seviyeli besleme gerilimi gerekmektedir çünkü gerilimi düşürmek direnç sabit kalacağından akım seviyesini de düşürmektedir (1) ve böylece ikinci dereceden güçte azalma meydana gelmektedir (2). Bunu tümdevre temel yapı taşı olan transistor denkleminden de görebiliriz (5). Enerji denklemine baktığımızda, bir tümdevre frekans arttığında daha fazla enerji tüketmektedir ve her bir devir için (3) kadar enerji tüketmekte bundan dolayı gerilimin yanında frekans da azaltılmalıdır. V (t) = i(t)r (1) p(t) = v(t)i(t) = i 2 (t)r (2) E = T 0 p(t)dt = 1 2 CV 2 dd (3) E = 1 2 CV 2 ddf (4) I n = 1 2 k W n L (V gs V tn ) 2 (5) Güç Kaynağı Şebeke elektriğiyle çalışan bir devre için besleme gerilimini üretmemiz gerekmektedir. Bunun için düzenleyici (regulator) devreleri ya da anahtarlamalı mod güç kaynağını (SMPS switched mode power supply) kullanılır. Hangi devre daha avantajlı sorusuna yanıt anahtarlamalı mod güç kaynağıdır çünkü verimliliği yüksektir (power conversion efficiency), az yer kaplamaktadır, hafiftir ve çok az ısı yaymaktadır. Diğer taraftan basit düzenleyici devresi, transformatördeki, diyot üzerindeki ve gerilim düzenleyici tümdevre üzerindeki kayıptan etkilenmektedir ve bu kayıplar ısıya dönüştüğünden sisteme çok yer kaplayan soğutucu eklemek gerekip, ek maliyet getirmektedir. Örneğin, 220 V AC-18 V AC 25W transformatörümüz olsun çıkıştan 12V 1000mA elde edilsin, 18V gerilim düzenleyici tümdevre girişine uygulandığından giriş ve çıkış arasındaki gerilim farkı 6 V olup 1000mA akımı dikkate aldığımızda 6W güç kaybına neden olur. Akım hattı üzerinde iki adet diyot bulunmaktadır bundan dolayı 0.7*2=1.4V gerilim düşümü ve 1.4*1000mA=1.4W güç kaybı meydana gelir. 12W güç elde etmek için 6W düzenleyici tümdevre üzerinde ve 1.4W diyotlar üzerinde kayıp oluştu ve yaklaşık olarak %38 güç kaybına karşılık gelmektedir. Transformatörün verimliliğini %85 olarak düşündüğümüzde transformatör 22.8 W güç gerektirmekte ve 3.4 W güç kaybı meydana gelmektedir. Son durumda gücün %15 kayıp transformatörde, %26 düzenleyici tümdevre üzerinde, %6 diyotlar üzerinde ve 16
Figure 22: Lineer regülatör devresi. Figure 23: Tümdevrelerin beslemelerinin anahtarlanması. (sadece) %53 yük üzerinde harcanmaktadır. Kablo vb. kayıpları dikkate aldığınızda yaklaşık olarak gücün %50 yüke aktarılmaktadır. Anahtarlamalı güç kaynağı depolama elemanının (bobin ya da kondansatör) üzerindeki enerjiyi kullanarak, anahtarı açıp kapatarak çıkış gerilim ya da akımını üretmektedir. Böylece çok yüksek düzeyde verimlilik elde edilmektedir Tümdevreler Devrede kullanılan tümdevreler düşük güç tüketen versiyonları seçilebilir ve bunlar genellikle L serisiyle gösterilirler, örneğin MAX232L ya da işlemci sınıfında bulunan düşük güç (low power) tüketen sürüm gibi. Böyle bir tümdevre mevcut değilse, tümdevrelerin besleme hatları güç tüketimini azaltmak için bir anahtar yardımıyla açıp kapatılabilir (power gating) (şekilde gösterilmiştir). Tümdevre ile ilgili işlem varsa, işlemci ucu toprağa çekilerek gereken işlem yapıldıktan sonra tekrar besleme ucuna çekilerek işlem tamamlanır. Kısacası, devre üzerindeki her tümdevre uyku moduna bir anahtar yardımıyla girer (genellikle 1uA civarında bir akım çeker). Eğer dışarıdan, iletişim vb. bir istek varsa bir anahtar yardımıyla kesme (interrupt) üretilerek işlemci tarafından tümdevre besleme hattına bağlanır. Uyku Modu Sistemin merkezinde bulunan mikroişlemci eğer icra etmesi gereken bir işlem yoksa tüm devre bloklarını ve kendisini uyku moduna (stand-by) geçirmelidir. Ardından dışarıdan gelen işlem isteklerine ya da kesme isteğine göre uyanıp çalışma moduna geçerek gerekenleri yerine getirmelidir ya da işlemci üzerinde bulunan düşük hızlı bir osilatör yardımıyla işlem isteği periyodik olarak kontrol edilebilir. Örneğin, uyku moduna giren bir devre tuşa basıldığı zaman uyanabilir ve tuşun gerektirdiği fonksiyonu yerine getirebilir ve ardından tümdevreleri ve mikroişlemci üzerinde bulunan blokları kapatıp uyku moduna geçebilir. 17
Figure 24: Yüksek hız ve düşük enerji tüketimini gösteren işlem. Gerilim Ölçeklemesi ve Frekans Ölçeklemesi İşlemci üzerinde bulunan tüm donanım yapıları kullanılmalı ve yazılım üzerindeki yük azaltılmalıdır. Örneğin, UART, PWM, ya da herhangi bir fonksiyon yazılımda gerçeklemek yerine donanımda bulunan blokları kullanarak aynı şekilde icra edilebilir. Bu hem sistemin fonksiyonelliğini arttır (yani mevcut işlemciyle birçok işlem yapabilmek gibi ya da yazılım yükünü azaltır), tasarımı kolaylaştırır ve gerilim ve frekans ölçeklemesine (voltage scaling and frequency scaling) olanak sağlamaktadır. Gerilim ölçekleme ve frekans ölçekleme konularını kısaca özetlemek gerekir. Daha önce bahsettiğimiz gibi düşük güç tüketimi için gerilimi düşürmek gereklidir ve her bir tümdevrenin çalışabileceği minimum besleme gerilimi teknoloji ve mevcut işlemleri (process) yerine getirebileceği minimum çalışma frekansıyla sınırlandırılmıştır. Eğer işlemcinin yazılım yükü az ise mikroişlemciyi minimum besleme gerilimiyle çalıştırabiliriz ve bu gerilim genellikle 2V civarında olup, çok düşük frekanslarda 100kHz civarında çalışmaktadır. Aksi takdirde yazılım yükü fazla olduğunda, mikroişlemcinin işlemleri (processes) yerine getirmesi için gerekli minimum frekans olan, minimum çalışma frekansında sabit tutularak besleme gerilimi mümkün olduğunca azaltılır ve minimum güç tüketimi sağlanır. Gerilim ölçeklemesi (voltage scaling) bu şekilde özetlenebilir. Frekans ölçeklemesinde (frequency scaling) mevcut besleme geriliminde çalışma frekansını azaltılabildiği kadar azaltılır ve mevcut koşullarda her bir saykıl başına en düşük düzeyde enerji tüketimi sağlanır. Bir mikroişlemci için enerji tüketimi saykıl başına enerji tüketimi ölçülerek belirlenmektedir. Bu yöntemlerin bir ya da bir kaçını işlemlerin icra edilmesinde (karışık olarak (hybride)) kullanabilirsiniz. Enerji ve güç sarfiyatının önemine göre, işlemci hızı ayarlanabilir ya da farklı işlemler için hız farklı ayarlanabilir, aşağıdaki resimde bu durum gösterilmiştir. Batarya Bataryaların kapasitesi C-oranı (C-rate) ile ölçülmektedir. Eğer C-rate yüksek olursa (yüksek ortalama akım çekildiğinde) kapasite düşmektedir, yani kullanım süresi daha kısa olmaktadır ve bu olay Peukert grafiğiyle gösterilmektedir (bir batarya için en önemli veri). Aynı olayı teyit eder şekilde, bataryadan alınan güce göre kapasitesi değişmektedir (resimde gösterilmiştir). Buna ek olarak, bataryanın iç direnci yüksek akımlarda önem taşımaktadır ve düşük değerleri istenir. Bu konu tasarımda çok önemlidir, detaylı bilgi için araştırma yapınız. Güvenilirlik (Reliability) ve hata giderme Daha önceden bahsi geçen derleyici (compiler) ve bağlayıcı (linker) farkını bilmek, işlemci yapısını tanımak, yığın (stack, heap genelde overflow hatası verir), RAM, ROM, FLASH bellek ve çevresel üniteleri neler olduğunu bilmek tasarım esnasında oluşan mantık ve tasarım hatalarını gidermede kolaylık sağlayacağı gibi, tasarımın güvenilir (reliability) bir şekilde çalışması için bir ön koşuldur. Söz dizimi hatalarını derleyici otomatik ortaya koyar ve kolaylıkla düzeltilir. Mantık ve tasarım hatalarını tasarım esnasında hata ayıklayıcı donanım (In-circuit debugger) ve simülatör çalıştır ve durdur özellikleriyle giderilebilir. Sistem çalışma ortamında iken herhangi bir nedenle donanımda hata meydana gelebilir, girişime (EMI) mağruz kalıp istenmeyen şekilde çalışma meydana gelebilir veya bir döngü (loop) içerisinde takılıp kalabilir. Sistemin güvenilirliği için (reliability), tüm bu durumların meydana gelebileceği ihtimali dikkate alınarak donanım 18
Figure 25: Bataryanın harcanan güce karşı boşalma eğrisi. ve yazılım oluşturulmalıdır. Bazı yöntemler, WDT zamanlayıcısıyla yazılım takılmalarının (işlemin (process) kısa sürmesi testi) periyodik olarak kontrol edilmesi (watch dog timer bekçi köpeği zamanlayıcısı), arayüzden veri alındıktan sonra bit seviyesinde (parity) hata kontrolü (error checking), çerçeve seviyesinde hata kontrolü (CRC cyclic redundancy check), veri çerçevesi hatası (frame error) kontrolü, veri hattında çakışma (bus collision) ve osilatör çalışma testi şeklinde sayılabilir. Buna benzer birçok yöntem tümdevreye özel şekilde sıralanabilir, bundan dolayı çalışılan donamın özellikleri iyi bilinmeli ve dokümanları detaylı olarak incelenmelidir. References [1] www.wikipedia.org [2] http://www.mcu-turkey.com [3] Ground fill and Field Cancellation, Dr. Howard Johnson May 26,2005, EDN network [4] Reducing Ground Bounce in DC-to-DC Converters-Some Grounding Essentials [5] EMC/EMI gürültü azaltma ve koruma, ekranlama, topraklama ve PCB tasarımı [6] RF Circuit Design: Theory & Applications, by Reinhold Ludwig, ISBN-13: 978-0131471375 [7] Faydalı olabilecek kitaplar: EMO yayınları: EMC/EMI gürültü azaltma ve koruma, ekranlama, topraklama ve PCB tasarımı, Yazar Adı: A.S. BEER: TÜRKÇEYE ÇEVİREN AYDIN BODUR, ÇİĞDEM ÖZŞAR ISBN No: 9789944895459 Yayın No: EG/2008/2 Yayın Yeri: ANKARA Sayfa Sayısı: 216 Faydalı olabilecek kitaplar: EMO yayınları: EMC/EMI gürültü azaltma ve koruma, ekranlama, topraklama ve PCB tasarımı, Yazar Adı: A.S. BEER: TÜRKÇEYE ÇEVİREN AYDIN BODUR, ÇİĞDEM ÖZŞAR ISBN No: 9789944895459 Yayın No: EG/2008/2 Yayın Yeri: ANKARA Sayfa Sayısı: 216 19