Les modes de fonctionnement d'un microsystème

Maintenant, que l’on vient de définir ce qu’est un microsystème, on va voir comment il fonctionne.

Il faut savoir qu’un microsystème sous tension fonctionne toujours, de façon qu’il puisse faire ce que vous lui demandez et qu’il ne se soit pas complétement éteint. On peut prendre l’exemple d’une télévision : quand on l’éteint, il y a une petite lumière rouge qui s’allume de façon à vous montrer qu’elle est toujours branchée et que en appuyant sur la télécommande vous pouvez l’allumer.

Néanmoins les microsystèmes qui ne sont pas utilisés ne doivent pas consommer autant que quand on les utilise, c’est pourquoi il existe plusieurs modes de fonctionnement que l’on va détailler.

Les différents modes de fonctionnement

 

Le mode Running

Le mode Running correspond au moment où l’on utilise le microsystème. Le processeur et les périphériques sont activés. Ce mode correspond quand votre télévision est allumée par exemple.

C’est dans ce mode que le microsystème consomme le plus car tous les composants sont activés. La consommation d’un microsystème en mode Running est de quelques milliampères à quelques dizaines de milliampères. Une fois que l’utilisateur met en veille le microsystème, celui-ci se met en mode IDLE.

Le mode IDLE

Le mode IDLE est utilisé quand le microsystème est en veille. On éteint le processeur car c’est le moment le plus consommateur et on laisse les périphériques allumés. Ceci permet de réveiller le microsystème par un stimuli extérieur.

Par exemple quand vous démarrez votre télévision en appuyant sur votre télécommande, celle-ci est le stimulus extérieur qui sort la télévision du mode IDLE.  Ceci permettra de passer en mode running.

La consommation du mode IDLE est de quelques centaines de microampères à quelques milliampères.

Sleep ou Halt

Pour le mode Sleep, tous les périphériques et le processeur sont éteins. Ce mode n’est pas le plus utilisé parce que vous ne pourrez pas réveiller votre appareil en appuyant sur votre télécommande par exemple. Cela correspond à votre télévision éteinte. Rebrancher votre téléviseur va vous permettre de passer en mode IDLE.

La consommation du mode Sleep est de quelques centaines de milliampères à quelques que microampères.

 

Les différentes méthodes de réveil

Comme on a pu le voir, un microsystème possède plusieurs de mode de fonctionnement. Le but est que le système fonctionne tout en consommant le moins possible. Pour cela, il faut mixer les modes de fonctionnement, on va donc voir différentes techniques pour réveiller le microsystème pour passer de mode IDLE à mode Running.

  • Détection d’appui en mode running

La première technique pour sortir du mode IDLE est la détection d’un stimuli provenant d’une action de l’utilisateur. Cela signifie qu’on va scruter jusqu’à temps que l’utilisateur utilise le microsystème.

On sera donc tout le temps en mode running et il n’y aura pas d’économie d’énergie comme on peut le voir sur le diagramme.

Détection d’appui en mode running
  • Scrutation avec phase de réveil

La scrutation avec phase de réveil permet à un microsystème de se réveiller de temps en temps afin de capter un stimuli extérieur comme appuyer sur le bouton de l’ascenseur. La différence avec la détection d’appui bouton c’est que l’on ne reste pas tout le temps en mode running pour économiser de l’énergie. Mais comme le temps est très restreint entre le mode running et le mode IDLE, l’ascenseur a le temps de capter le bouton appuyé.

• Scrutation avec phase de réveil

On a donc une alternance du mode IDLE et le mode Running ce qui permet d’avoir une consommation moins importante.

  • Réveil sur un événement

La phase de réveil avec événement est la méthode la moins consommatrice pour un microsystème. En effet, celui-ci passe en mode Running que lorsque que l’utilisateur le demande. Par exemple, lorsque l’utilisateur appuie sur sa télécommande pour démarrer sa télévision, c’est un réveil sur événement.

• Scrutation avec phase de réveil

Exercice d’application : Calcul autonomie d’une pile

 

On va étudier une station météo sans fil. Cela va nous permettre de mettre en application les différentes méthodes de fonctionnement afin de calculer l’autonomie de la pile.

Schéma d’une station météo sans fils
Schéma d’une station météo sans fils

Sur le schéma, on peut voir un capteur de température sans fil qui permet de récupérer la température dehors. Celui-ci est alimenté avec une pile 3 volts. On a ensuite une liaison sans fil entre le capteur et un afficheur situé à l’intérieur de la maison et branché sur le secteur.

Le but de l’exercice est de maximiser l’énergie de la pile qui est connectée au capteur de façon à ne pas la changer souvent. On cherche donc à savoir pour quel mode de fonctionnement celle-ci fonctionnera le plus longtemps.

Pour cela on doit connaître les consommations des différents composants du circuit :

  • Liaison sans fil : ILiaison = 20 mA
  • Processeur en marche (mode running) : IProcesseur = 1 mA
  • Capteur de température : ICapteur = 10 µA
  • Processeur en veille (mode IDLE) : ISleep = 1 µA
  • Caractéristique de la pile : 3V et 200 mAh

 

Correction de l’exercice

La pile peut délivrer 200 milli ampère pendant une heure. Grâce à cette information, il nous reste juste à calculer la consommation moyenne du système pour savoir combien de temps la pile peut délivrer l’énergie nécessaire.

a) Détection d’appui en mode Running

Ici la température est envoyée en boucle car le capteur est toujours en mode Running.

IConsommation = ILiaison + IProcesseur + ICapteur

IConsommation = 20*10-3 + 1*10-3 + 10*10-6

IConsommation = 21,01 mA

Détection d’appui en mode running

Le système a donc une consommation moyenne de 21,01 mA en mode détection d’appui d’un bouton poussoir. Sachant que la pile à une autonomie de 200 mAh, on a :

Autonomie calcul

On va maintenant comparer l’autonomie avec les autres modes de fonctionnement.

 

b) Scrutation avec réveil

On va maintenant voir si en alternant le mode running et le mode IDLE on peut améliorer l’autonomie de pile. La scrutation avec phase de réveil permet au capteur de température de se réveiller de temps en temps afin d’envoyer la température. Comme la température extérieure ne change pas toute les 5 minutes, on peut se permettre de l’envoyer moins souvent si on avait que le mode running.

On voudrait un temps de réveil du capteur de 1 ms pour une période de 1 seconde.

On a peut donc reprendre les valeurs de la consommation moyenne de chaque composant .

Pour résumer la situation, le mode running s’active une seule fois toute les 1 secondes pendant 1 milliseconde. Le reste du temps c’est le mode IDLE qui fonctionne. Donc on va calculer la consommation moyenne du mode IDLE pour une seconde et le mode de fonctionement du mode Running.

IConsommation = IIDLE +IRunning
• Scrutation avec phase de réveil

Le mode Running on vient de le calculer précédement, il vaut 21,01 mA. On doit donc le multiplier par 0,01 car il est actif toute les 1 milisecondes.

Le mode Idle comprend seulement le processeur en veille et le capteur allumé. Le capteur reste allumé car souvent il n’y a pas de mode IDLE sur les capteurs vendu sur le marché. Pour cela, il faudrait une intelligence plus importante pour contrôler ces deux mode de fonctionnement ce qui couterait plus cher. Donc celui restera en mode Running.

On a donc :

IIDLE = ICapteur + ISleep * 1 (car 1 seconde) = 10 μA+ 1 μA

IRunning = 21,01 * 0,01 = 21,01 μA (car 1 ms)

On a donc :

IConsommation = IIDLE + IRunning

IConsommation = 11 μA + 21,01 μA ≈ 32 μA

On peut voir que la scrutation avec réveil a consommation moyenne 1000 fois inférieure que la détection d’appui d’un bouton poussoir.

On va voir l’impact que l’on a sur l’autonomie de la pile :

Autonomie pile

On peut voir qu’en variant les modes de fonctionnement entre IDLE et Running on augmente significativement l’autonomie du microsystème pour la même pile.