♎️ 🔘 🕰️ nRF51822の概要：省エネルギーと一部の周辺機器 ☠️ 👨🏼‍🏫 🧑🏽‍🤝‍🧑🏼

こんにちは

前回の記事では、BLEスタックの最小限の機能セットにすぐに慣れ、2つのリモートデバイスを接続する最初のプロジェクトを作成しました。次に、nRF51822のハードウェア、つまりCortex M0コア（256kB / 128kBフラッシュ+ 32kB / 16kB RAM）を備えたARMアーキテクチャに基づく32ビットマイクロコントローラーに注意を向けるときです。

この記事では、おそらくBluetooth Low Energyデバイスの主な機能の1つである時間を費やしたいと思います-省エネ、そしてADC、タイマー、興味深いPPIブロックなどの最も一般的に使用される周辺機器についても考えています。 SPI、I2C、UARTなど、頻繁に使用される残りの周辺機器については、以下の記事で検討します。

それでは始めましょう。

省電力モード

上記のように、BLEチップの重要な機能の1つは低消費電力であり、実際にさまざまなSMARTデバイスでの使用を決定します。 BLEセグメントのリーダーの1つであるノルディックセミコンダクターとそのnRF51822を提供するものを検討してください。

データシートによると、nRF51822には2つの主要な動作モードがあり、そのうちの1つは静止モードであり、省エネのサブモードを切り替える可能性があります。

システムオンモード

システムON-コントローラーが完全に機能し、宣言されたすべての機能を実行するメインモード。コントローラはWFIおよびWFE命令を介してスリープモードに入ります。最初のケースでは、NVICで許可された割り込みでウェイクアップが発生し、2つ目では、NVICで許可されているかどうかにかかわらず、イベントからウェイクアップが発生します。システムONは、スリープモードでは2つの状態（低電力と一定の待機時間）になる可能性があることで注目に値します。

低電力 -低電力消費モード。電力管理システムを最適化することで実現されます。この場合、レギュレーターの一部（詳細については製品仕様を参照）と水晶振動子がオフになります。これにより、カーネルの起動に必要な時間間隔が長くなり、PPIモジュールの要求への応答が遅れます（PPIモジュールの詳細については以下を参照）。このギャップは常に一定ではなく、中断の原因となった周辺機器によって異なる場合があります。低電力を入力するには、 LOWPWRレジスタでタスクをアクティブにする必要があります。このモードは標準であり、リセット後にコントローラが配置されるモードです。

Constant Latencyは、以前のモードとほぼ同じモードです。唯一の違いは、カーネルのレイテンシとPPIモジュール要求への応答が一定で最小であることです。ただし、これは、最小消費モードではありますが、水晶振動子がオンのままなので、消費電力が高くなります。

一定のレイテンシを入力するには、 CONSTLATレジスタでタスクをアクティブにする必要があります。

System ON Low Powerモードでの消費は、アクティブなメモリブロックの数に直接依存し、次のとおりです。

2.6μA -16 Kb RAMアクティブ

3.8μA -32 Kb RAMアクティブ

スペシャリストとノルディックは、システムオンモードでのエネルギー消費を大幅に削減するために、いくつかのルールに従うことをお勧めします。

-組み込みのDC / DCを使用します（最大30％のゲイン）。

-広告パッケージの間隔を広げます。

-可能であれば、広告パッケージの量を減らします。

-可能であれば、無線送信機の電力を減らします。

-スリープモードに切り替える前に、未使用の周辺モジュールを取り外します。

-送信/受信サイクルの完了後、SPI、TWI、UARTモジュールを無効にします。

システムオフモード

システムOFF-最も経済的なエネルギー消費モードが達成されるモード。このモードでは、コントローラーコアが無効になり、すべてのプロセスが停止します。この場合、1つ以上のRAMブロックがアクティブのままです。このモードは、外部DETECT信号、内蔵LPCOMPコンパレータからのANADETECT信号、およびRESET信号によって終了できます。終了後、システムの強制リセットが実行されます。

システムオフモードに入るには、次のレジスタで次の手順を実行します。

1. RESETREAS-覚醒イベントをレジスタに定義します。

2. RAMONおよびRAMONB-レジスタでアクティブなRAMブロックを定義します。

3. SYSTEMOFF-レジスタでシステムオフモードをアクティブにします。

4.コントローラーを起動するユニットを構成します。

SystemOFFスタート機能

#define WAKEUP_PIN 1 void SystemOFF_active(void){ /*   :    */ NRF_POWER->RESETREAS = POWER_RESETREAS_OFF_Detected; /*    RAM */ NRF_POWER->RAMON = POWER_RAMON_OFFRAM0_RAM0Off; /*   P0.01     */ NRF_GPIO->PIN_CNF[WAKEUP_PIN] = (GPIO_PIN_CNF_DIR_Input << GPIO_PIN_CNF_DIR_Pos)| (GPIO_PIN_CNF_PULL_Pulldown << GPIO_PIN_CNF_PULL_Pos)| (GPIO_PIN_CNF_SENSE_High << GPIO_PIN_CNF_SENSE_Pos)| (GPIO_PIN_CNF_INPUT_Connect << GPIO_PIN_CNF_INPUT_Pos); /*      P0.01*/ NRF_GPIOTE->CONFIG[0] = (GPIOTE_CONFIG_MODE_Event << GPIOTE_CONFIG_MODE_Pos)| (WAKEUP_PIN << GPIOTE_CONFIG_PSEL_Pos)| (GPIOTE_CONFIG_POLARITY_LoToHi << GPIOTE_CONFIG_POLARITY_Pos); /*    SystemOFF*/ NRF_POWER->SYSTEMOFF = 1; }

このモードでの消費は、アクティブなメモリブロックの数に直接依存し、次のとおりです。

0.6μA-アクティブRAMブロックなし

1.8μA -16 Kb RAMアクティブ

3.0μA -32 KB RAMアクティブ

一般に、省エネの興味深いモードですが、コントローラーを起動するための可能性の乏しいリストのために、誰もがそれを気に入るわけではありません。

A / Dコンバーター（ADC）

A / Dコンバーター（ADC）は、最も一般的に使用されるマイクロコントローラー周辺機器の1つです。これについてはさまざまな深さのサードパーティの記事が膨大に書かれているため、その動作の原理を説明する意味はありません。ただし、ADCの性能の特徴に注意する価値があります。 NRF51822には1つのADCがあり、その特性はかなり控えめです。

-8つのチャネル+外部基準電圧を供給するための2つの外部チャネル。

-解像度8.9.10ビット。

実際、主な特徴について言えることはすべて。チャネルは多重化されていることに注意してください。同時にサンプリングできるのは1つのチャネルからのみであり、残念ながら変換モードは1つだけです（単一の変換）。タイマーとPPIモジュールを使用して継続的に実装できますが、それについては後ほど説明します。

また、重要なパラメーターは1回の変換の時間です。これは、中間データ処理で複数のチャネルを連続的に変換する場合に考慮する必要があります。

68μs -10ビットADC;

36μs -9ビットADC;

20μs -9ビットADC。

シングル変換モードでADCをアクティブにするには、次のレジスタで次のアクションを実行する必要があります。

1. CONFIG-レジスタ内のADCの解像度を決定します。

2. CONFIG-レジスタの分圧器を決定します。

3. CONFIG-レジスタ内の変換用のチャネル番号を決定します。

4. POWER-レジスタ内の割り込みをアクティブにします（オプション）。

5. 有効 -レジスタ内のADCに電力を供給します。

6. TASKS_START-レジスタで変換を開始します。

以下は、1回の変換でADCを初期化して、割り込みで結果を処理する例です。

ADC初期化関数

 /*    */ /*  - 10 ,   - 1/3,   - 2 */ NRF_ADC->CONFIG |= (ADC_CONFIG_RES_10bit << ADC_CONFIG_RES_Pos)| (ADC_CONFIG_INPSEL_AnalogInputOneThirdPrescaling << ADC_CONFIG_INPSEL_Pos)| (ADC_CONFIG_PSEL_AnalogInput2 << ADC_CONFIG_PSEL_Pos); /*      */ NRF_ADC->INTENSET |= ADC_INTENSET_END_Enabled << ADC_INTENSET_END_Pos; /*   */ NRF_ADC->ENABLE |= ADC_ENABLE_ENABLE_Enabled << ADC_ENABLE_ENABLE_Pos; /*    NVIC    */ NVIC_SetPriority(ADC_IRQn, 1); NVIC_EnableIRQ(ADC_IRQn); /*    */ NRF_ADC->TASKS_START = 1;

ADC割り込みハンドラー

 /*    */ #define ADC_REF 1200 #define ADC_PRESCALING 3 uint16_t adc_value, adc_value_in_mV; void ADC_IRQHandler(void){ /*  ,     */ NRF_ADC->EVENTS_END = 0; /*     */ switch(NRF_ADC->CONFIG >> ADC_CONFIG_PSEL_Pos){ case (ADC_CONFIG_PSEL_AnalogInput2): adc_value = NRF_ADC->RESULT; adc_value_in_mV = ((adc_value*ADC_REF)/1024)*ADC_PRESCALING break; /*         */ default: break; } }

意味の詳細な説明はありません。データシートを読む人にとっては設定が難しくなく（レジスタが少なく、すべてが直感的です）、読みたくない人にとっては、この情報（および以下で説明するもの） ADCを実行して使用するには十分です。

タイマー（TIMER）

NRF51822には、タイマーモード（比較）とカウンター（キャプチャ）の2つのモードで動作できる3つのタイマーがあります。すべてのタイマーは8、16、24、32ビットです。

タイマーモード（比較）：最も一般的なタイマーモード。現在のカウンタ値は、 CC [n]レジスタの値と比較され、これら2つの値が一致するとイベント/割り込みを生成します。時間間隔のカウントに使用できるため、最も一般的に使用されるモード。

カウンタ（信号キャプチャ）モード：外部パルスが到着すると、タイマーはCC [n]レジスタの現在のカウンタ値をキャプチャ（キャプチャ）します。次のパルスで、タイマーは再び同じレジスタのカウンタ値を修正します。したがって、入力パルスの周期または持続時間を取得できます。脈の前と衰退の両方を捉えることができます。非常に便利なタイマーモード。

タイマーの頻度は、次の式を使用して計算されます。

f_{T I M E R} = f r a c 16 \： M H z 2^{p r e s c a l e r}

$f_ {TIMER} = \ frac {16 \：MHz} {2 ^ {prescaler}}$

比較モードでタイマーをアクティブにするには、次のレジスタで次の手順を実行します。

1. モード -レジスタ内のタイマーの動作モードを決定します。

2. プリスケーラ -レジスタ内のクロック信号の除数を決定します。

3. CC [n] -レジスタを読み取る必要がある「ティック」の数を決定します。

4. POWER-レジスターのタイマー電源を有効にします。

5. TASKS_START-レジスタ内のタイマーを開始します。

タイマーを初期化して、1秒間隔でカウントダウンすることを検討してください。以下は、 CC [n]レジスタに設定された値に達したときのタイマー初期化関数とタイマー割り込みハンドラーの関数です。

タイマー初期化機能

  NRF_TIMER1->POWER = 1; /*   */ NRF_TIMER1->MODE = TIMER_MODE_MODE_Timer << TIMER_MODE_MODE_Pos; /*     . :    (16 MHz)  2   9   31250 "" */ NRF_TIMER1->PRESCALER = 9; NRF_TIMER1->CC[0] = 31250; /*   */ NRF_TIMER1->INTENSET = (TIMER_INTENSET_COMPARE0_Enabled << TIMER_INTENSET_COMPARE0_Pos); /*    NVIC    */ NVIC_SetPriority(TIMER1_IRQn, NRF_APP_PRIORITY_HIGH); NVIC_EnableIRQ(TIMER1_IRQn); /*    */ NRF_TIMER1->TASKS_START = 1;

タイマー割り込みハンドラー関数

 void TIMER1_IRQHandler(void){ /*  ,    */ NRF_TIMER1->EVENTS_COMPARE[0] = 0; /*   */ NRF_ADC->TASKS_CLEAR = 1; }

はい、キャプチャ/比較値を保存するためのレジスタは4 CC [0]-CC [3]です。ただし、カウントレジスタは1つしかないため、連続した4つの結果しかカウントできません。

PPIモジュール

他のコントローラー（STM32など）のほとんどの同様の記事のように、各モジュールに個別のポストを割り当て、各レジスタについて議論することが可能であったため、タイマーとADCの機能を簡単かつ不完全に説明した理由に徐々に近づいていますあらゆるもの...そして、これはすべて退屈で二次的なものであり、ADCまたはタイマーに関する記事は必要な最小限の知識ベースを提供するものであり、何度も何度も作成する意味はありません。興味深いnRF51モジュールを検討し、それを使用して標準のTIMER + ADCバンドルを実装することを提案します。これにより、所定のサンプリング周波数での連続変換モードが保証されます。

なぜPPIモジュールが必要なのですか？

PPIモジュールは、コントローラーコアの関与なしにイベント/割り込みデータを1つの周辺機器から別の周辺機器に転送するために必要です。たとえば、RTC（リアルタイムカウンター）の割り込みは、CPUの関与なしで周辺ユニットをトリガーできます。さらに、CPUがスリープまたはオフのときに、周辺機器間のPPIモジュールを介した通信が発生する可能性があります。

この場合、タイマーが設定値に達したイベントの結果として、このモジュールを使用してADC変換を開始できます。したがって、CPUの関与なしに、ADCの継続的な変換を実現します。

そのため、PPIモジュールには4つのグループにまとめられた16のプログラミングチャネルがあります。さらに、システムによって既にプログラムされている12のチャネルがあります。以下は、これらの12チャネルの設定です（ EEP-イベントを引き起こしたイベントの周辺のアドレス、 TEP-イベントの場合に実行されるタスクのアドレス）。

前述したように、各チャネルのモジュールには2つのレジスタがあります。イベントレジスタと、イベントが発生したときに実行されるタスクのレジスタです。

PPIモジュールをアクティブにするには、次のレジスタで次の手順を実行する必要があります。

1. CHENSET-レジスタ内の必要なチャネルでモジュールをアクティブにします。

2. CH [n] .EPP-レジスタ内のイベントのアドレスを決定します。

3. CH [n] .TEP-レジスタ内のタスクのアドレスを決定します。

4. CHG [n] .EN-このチャンネルがレジスターにあるグループをアクティブにします。

以下は、TIMER + ADCバンドルのPPIモジュール初期化関数です。

タイマー初期化機能

 /*  .      NRF_TIMER1->EVENTS_COMPARE[0] */ NRF_PPI->CH[0].EEP = 0x40009140; /*  .      NRF_ADC->TASKS_START */ NRF_PPI->CH[0].TEP = 0x40007000; /*    */ NRF_PPI->CHEN |= PPI_CHEN_CH0_Enabled; NRF_PPI->CHENSET |= PPI_CHENSET_CH0_Enabled; /*    PPI */ NRF_PPI->TASKS_CHG[0].EN = 1;

TIMER + PPI + ADCリンクのプロジェクトコードへのリンクは、記事の付録にあります。

前の記事へのコメントで人々が正しく促したように、nRF51822は最も安定したチップではないという事実に注意を喚起したいと思います。それには多くの非自明な問題があります。さらに、チップ自体は、一方では周辺が豊かで、他方ではかなり貧弱です。 ADCが遅すぎる、最も必要とされる周辺の部分（SPIM、TWI、UART、ADC）のDMAが不足している、FPUが不足している、これらすべてがこのチップの使用を制限します。多くの人は、これはナンセンスだと言うでしょう。なぜなら、あなたの手だけがその場所から来ていれば、より貧弱な特性で多くのクールなデバイスを作ることができるからです。そして、原則として、彼らは正しいでしょう。しかし、現時点では、nRF52832チップを搭載したnRF52デバッグボードがあり、これらすべての欠点がなく、同じ価格帯の51シリーズよりもはるかに安定しています。そのため、さまざまなタスクにコントローラーを選択する際には注意してください。

次の記事では、もしそうであれば、さまざまなインターフェース（SPIS、SPIM、TWI、UART）の実装機能について説明します。RTCやその他の周辺機器をキャプチャできます。

追加情報

バンドルタイマー+ PPI + ADCのプロジェクト実装

PPIインターフェース

nRF51822の概要：クイックスタート

nRF51822の概要：省エネルギーと一部の周辺機器