Делаем клавиатуру с минимальным потреблением на базе микросхемы GreenPAK с программируемым автоматом состояний от Silego

С первого взгляда кажется, что кнопочная клавиатура – это настолько простое и банальное устройство, что в нем нечего улучшать. Однако, как гласит поговорка: нет предела совершенству. Компания Silego подает идею по созданию клавиатур с практически нулевым потреблением, которые могут годами работать даже от самых миниатюрных элементов питания. Для этого предлагается использовать семейство микросхем GreenPAK с программируемым автоматом состояний и гибкую фирменную среду разработки Silego GreenPAK Designer.

Клавиатура на базе микросхем GreenPAK с автоматом состояний от Silego

Рис. 1. Клавиатура на базе микросхем GreenPAK с автоматом состояний от Silego

Клавиатуры являются привычным элементом управления для огромного количества устройств: от стиральных машин до пультов операторов в ЧПУ. Выдумать что-то новое при создании клавиатуры очень сложно. Казалось бы: кнопки, контроллер, элементарная программа – вот и все, что требуется разработчику.

Если посмотреть на новый отладочный набор от Silego, то ничего сверхъестественного мы там не увидим – все те же столбцы и строки из кнопок (рис. 1). Однако есть одно небольшое, но важное отличие: микроконтроллер подключен к клавиатуре не напрямую, а через микросхему GreenPAK от Silego.

GreenPAK – однократно программируемые микросхемы смешанных сигналов, выполненные в миниатюрных корпусах. Они отличаются богатым набором аналоговых блоков, развитой комбинационной логикой и гибкой матрицей соединений. Для создания клавиатур Silego предлагает использовать семейство GreenPAK5 со встроенным автоматом состояний ASM (Asynchronous State Machine). В частности, с помощью SLG46537V/M можно обрабатывать до 54 кнопок.

Применение GreenPAK дает следующие преимущества:

  • достижение минимального потребления за счет использования встроенного автомата состояний ASM (Asynchronous State Machine);
  • упрощение разводки за счет гибкой настройки функций выводов GreenPAK;
  • возможность получения клавиатур с большим числом клавиш, при использовании GreenPAK в миниатюрном 20- или 22-выводном корпусе;
  • возможность работы с широким диапазоном питающих напряжений 1,8…5,0 В.

Рассмотрим упрощенную блок-схему и алгоритм работы клавиатуры, предлагаемой компанией Silego (рис. 2). Связь между контроллером и микросхемой GreenPAK осуществляется с помощью I2C и двух портов ввода-вывода общего назначения. Большую часть времени микроконтроллер находится в состоянии глубокого сна. В это время GreenPAK проводит сканирование клавиатуры. Если обнаружено нажатие какой-либо кнопки, то формируется сигнал прерывания INT, который пробуждает микроконтроллер. После чего по I2C вычитывается информация о состоянии клавиш.

Структурная схема контроллера клавиатуры от Silego

Рис. 2. Структурная схема контроллера клавиатуры от Silego

Как говорилось выше, самым необычным элементом клавиатуры является микросхема GreenPAK. Рассмотрим особенности GreenPAK на примере SLG46537V.

SLG46537V – миниатюрная программируемая микросхема смешанных сигналов, которая, несмотря на малые габариты корпуса STQFN-202 x 3 x 0,55 мм (рис. 3), отличается богатым набором внутренних блоков (рис. 4).

Миниатюрные микросхемы SLG46537V GreenPAK 5 от Silego

Рис. 3. Миниатюрные микросхемы SLG46537V GreenPAK 5 от Silego

Блок-схема SLG46537 от Silego

Рис. 4. Блок-схема SLG46537 от Silego

В состав SLG46537V входят следующие блоки:

  • встроенное ОЗУ и однократно программируемая память конфигурации;
  • развитая система комбинаторной логики;
  • гибкая матрица соединений;
  • программируемый асинхронный автомат состояний ASM;
  • коммуникационный I2C-интерфейс;
  • аналоговые элементы (компараторы, ИОН);
  • гибкая система тактирования с двумя генераторами 25 кГц/ 2 МГц и 25 МГц;
  • фильтры и элементы задержки.

Для данного конкретного приложения ключевую роль играет наличие автомата состояний ASM. Аппаратно ASM представляет собой макроячейку комбинационной логики со множеством входов и восемью выходами, которые подключаются к матрице соединений (рис. 5).

Структура автомата состояний ASM в микросхемах SLG46537

Рис. 5. Структура автомата состояний ASM в микросхемах SLG46537

Настройка автомата состояний достаточна проста. Первым делом от пользователя требуется определить число состояний автомата и определиться с условиями переходов. Далее с помощью графического редактора бесплатной среды проектирования Silego GreenPAK Designer можно без проблем задать требуемый алгоритм работы микросхемы. На сайте Silego доступны версии этой среды для всех основных ОС (Windows XP/Vista/7/8.1 (x86, x64), MACOSX (v10.5) или Ubuntu 12.04).

На рис. 6 представлен пример неполного графа переходов (диаграммы состояний) и соответствующая ему схема, созданная в Silego GreenPAK Designer. Как видно, на схеме темно-серые прямоугольники обозначают устойчивые состояния. Внутри них помещены светло-серые прямоугольники – это те состояния, в которые автомат может перейти при появлении сигнала на входе слева от блока. Например, из состояния High Speed можно перейти в состояние Off при появлении сигнала на входе PIN3.

Пример диаграммы переходов автомата состояний и его реализации в Silego Green PAK Designer

Рис. 6. Пример диаграммы переходов автомата состояний и его реализации в Silego Green PAK Designer

Рассмотрим более подробно алгоритм работы и диаграмму переходов при использовании GreenPAK в качестве контроллера клавиатуры. При включении питания микросхема начинает циклический опрос строк. Для сканирования каждой строки в автомате ASM выделено свое состояние (рис. 7). Переход между состояниями производится по фронту и срезу тактового сигнала. При нажатии клавиши происходит формирование сигнала прерывания INT, который пробуждает управляющий микроконтроллер. Далее выполняется считывание данных по I2C. После этого контроллер имеет возможность сброса автомата состояний GreenPAK с помощью ввода RESET.

Диаграмма переходов автомата состояний контроллера клавиатуры

Рис. 7. Диаграмма переходов автомата состояний контроллера клавиатуры

Предложенная диаграмма переходов была реализована в среде Silego GreenPAK Designer (рис. 8). Выходы автомата состояний подключены к выходам микросхемы, которые в свою очередь подключены к строкам клавиатуры (PIN3, PIN4, PIN5, PIN6, PIN7, PIN10, PIN12, PIN13). Сигналы со столбцов клавиатуры (PIN14, PIN15, PIN16, PIN17, PIN18, PIN19) с помощью комбинационной логики формируют сигнал прерывания INT на выходе PIN20. В данной схеме кроме автомата состояний стоит отметить наличие фильтров для защиты от дребезга.

Реализация контроллера клавиатуры в Silego GreenPAK Designer

Рис. 8. Реализация контроллера клавиатуры в Silego GreenPAK Designer

Как видно из схемы, пользователь может чрезвычайно гибко настраивать алгоритм работы микросхемы и распределять назначение выводов. Это позволяет быстро получать результат и упрощать разводку печатной платы. Однако главным достоинством схемы является сверхнизкое потребление.

Как известно, цифровые устройства имеют очень низкое статическое потребление. То есть, основные потери оказываются динамическими и возникают при переключениях. В нашем случае переключения связаны только с переходами автомата состояний (рис. 9). Для сканирования клавиатуры не требуется быстрой смены состояний, а значит и потребление оказывается минимальным. По заявлениям интернов Silego потребление автомата ASM составляет всего 1 мкА!

Потребление при работе автомата состояний оказывается минимальным

Рис. 9. Потребление при работе автомата состояний оказывается минимальным

Рассмотрим небольшой пример. Пусть вместе с SLG46537 используется микроконтроллер STM8L101 с минимальным потреблением в режиме сна от 0,3 мкА, а питание осуществляется от миниатюрной 3 В батарейки CR927 (9,5 х 2,7 мм). CR927 имеет номинальную емкость 30 мА·ч. Не сложно оценить время автономной работы клавиатуры при отсутствии нажатий: 30 мА·ч / 1,3 мкА = 23076 часов = 2,6 лет. Конечно, в реальном приложении потребление окажется выше, но и батарейка в примере взята самая маленькая.

Таким образом, с помощью микросхем GreenPAK5 со встроенным автоматом состояний можно создавать клавиатуры, которые будут работать несколько лет даже от самых маленьких батареек.

Чтобы ознакомиться с другими особенностями микросхем GreenPAK, можно воспользоваться готовыми отладочными наборами. Плата GreenPAK5 Development Kit используется в качестве универсальной основы, на которую устанавливаются стартовые наборы SKT (рис. 10). Например, для ознакомления с SLG46537V предлагается SLG46537V-SKT (рис. 11).

Внешний вид GreenPAK 5 Development Kit

Рис. 10. Внешний вид GreenPAK 5 Development Kit

Отладочный набор SLG46537V-SKT для SLG46537V

Рис. 11. Отладочный набор SLG46537V-SKT для SLG46537V

В качестве заключения хотелось бы отметить, что контроллер клавиатуры это не единственное приложение, в котором востребованы микросхемы GreenPAK. С развитием Интернета вещей (IoT) будет появляться все больше устройств, в которых GreenPAK могут помочь минимизировать уровень потребления.

Характеристики микросхемы SLG46537V:

  • Тип: однократно программируемая микросхема смешанных сигналов;
  • Память: 8 байт ОЗУ и однократно программируемая ПЗУ конфигурации;
  • Аналоговые функции: четыре компаратора, два фильтра, два ИОН, датчик температуры;
  • Цифровые функции: до 18 портов ввода/вывода, матрица соединений и комбинаторная логика, программируемая схема задержки, программируемый функциональный генератор, пять 8-битных счетчиков, два 16-битных счетчика;
  • Автомат состояний: 8 состояний;
  • Коммуникационный интерфейс: I2C;
  • Встроенные генераторы: 25 кГц, 2 МГц, 25 МГц;
  • Диапазон напряжений питания: 1,8…5 В;
  • Диапазон рабочих температур: -40…85 °C;
  • Корпусное исполнение: 2x3x0,55 мм 20-выводной STQFN.
Производитель: Silego Technologies, Inc
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
GreenPAK2 Development Kit
GreenPAK2 Development Kit
Silego Technologies, Inc
Арт.: 1898711 ИНФО PDF
Поиск
предложений
Отладочный комплект для программируемых матриц смешанных сигналов SLG46400. Для программирования образцов используется бесплатная программа GreenPAK 2 Designer.
GreenPAK2 Development Kit 6170,00 от 2 шт. 5670,00
-
Поиск
предложений
GreenPAK5 Development Kit
GreenPAK5 Development Kit
Silego Technologies, Inc
Арт.: 2094086 ИНФО PDF
Поиск
предложений
Состав ознакомительного набора GreenPAK 5 Development Kit: • Универсальная отладочная плата; • Адаптер для установки микросхем GreenPAK 5 STQFN-20; • Образцы SLG46531V; • USB-кабель (A – Mini B).
GreenPAK5 Development Kit 6090,00
-
Поиск
предложений
SLG46537V-SKT
SLG46537V-SKT
Silego Technologies, Inc
Арт.: 2543258 ИНФО PDF
Доступно: 16 шт.
Выбрать
условия
поставки
Стартовый набор SKT  для ознакомления с SLG46537V.
SLG46537V-SKT 4260,97
16 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
SLG46537V
SLG46537V
Silego Technologies, Inc
Арт.: 2559663 ИНФО PDF
Поиск
предложений
Однократно программируемая микросхема смешанных сигналов, выполненная в миниатюрном корпусе: 2x3x0,55 мм 20-выводной STQFN
SLG46537V 144,03
-
Поиск
предложений