低消費電力の WiFi モジュール ESP32 をさらに少ない電力で使う方法を紹介します．
目次
はじめに
ESP32 は消費電力が少ない IC ですが，CPU 周波数を 80MHz ほどに落としても少なくとも 20mA 程度は流れます．単三アルカリ乾電池だと約 2000mAh なので，2個使いだとざっくり 2000 * (1.5*2 / 3.3) / 20 / 24 = 3.8日で空になってしまいます．
一方，ESP32 には，低消費電力で動作する ULP (Ultra Low Power) コプロセッサが内蔵されています(下図赤丸)．
ULP は 8MHz で動作するシンプルなプロセッサで，4 つの 16bit レジスタと 30 程度の命令を備えています．CPU を deep sleep にした状態で動かすことができます．
そのため，消費電力に対する要求が非常に厳しい条件でも ESP32 を活用できるようになります．
今回は，ULP を使って，高性能な温湿度センサである SHT-3x を I2C 通信で制御する例を紹介します．
動作概要
今回作成するプログラムは下図のような動きをします．
CPU プログラムは ULP プログラムを走らせたらすぐに deep sleep に遷移します．ULP プログラムは定期的に起きて計測を行い，一定数計測データが溜まったら CPU プログラムを起こします．測定データは，deep sleep モード中にも値を保持できる，RTC SLOW memory に保存します．
準備
ソフトをビルドするために，ESP-IDF と binutils-esp32ulp をセットアップします．binutils-esp32ulp のダウンロードはこちらから．
ただし，現時点の binutils-esp32ulp の最新リリース(esp32ulp-elf-binutils-*-7b4f341)はアセンブラにバグがあるので，リポジトリからソースを採ってきて次のようにビルドする必要があります．
[18年6月24日追記: この作業はもはや不要です]
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git clone git@github.com:espressif/binutils-esp32ulp.git cd binutils-esp32ulp ./configure --target=esp32ulp-elf make # リリースビルドの as を上書き cp -f gas/as-new /path/to/esp32ulp-elf-binutils/bin/esp32ulp-elf-as |
ULP 側コード
ULP プログラム全体は，こちらのリポジトリにあります．
ULP は I2C 通信専用の命令も持っているのですが，SHT-3x で必要な通信シーケンスを発行できないので，今回は I2C 通信も含めてソフト(Bit Bang)で実現しています．
ULP の各ソースファイルについて，簡単に説明していきます．
main/ulp/i2c_sht3x.S
SHT-3x 固有の処理を記載しています．sense_sht3x が計測処理本体で，実行すると計測結果が sht3x_sense_value から始まる 4 word に保存されます．
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#include "soc/rtc_cntl_reg.h" #include "soc/rtc_io_reg.h" #include "soc/soc_ulp.h" #include "util_macro.S" .set SHT31_DEV_ADDR,0x88 // 8bit representation (0x44 in 7bit) .set SHT31_CMD_MSB,0x24 .set SHT31_CMD_LSB,0x00 //////////////////////////////////////////////////////////// .bss .global sht3x_sense_value sht3x_sense_value: .long 0 .skip 16 //////////////////////////////////////////////////////////// .text .global sense_sht3x .global sht3x_read_value //////////////////////////////////////////////////////////// sense_sht3x: move r1,SHT31_DEV_ADDR push r1 move r1,SHT31_CMD_MSB push r1 move r1,SHT31_CMD_LSB push r1 psr jump i2c_write_reg8 add r3,r3,3 jumpr sht3x_sense_fail,1,ge wait (8*8000) // 8ms (RTC_FAST_CLK = 8Mhz) wait (8*8000) // 8ms (RTC_FAST_CLK = 8Mhz) wait (8*8000) // 8ms (RTC_FAST_CLK = 8Mhz) move r1,SHT31_DEV_ADDR push r1 move r1,sht3x_sense_value push r1 psr jump sht3x_read_value add r3,r3,2 ret //////////////////////////////////////////////////////////// sht3x_read_value: psr jump i2c_start ld r2,r3,12 // device addeess or r2,r2,1 // read psr jump i2c_write_byte jumpr sht3x_sense_fail,1,ge move r2,0 // ACK psr jump i2c_read_byte push r0 move r2,0 // ACK psr jump i2c_read_byte pop r1 lsh r1,r1,8 or r0,r0,r1 ld r1,r3,8 st r0,r1,0 // sensor value[0] move r2,0 // ack psr jump i2c_read_byte ld r1,r3,8 st r0,r1,4 // sensor value[1] move r2,0 // ACK psr jump i2c_read_byte push r0 move r2,0 // ACK psr jump i2c_read_byte pop r1 lsh r1,r1,8 or r0,r0,r1 ld r1,r3,8 st r0,r1,8 // sensor value[2] move r2,1 // NACK psr jump i2c_read_byte ld r2,r3,8 st r0,r2,12 // sensor value[3] jump i2c_return_success //////////////////////////////////////////////////////////// sht3x_sense_fail: ld r1,r3,8 move r0,0xFFFF st r0,r1,0 // sensor value[0] st r0,r1,4 // sensor value[1] st r0,r1,8 // sensor value[2] st r0,r1,12 // sensor value[3] jump i2c_return_fail |
main/ulp/i2c.S
I2C 関連の処理を記載しています．SDA は GPIO 26，SCL として GPIO25 を使用します．クロックは 200kHz となります．
GPIO 端子については，同じ端子に対する CPU 側と ULP 側の番号の割り振りが異なるので注意．詳細はリファレンスマニュアルの「RTC_MUX Pin Summary」参照．
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#include "soc/rtc_cntl_reg.h" #include "soc/rtc_io_reg.h" #include "soc/soc_ulp.h" #include "util_macro.S" .set I2C_SCL_REG_OFFSET,7 // GPIO_NUM_26 .set I2C_SDA_REG_OFFSET,6 // GPIO_NUM_25 .macro i2c_wait_quarter_clock wait 10 // 8Mhz /10 = 800kHz, clock = 800kHz /4 = 200kHz .endm .macro i2c_scl_L WRITE_RTC_REG(RTC_GPIO_ENABLE_W1TS_REG, RTC_GPIO_ENABLE_W1TS_S + I2C_SCL_REG_OFFSET, 1, 1) .endm .macro i2c_scl_H WRITE_RTC_REG(RTC_GPIO_ENABLE_W1TC_REG, RTC_GPIO_ENABLE_W1TC_S + I2C_SCL_REG_OFFSET, 1, 1) .endm .macro i2c_sda_L WRITE_RTC_REG(RTC_GPIO_ENABLE_W1TS_REG, RTC_GPIO_ENABLE_W1TS_S + I2C_SDA_REG_OFFSET, 1, 1) .endm .macro i2c_sda_H WRITE_RTC_REG(RTC_GPIO_ENABLE_W1TC_REG, RTC_GPIO_ENABLE_W1TC_S + I2C_SDA_REG_OFFSET, 1, 1) .endm .macro i2c_sda_read READ_RTC_REG(RTC_GPIO_IN_REG, RTC_GPIO_IN_NEXT_S + I2C_SDA_REG_OFFSET, 1) .endm .text .global i2c_write_reg8 .global i2c_return_fail .global i2c_return_success .global i2c_stop .global i2c_start .global i2c_write_byte .global i2c_read_byte .global i2c_write_bit .global i2c_read_bit //////////////////////////////////////////////////////////// // usage: // move r1,"DEVICE ADDRESS" // push r1 // move r1,"REGISTER ADDRESS" // push r1 // move r1,"VALUE" // push r1 // psr // jump i2c_write_reg8 // add r3,r3,3 i2c_write_reg8: psr jump i2c_start ld r2,r3,16 // device addeess psr jump i2c_write_byte jumpr i2c_return_fail,1,ge ld r2,r3,12 // register address psr jump i2c_write_byte jumpr i2c_return_fail,1,ge ld r2,r3,8 // value psr jump i2c_write_byte psr jump i2c_stop jumpr i2c_return_fail,1,ge jump i2c_return_success //////////////////////////////////////////////////////////// i2c_return_fail: move r0,1 ret //////////////////////////////////////////////////////////// i2c_return_success: move r0,0 ret //////////////////////////////////////////////////////////// i2c_start: WRITE_RTC_REG(RTC_GPIO_OUT_REG, RTC_GPIO_OUT_DATA_S + I2C_SCL_REG_OFFSET, 1, 0) WRITE_RTC_REG(RTC_GPIO_OUT_REG, RTC_GPIO_OUT_DATA_S + I2C_SDA_REG_OFFSET, 1, 0) i2c_sda_L i2c_wait_quarter_clock ret //////////////////////////////////////////////////////////// i2c_stop: i2c_wait_quarter_clock i2c_scl_L i2c_wait_quarter_clock i2c_wait_quarter_clock i2c_scl_H i2c_wait_quarter_clock ret //////////////////////////////////////////////////////////// // r2: the byte to write i2c_write_byte: stage_rst _i2c_write_byte_next_bit: and r0,r2,0x80 psr jump i2c_write_bit lsh r2,r2,1 stage_inc 1 jumps _i2c_write_byte_next_bit,8,lt psr jump i2c_read_bit ret //////////////////////////////////////////////////////////// // r2: send ack (0: ACK, 1: NACK) i2c_read_byte: push r2 move r2,0 stage_rst _i2c_read_byte_next_bit: psr jump i2c_read_bit lsh r2,r2,1 or r2,r2,r0 stage_inc 1 jumps _i2c_read_byte_next_bit,8,lt pop r0 psr jump i2c_write_bit move r0,r2 ret //////////////////////////////////////////////////////////// // r0: the bit to write (0 or 1) i2c_write_bit: i2c_wait_quarter_clock i2c_scl_L i2c_wait_quarter_clock jumpr _i2c_write_bit_0,1,lt _i2c_write_bit_1: i2c_sda_H jump _i2c_write_tick _i2c_write_bit_0: i2c_sda_L _i2c_write_tick: i2c_wait_quarter_clock i2c_scl_H i2c_wait_quarter_clock ret //////////////////////////////////////////////////////////// i2c_read_bit: i2c_wait_quarter_clock i2c_scl_L i2c_wait_quarter_clock i2c_sda_H i2c_wait_quarter_clock i2c_scl_H i2c_sda_read i2c_wait_quarter_clock ret |
main/ulp/main.S
ULP のプログラム本体です．sense_count で指定された回数だけ SHT-3x による計測を行った後，CPU を起こします．
ULP 側のプログラムで定義した変数は，CPU 側からは接頭辞「ulp_」をつけてアクセスできますので，CPU 側からは ulp_sense_count という変数に対して書き込みを行う形になります．
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#include "soc/rtc_cntl_reg.h" #include "soc/rtc_io_reg.h" #include "soc/soc_ulp.h" #include "util_macro.S" .set SENSE_SIZE,4 .set SENSE_BUF_ENTRY,10 .set SENSE_BUF_SIZE,(4*SENSE_BUF_ENTRY*SENSE_SIZE) .bss .global sense_count sense_count: .long 0 .balign 4 .global sense_data sense_data: .long 0 .skip SENSE_BUF_SIZE .global stack stack: .skip 100 .global stackEnd stackEnd: .long 0 .text .global entry entry: move r3,stackEnd // Check whether CPU is in deep sleep or not // // https://github.com/espressif/esp-idf/issues/484 // > This bit indicates that the SoC is sleeping and RTC is ready to receive wakeup command. READ_RTC_REG(RTC_CNTL_DIAG0_REG, 19, 1) and r0, r0, 1 jump exit, eq sleep 0 psr jump sense_sht3x move r2,sense_count ld r0,r2,0 move r1,sense_data _sense_data_pos: sub r0,r0,1 jumpr _copy_sense_data,1,lt add r1,r1,SENSE_SIZE jump _sense_data_pos _copy_sense_data: move r2,sht3x_sense_value ld r0,r2,0 st r0,r1,0 ld r0,r2,4 st r0,r1,4 ld r0,r2,8 st r0,r1,8 ld r0,r2,12 st r0,r1,12 // decrement sense_count move r2,sense_count ld r0,r2,0 sub r0,r0,1 jumpr wake_cpu,1,lt st r0,r2,0 halt wake_cpu: // reset sense_count move r0,0 st r0,r2,0 wake // stop wake up timer WRITE_RTC_FIELD(RTC_CNTL_STATE0_REG, RTC_CNTL_ULP_CP_SLP_TIMER_EN, 0) exit: halt |
main/ulp/util_macro.S
スタック操作のマクロです．レジスタ r3 はスタックポインタとして占有する前提になっています．
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.macro push rx st \rx,r3,0 sub r3,r3,1 .endm .macro pop rx add r3,r3,1 ld \rx,r3,0 .endm .macro psr .set Lret_addr,(.+16) move r1,Lret_addr push r1 .endm .macro ret pop r1 jump r1 .endm |
CPU 側コード
最初の起動時に ULP のプロフラムのロードと GPIO の初期化を行い，それ以降は起きる度に計測結果に対する処理を行う形になります．
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#define SENSE_INTERVAL 30 // sensing interval #define SENSE_COUNT 10 // buffering count extern const uint8_t ulp_main_bin_start[] asm("_binary_ulp_main_bin_start"); extern const uint8_t ulp_main_bin_end[] asm("_binary_ulp_main_bin_end"); const gpio_num_t gpio_scl = GPIO_NUM_26; const gpio_num_t gpio_sda = GPIO_NUM_25; static void init_ulp_program() { rtc_gpio_init(gpio_scl); rtc_gpio_set_direction(gpio_scl, RTC_GPIO_MODE_INPUT_ONLY); rtc_gpio_init(gpio_sda); rtc_gpio_set_direction(gpio_sda, RTC_GPIO_MODE_INPUT_ONLY); ESP_ERROR_CHECK( ulp_load_binary( 0, ulp_main_bin_start, (ulp_main_bin_end - ulp_main_bin_start) / sizeof(uint32_t) ) ); REG_SET_FIELD(SENS_ULP_CP_SLEEP_CYC0_REG, SENS_SLEEP_CYCLES_S0, rtc_clk_slow_freq_get_hz()*SENSE_INTERVAL); } void app_main() { if (esp_sleep_get_wakeup_cause() != ESP_SLEEP_WAKEUP_ULP) { init_ulp_program(); } else { // ここに来たときは，計測結果が ulp_sense_data に入っている } ulp_sense_count = SENSE_COUNT; ESP_ERROR_CHECK(esp_sleep_enable_ulp_wakeup()); ESP_ERROR_CHECK(ulp_run((&ulp_entry - RTC_SLOW_MEM) / sizeof(uint32_t))); esp_deep_sleep_start(); } |
消費電流
20秒ごとに SHT-3x で計測する設定で動かした場合，消費電流は下図のようになりました．
SHT-3x のデータシートによると測定中の消費電流は typ 0.8mA なので，定期的に増えている消費電流はほぼ SHT-3x によるものと推測されます．
測定時以外の電流値は 5uA 程度でした．
平均消費電流は 0.024 mA となり，乾電池 2個使いでも 2000 * (1.5*2 / 3.3) / 0.024 / 24 = 3156日持つ計算になります．実際の使用条件での電池寿命は WiFi 通信(150mA程度) の頻度が規定する形になりそうです．
まとめ
ESP32 の ULP を使うことで，CPU を使う場合に比べて 100分の1以下の電力で I2C による温湿度計測ができることが確認できました．
コメント
[…] . 参考： bitluni：ULPSoundESP32：今回のスケッチがあります。 espressif：espressif/esp-iot-solution：ULPコプロセッサおよびアセンブリ環境設定の概要 espressif：esp32 ulp programming：esp32 ulpプログラミング docs.espressif：ULP coprocessor instruction set：ULPコプロセッサ命令セット Rabbit Note：ESP32 の ULP コプロセッサを使って超低消費電力 I2C 通信： […]