nRF52 Energieverwaltung

nRF52 Energieverwaltung

nRF52 Energieverwaltung

Übersicht

Das nRF52 Energieverwaltungsmodul bietet Funktionen zum Schutz der Batterie, um Tiefentladung zu verhindern, die Wahrscheinlichkeit von Brownout- und Flash-Korruptionszuständen zu minimieren und eine sichere spannungsbasierte Wiederherstellung zu ermöglichen.

Funktionen

Startspannungs-Schutz (Boot Voltage Protection)

• Überprüft die Batteriespannung unmittelbar nach dem Start und bevor Mesh-Operationen beginnen.
• Liegt die Spannung unter einem konfigurierbaren Schwellenwert (z.B. 3300mV), konfiguriert das Gerät das Aufwachen bei Spannungsschwankungen (LPCOMP + VBUS) und geht in einen schützenden Abschaltzustand (SYSTEMOFF).
• Verhindert Neustart-Schleifen, wenn die Batterie kritisch schwach ist.
• Wird übersprungen, wenn externe Stromversorgung (USB VBUS) erkannt wird.

Spannungs-Aufwecken (LPCOMP + VBUS)

• Konfiguriert den Low Power Comparator (LPCOMP) des nRF52, bevor das Gerät in den SYSTEMOFF-Modus wechselt.
• Ermöglicht die Erkennung von USB VBUS, sodass externe Stromversorgung das Gerät aufwecken kann.
• Das Gerät wacht automatisch auf, wenn die Batteriespannung über den Wiederherstellungsschwellenwert steigt oder wenn VBUS erkannt wird.

Frühe Startregister-Erfassung (Early Boot Register Capture)

• Erfasst RESETREAS (Grund für den Reset) und GPREGRET2 (Grund für das Herunterfahren), bevor SystemInit() diese löscht.
• Ermöglicht der Firmware zu bestimmen, warum sie gestartet wurde (Kaltstart, Watchdog, LPCOMP-Aufwecken usw.).
• Ermöglicht der Firmware zu bestimmen, warum sie zuletzt heruntergefahren wurde (Benutzeranfrage, niedrige Spannung, Startschutz).

Verfolgung des Abschaltgrundes (Shutdown Reason Tracking)

Unterstützte Boards

Hinweise:

• "Implemented" (Implementiert) bezieht sich auf Phase 1 (Start-Sperre + Erfassung des Abschaltgrundes).
• Das benutzergesteuerte Ausschalten beim Heltec T114 aktiviert kein LPCOMP-Aufwecken.
• Die VBUS-Erkennung wird verwendet, um die Start-Sperre bei externer Stromversorgung zu überspringen, und VBUS-Aufwecken wird zusammen mit LPCOMP konfiguriert, wenn die unterstützte Hardware VBUS dem nRF52 zur Verfügung stellt.

Technische Details

Architektur

Die Energieverwaltungsfunktionalität ist in die Basisklasse NRF52Board in src/helpers/NRF52Board.cpp integriert. Board-Varianten stellen hardware-spezifische Konfigurationen über eine PowerMgtConfig-Struktur bereit und überschreiben initiateShutdown(uint8_t reason), um board-spezifische Abschaltarbeiten durchzuführen und bedingt das Spannungs-Aufwecken (LPCOMP + VBUS) zu aktivieren.

Frühe Start-Erfassung (Early Boot Capture)

Ein statischer Konstruktor mit Priorität 101 in NRF52Board.cpp erfasst die Register RESETREAS und GPREGRET2 bevor:

• SystemInit() (Priorität 102) – das RESETREAS löscht
• Statische C++-Konstruktoren (Standardpriorität 65535)

Board-Implementierung

Um die Energieverwaltung auf einer Board-Variante zu aktivieren:

1. In platformio.ini aktivieren:

-D NRF52_POWER_MANAGEMENT

1. Konfiguration in variant.h definieren:

#define PWRMGT_VOLTAGE_BOOTLOCK    3300   // Startet nicht unter dieser Spannung (mV)
   #define PWRMGT_LPCOMP_AIN          7      // AIN-Kanal für Spannungserfassung
   #define PWRMGT_LPCOMP_REFSEL       2      // REFSEL (0-6=1/8..7/8, 7=ARef, 8-15=1/16..15/16)

1. In der Board .cpp-Datei implementieren:

#ifdef NRF52_POWER_MANAGEMENT
   const PowerMgtConfig power_config = {
     .lpcomp_ain_channel = PWRMGT_LPCOMP_AIN,
     .lpcomp_refsel = PWRMGT_LPCOMP_REFSEL,
     .voltage_bootlock = PWRMGT_VOLTAGE_BOOTLOCK
   };

   void MyBoard::initiateShutdown(uint8_t reason) {
     // Board-spezifische Abschaltvorbereitung (z.B. Peripheriegeräte deaktivieren)
     bool enable_lpcomp = (reason == SHUTDOWN_REASON_LOW_VOLTAGE ||
                           reason == SHUTDOWN_REASON_BOOT_PROTECT);

     if (enable_lpcomp) {
       configureVoltageWake(power_config.lpcomp_ain_channel, power_config.lpcomp_refsel);
     }

     enterSystemOff(reason);
   }
   #endif

   void MyBoard::begin() {
     NRF52Board::begin();  // oder NRF52BoardDCDC::begin()
     // ... Board-Einrichtung ...

   #ifdef NRF52_POWER_MANAGEMENT
     checkBootVoltage(&power_config);
   #endif
   }

Für benutzerinitiierte Abschaltungen bleibt powerOff() board-spezifisch. Die Energieverwaltung aktiviert LPCOMP nur für automatisierte Abschaltgründe (Startschutz/niedrige Spannung).

1. Override in der Board .h-Datei deklarieren:

#ifdef NRF52_POWER_MANAGEMENT
     void initiateShutdown(uint8_t reason) override;
   #endif

Konfiguration des Spannungs-Aufweckens (Voltage Wake Configuration)

Der LPCOMP (Low Power Comparator) wird konfiguriert, um:

• Den angegebenen AIN-Kanal (0-7, entsprechend P0.02-P0.05, P0.28-P0.31) zu überwachen.
• Gegen eine VDD-Bruchteilreferenz zu vergleichen (REFSEL: 0-6=1/8..7/8, 7=ARef, 8-15=1/16..15/16).
• UP-Ereignisse (Spannungsanstieg über den Schwellenwert) zu erkennen.
• Eine Hysterese von 50mV für Rauschunempfindlichkeit zu verwenden.
• Das Gerät aus SYSTEMOFF aufzuwecken, wenn ausgelöst.

SoftDevice-Kompatibilität

Der Energieverwaltungscode prüft, ob SoftDevice aktiviert ist, und verwendet die entsprechende API:

• Wenn SD aktiviert: sd_power_*-Funktionen
• Wenn SD deaktiviert: Direkter Registerzugriff (NRF_POWER->*)

CLI-Befehle

Der Status der Energieverwaltung kann über die Kommandozeilenschnittstelle (CLI) abgefragt werden:

Auf Boards ohne aktivierte Energieverwaltung geben get pwrmgt.source und get pwrmgt.bootmv Folgendes zurück:

ERROR: Power management not supported

Debug-Ausgabe

Wenn MESH_DEBUG=1 aktiviert ist, gibt das Energieverwaltungsmodul Folgendes aus:

DEBUG: PWRMGT: Reset = Wake from LPCOMP (0x20000); Shutdown = Low Voltage (0x4C)
DEBUG: PWRMGT: Boot voltage = 3450 mV (threshold = 3300 mV)
DEBUG: PWRMGT: LPCOMP wake configured (AIN7, ref=3/8 VDD)

Phase 2 (Geplant)

• Spannungsüberwachung während des Betriebs
• Spannungszustandsmaschine (Normal -> Warnung -> Kritisch -> Abschaltung)
• Konfigurierbare Schwellenwerte
• Lastabwurf-Callbacks zur Leistungsreduzierung
• Integration von Tiefschlaf
• Geplantes Aufwecken
• Erweiterter Schlaf mit periodischer Überwachung

Referenzen

• nRF52840 Produktspezifikation - POWER
• nRF52840 Produktspezifikation - LPCOMP
• SoftDevice S140 API - Energieverwaltung