Using FRAM memory in battery-less sensors

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1 Using FRAM memory in battery-less sensors Marcel da Silva Institute of Embedded Systems ZHAW Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften

2 Inhalt Wer wir sind Einführung / Motivation Was ist FRAM? Anwendung Messungen Resultate Fazit Ausblick

3 Vorstellung InES Institute of Embedded Systems, Winterthur Gehört zur School of Engineering, ZHAW Tätigkeitsgebiete Zeitsynchronisation mittels IEEE1588 Redundancy Protocols (MRP, PRP) Audio/Video Bridge Ultra Wide Band Comunication (UWB MAC in VHDL) FPGA Implementationen Profinet (PNIO, easyirt, easyio) Ethernet Powerlink

4 Vorstellung Wireless System Group Wireless Technologies IEEE Bluetooth, Bluetooth Low Energy ZigBee 6LoWPAN Proprietäre Systeme Low Power Anwendungen Energy Harvesting

5 Vorstellung Wireless System Group Passive RFID Tag Batterielos ARM Cortex M3, EnergyMicro EPC GEN2 Emulation

6 Vorstellung Wireless System Group Dynapic Wireless Batterieloser Piezo-Switch > 10 Mio. Zyklen Leise (keine Klicks) & flach (1 mm)

7 Einführung / Motivation Vorteile von batterielosen Sensoren Batterieinstallations- und Logistikkosten Entsorgung Ökologie? Grenzen von batterielosen Systemen Energiemenge? Kosten

8 Einführung / Motivation Wo Daten speichern? DRAM Nicht persistent Flash Wenig Schreibzyklen (ca. 10'000) EEPROM Langsam (> 1 ms) Braucht viel Energie Lösung: FRAM

9 Was ist FRAM? Ferroelectric Random Access Memory Aufbau analog DRAM ferroelektrisch statt dialektrisch Meist Blei-Zirkonat-Titanat [Pb(ZrTi)O 3 ] Polarisation ändert durch elektrisches Feld

10 Was ist FRAM? Kein refresh nötig nichtflüchtig Bedeutend schneller als EEPROM unendliche Schreibzyklen (> ) Sicher gegen Strahlen / Magnetfelder Ultra Low Power (~ 35 μa/mhz) Nachteile: Grösserer Platzbedarf, d.h. kleinere Speicherdichte Teuer Kleine Kapazitäten (aktuell bis zu 2 Mb, resp. 256 kb)

11 Was ist FRAM? Erhältlich Als Externe Speichermodule z.b. Ramtron FM25P16 Integriert im Microcontroller Texas Instruments MSP430FR57xx

12 Was ist FRAM? Einsatz mit externem FRAM Modul Microcontroller nicht vorgegeben Bis 256 kb Speicher Nachteil (gegenüber TI MSP430FR57xx) Platz auf PCB Speicherzugriff über SPI / I 2 C

13 Was ist FRAM? Einsatz mit Texas Instruments MSP430FR57xx: Braucht wenig Platz Flexible Speicherkonfiguration Data / Code Nachteil (gegenüber externem Speichermodul) Bei bestehenden Anwendungen Portierung? Anderer Microcontroller? Preis? 16 kb Speicher

14 Anwendung EnOcean ECO100 Atmel AT86RF231 ZigBee Transceiver Adhoco ZigBee receiver mit Lampe Dynamic Power Measurement System von Agilent Blockdiagramm Energy Harvester DCDC Converter LDO Microcontroller FRAM Transceiver 2.4 GHz Antenna

15 Anwendung Transceiver Atmel AT86RF231 ~ 12 ma 0 dbm Microcontroller Atmel Atmega 324PV 8-Bit, EEPROM, FRAM extern, V Texas Instruments MSP430FR Bit, FRAM integriert, V NXP LPC1114 FRAM 32-Bit Cortex M0, FRAM extern, V DCDC, capacitors Micro Harvester Transceiver

16 Messungen FRAM vs EEPROM ATmega324P mit EEPROM ATmega324P externem FRAM Verschiedene Microcontroller mit FRAM ATmega324P mit externem FRAM MSP430FR5739 mit internem FRAM LPC1114 (Cortex M0) mit externem FRAM

17 Resultate Atmel ATmega324P (8 bit Microcontroller) APS counter: EEPROM ~70 μj für 1 Frame

18 Resultate Atmel ATmega324P (8 bit Microcontroller) APS counter: externes FRAM ~40 μj für 1 Frame

19 Resultate TI MSP430FR5739 (16 bit Microcontroller) APS counter: internes FRAM ~50 μj für 1 Frame

20 Resultate LPC1114 (Cortex M0, 32 Bit Microcontroller) APS counter: externes FRAM ~43 μj für 1 Frame

21 Fazit FRAM eignet sich viel besser als EEPROM 40 μj 50 μj gegenüber 70 μj mit EEPROM Microcontroller Mit integriertem FRAM Speicher Mit externem FRAM Speicher Auch 32 Bit Microcontroller möglich Längere Lebensdauer FRAM: > Schreibzyklen Flash: ~10 4 Schreibzyklen EEPROM: ~10 5 Schreibzyklen

22 Ausblick Teuer ist: Gute DCDC Converter Storage Lösung Statt Storage, mit vorhandener Energie arbeiten Zustand in FRAM speichern Register, Konfiguration Zustand wiederherstellen und weiterarbeiten

23 Fragen Fragen? Danke für die Aufmerksamkeit

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