Energy Harvesting eingebaut

Evaluation Kit RE01 im Praxistest

28. März 2022, 6:00 Uhr | Von Klaus Dembowski
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Renesas hat einen äußerst interessanten Mikrocontroller (RE01) nebst passendem Evaluation Kit auf den Markt gebracht. Was dem Entwickler damit geboten wird, wie sich das System in der Anwendung schlägt, zeigt ein Versuch in der Praxis
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Mit dem RE01 hat Renesas einen äußerst interessanten Mikrocontroller nebst passendem Evaluation Kit auf den Markt gebracht. Was dem Entwickler damit geboten wird und wie sich das System in der Anwendung schlägt, zeigt ein Versuch in der Praxis.

Das von Renesas angebotene Kit mit der Bezeichnung Evaluation Kit RE01 1500KB besteht aus einer Platine mit einem Cortex-M0+-Mikrocontroller. Er enthält 1,5 MByte Flash-Speicher, 256 kByte SRAM, eine Real Time Clock, einen LCD-Controller, eine 2D-Graphics Engine, einen 14 bit ADU mit maximal elf Kanälen (auflösungsabhängig), und als Schnittstellen sind UART, I2C und SPI sowie USB 2.0 integriert.

Renesas verwendet in den Dokumenten und auf den Internetseiten leider unterschiedliche Bezeichnungen für den Mikrocontroller und es wird auch nicht deutlich, zu welcher Gruppe Mikrocontroller (RZ, RX, RE …) von Renesas er gehört, was die Orientierung und Informationsbeschaffung unnötig erschwert. Auch bei den gängigen Distributoren findet man ihn nicht auf Anhieb, wenn nicht die exakte Bezeichnung (R7F0E015D2CFB) bekannt ist. Mit RE01 oder auch mit R01DS036 wird man beispielsweise nicht fündig, und es verwundert, dass er unter einer R7-Bezeichnung firmiert.

Der im Evaluation Kit eingesetzte Cortex-M0+-Mikrocontroller gehört zur RE-Familie, die auf der SOTB-Prozesstechnik (Silicon On Thin Buried Oxide, 65 nm) von Renesas basiert. Sie verspricht eine sehr geringe Stromaufnahme sowohl im passiven Stand-by-Mode (500 nA) als auch im aktiven Betrieb (35 µA/MHz) bei hoher Taktfrequenz (64 MHz) mit einer minimalen Versorgungsspannung von 1,62 V.

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Gehäuseausführungen des RE01-Mikrocontrollers von Renesas
Bild 1. Gehäuseausführungen des RE01-Mikrocontrollers von Renesas.
© Renesas

Der auf dem Modul eingesetzte Renesas-Mikrocontroller ist von der Bauform her mit 20 × 20 mm2 (PLQPO144KA-B) relativ groß, was bei der Vielzahl der Interfaces und den hierfür notwendigen Anschlüssen nicht verwundert. Es gibt den Mikrocontroller jedoch auch in kleineren Bauformen wie dem Chipscale Package (CSP) (Bild 1).

Eine Besonderheit des RE01 ist die im Mikrocontroller integrierte Energy Harvesting Control Unit (EHC), die einen unmittelbaren Systemstart ohne vorheriges Aufladen eines separaten Speicherelementes (Kondensator, Akku) ermöglicht.

Große Platine mit vielen Schnittstellen

Das Evaluation Kit RE01 [1] besteht aus einer verhältnismäßig großen Platine (170 × 125 mm2) mit zahlreichen Jumpern, zwei auffallenden Schaltern sowie zahlreichen Anschlüssen und Schnittstellen. Die Signale des Mikrocontrollers sind auf einzelne Kontakte (RE01 Headers) geführt, die bei Bedarf mit Stiftleisten bestückt werden können (Bild 2). Außerdem sind Kontaktleisten gemäß einem Arduino-Uno-Interface vorhanden, sodass − bei entsprechender Programmierung – auch Arduino-Erweiterungsplatinen wie zum Beispiel Sensoren, Aktoren, Interfaces usw. eingesetzt werden können.

Die Platine des Evaluation Kit mit dem Cortex-M0+-Mikrocontroller RE01 im 144-poligen Gehäuse als zentralem Baustein
Bild 2. Die Platine des Evaluation Kit mit dem Cortex-M0+-Mikrocontroller RE01 im 144-poligen Gehäuse als zentralem Baustein.
© Dembowsk

Zum Kit gehören eine In-Door-Solarzelle mit separaten Anschlussleitungen und ein LCD-Modul für das Aufstecken auf eine der beiden PMOD-Schnittstellen (SPI/PMOD1). Außerdem ist ein Micro-USB-Kabel für den USB-1-Anschluss zur Verbindung mit einem Computer dabei. Hiermit können das RE01-Entwicklungsmodul vom PC mit Spannung versorgt und der integrierte J-Link-Debugger (Segger) betrieben werden, um Debugging und das Übertragen der Software (Firmware) in den Mikrocontroller zu ermöglichen. Als Dokumentation liegt ein kleiner vierseitiger Quick Start Guide bei, der für die Inbetriebnahme und als Einstieg ausreichend ist.

Eine Solarzelle kann direkt an den RE01-Mikrocontroller angeschlossen und verwendet werden, sodass das im Flash-Speicher abgelegte Programm bei ausreichend Lichteinfall unmittelbar starten kann.

Bei der mitgelieferten Solarzelle (58 × 49 mm2) handelt es sich um den bekannten Typ AM-1815 (5 V, 48,2 µA bei 200 lx), der seit ca. 15 Jahren erhältlich ist. Entwickelt wurde diese Solarzelle von der Firma Sanyo. Diese hat im Jahr 2011 die der Zelle zugrunde liegende HIT-Technik (Heterojunction with Intrinsic Thin layer) und damit das entsprechende Solarzellenprogramm an Panasonic verkauft. Es ist eine amorphe Solarzelle, bei der ein monokristalliner Siliziumwafer von einer dünnen amorphen Siliziumschicht umhüllt wird, was die HIT-Technik auszeichnet und zu relativ hohen Wirkungsgraden von bis zu 20 % führt. Panasonic hat angekündigt, sich von dieser Solarzellensparte trennen zu wollen, sodass die HIT-Technik wahrscheinlich wieder den Besitzer wechseln wird. Die AM-1815 ist eine klassische Solarzelle für den Einsatz in Innenräumen [2], die bei schwachen Lichtverhältnissen und bei Kunstlicht für typische IoT-Anwendungen gut geeignet und dabei verhältnismäßig preiswert ist. Sie ist momentan bei fast allen bekannten Distributoren zu einem Preis von circa fünf Euro erhältlich.

Das LCD-Modul, das an eine der beiden PMOD-Steckverbinder (Pmod1) anzuschließen ist, entspricht einem E-Paper-Display, wie es erstmalig mit dem Kindle Book Reader bekannt geworden ist. Das Wesentliche ist dabei, dass nur dann ein nennenswerter Strom vom Display aufgenommen wird, wenn Daten geschrieben und damit zur Anzeige gebracht werden. Falls sich die Displaydarstellung nicht ändert, ist die Stromaufnahme sehr gering. Bei dem eingesetzten MIP (Memory in Pixel)-LC-Display (36 × 38 mm2) der Firma Kyocera [3] beträgt die aufgenommene Leistung (UB = 3,3 V) beim Schreiben 75 µW und im Anzeigemodus (Passive Display) nur noch 10 µW. Das MIP-Display ist schwarz mit weißen einzeln ansteuerbaren Pixeln (256 × 256).

Entwicklungsumgebung und Software

Als Entwicklungsumgebung ist Embedded Workbench von IAR [4] vorgesehen, was als erste Maßnahme per Download von IAR zu beziehen und zu installieren ist – und problemlos funktioniert. Sowohl bei IAR als auch bei Renesas ist zuvor eine Registrierung notwendig, um auf die benötigten Daten zugreifen zu können.

Beim ersten Start von Embedded Workbench ist der entsprechende Typ der (kostenlosen) Lizenz anzugeben. Hier kann zum Testen beispielsweise eine 30-Tage-Lizenz oder eine zeitlich unbegrenzte Lizenz gewählt werden, bei der dann die maximale Code-Größe (32 kByte) begrenzt ist. Die von Renesas für das RE01-Entwicklungsmodul verfügbaren Beispiele liegen unter dieser Grenze und sind damit zeitlich unbeschränkt verwendbar.

Renesas stellt verschiedene Beispielprogramme zur Verfügung, die explizit für das Evaluation Kit RE01 1500KB vorgesehen sind, wie LCD-Demo, Energy-Harvesting-Demo, Power-Management und Current-Management. Sie werden am besten in dieser Reihenfolge ausprobiert. So erhält der Entwickler einen guten Eindruck vom System und den Grundlagen, die er dann für eigene Entwicklungen nutzen kann. Die Energy-Harvesting-Demo zeigt beispielsweise eindrucksvoll, dass das Programm bereits bei mäßigem Lichteinfall (200 lx) auf die Solarzelle unmittelbar startet und ein wechselndes Renesas-Logo auf dem LCD anzeigt.

Für die Energy-Harvesting-Funktion [5] sind im Controller drei spezielle Register implementiert: zwei EHC-Control-Register und ein EHC-Resistance-Monitoring-Register. Ein separates Status-Register, das den Energiegehalt − den Ladezustand der Kondensatoren – ausweist, gibt es nicht. Im EHC-Control-Register 0 sind stattdessen zwei Flags vorhanden, die Informationen über den Ladevorgang geben. Die zu setzenden Bits sind im Wesentlichen für die Festlegung von Widerstandswerten vorgesehen, die den Strom der Energiequelle – der Solarzelle – erfassen. Außerdem kann ein zweiter Energiespeicher konfiguriert werden und das EHC-Resistance-Monitoring-Register erlaubt die Angabe eines Korrekturwertes für den Strommesswiderstand.


  1. Evaluation Kit RE01 im Praxistest
  2. Energy Harvesting mit dem Mikrocontroller RE01

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