Utilizați un portofoliu de microcontrolere cu consum redus de putere

Utilizați un portofoliu de microcontrolere cu consum redus de putere în aplicații IoT

Dezvoltatorii de proiecte cu consum redus de putere pentru domeniul industrial, medical și pentru diverse aplicații IoT trebuie să țină cont de cererea tot mai mare de soluții bazate pe microcontrolere care oferă funcții extinse, fără a compromite bugetele stricte de putere. Pe măsură ce dezvoltarea avansează, aceștia se confruntă, adesea, cu pericolul depășirii pragurilor maxime de putere pentru a îndeplini cerințe funcționale specializate.

Articolul prezintă modul în care portofoliul de microcontrolere cu consum ultra redus de putere al Analog Devices poate satisface aceste cerințe.

Respectarea cerințelor aplicațiilor specializate

Proiectanții trebuie să respecte un set principal de cerințe de înaltă performanță și consum redus de putere pentru a răspunde eficient așteptărilor clienților. În domenii de aplicare atât de diverse precum sănătatea, industria și IoT, aceste cerințe de bază au influențat deciziile de proiectare și au ghidat dezvoltarea de platforme hardware care, în esență, sunt imposibil de distins. Ca urmare, proiectanții pot să își folosească experiența de proiectare hardware și software dobândită într-un domeniu de aplicare pentru a răspunde nevoilor de bază ale unui alt domeniu.

Odată cu creșterea cererii de produse din ce în ce mai sofisticate în aceste domenii, este tot mai dificil pentru proiectanți să respecte cerințele specifice ale aplicațiilor specializate fără a compromite respectarea cerințelor de bază. Segmentele de aplicații au început să se diferențieze puternic prin cerințe unice de conectivitate, securitate și inteligență artificială (AI).

Datorită acestor nevoi în schimbare, conceptul de platformă hardware comună a evoluat pentru a permite proiectanților să îndeplinească cerințele de bază de înaltă performanță și consum redus de putere, bazându-se, în același timp, pe un set familiar de procesoare, completat de capabilități specializate.

Procesor adaptat pentru capabilități specializate

Bazându-se pe procesorul Arm® Cortex®-M4 cu consum ultra redus de putere, cu unitate în virgulă mobilă (FPU), familia de microcontrolere cu consum ultra redus de putere de la Analog Devices oferă proiectanților o platformă capabilă să îndeplinească cerințele principale de putere și performanță.

Pentru a satisface cerințele unice ale diferitelor domenii de aplicare, Analog Devices personalizează această platformă adăugând capabilități specializate pentru patru membri ai portofoliului, respectiv:

• MAX32655 se adresează aplicațiilor care necesită conectivitate Bluetooth Low Energy (BLE) și durată de viață extinsă a bateriei, oferind în același timp suficientă memorie și performanță.
• MAX32690 țintește aplicații care necesită BLE, performanță robustă și memorie extinsă.
• MAX32675C vizează aplicații cu cerințe de semnal mixt necesare pentru senzori industriali și medicali.
• MAX78000 răspunde cererii emergente pentru dispozitive edge inteligente.

Abordarea conectivității

Figura 1: Cu setul său extins de periferice integrate, microcontrolerul MAX32655 suportă o gamă largă de aplicații care necesită conectivitate Bluetooth, procesare de înaltă performanță și utilizare optimizată a energiei. (Sursa imaginii: Analog Devices)

Microcontrolerul MAX32655 de la Analog Devices integrează un procesor Arm Cortex-M4 de 100 MHz cu FPU, 512 Kbytes de memorie flash, 128 Kbytes de memorie statică cu acces aleatoriu (SRAM) și 16 Kbytes de memorie cache pentru instrucțiuni, cu scopul de a asigura o combinație eficientă de performanță de procesare și de stocare a datelor necesară aplicațiilor cu consum redus de putere. Dincolo de acest subsistem de procesare, dispozitivul adaugă un set cuprinzător de blocuri funcționale pentru securitate, managementul puterii, timing și periferice digitale și analogice necesare, de obicei, în dispozitivele de urmărire a activelor, purtabile și de monitorizare a sănătății (figura 1).

Pentru a satisface diversele cerințe de conectivitate Bluetooth ale aplicațiilor, MAX32655 oferă hardware dedicat și software pentru a susține un set complet de caracteristici Bluetooth 5.2. Împreună cu un modul Bluetooth 5.2, microcontrolerul integrează un coprocesor RISC-V pe 32-biți dedicat pentru a gestiona sarcinile de procesare Bluetooth care necesită sincronizare strictă.

Figura 2: Rulând pe Arm Cortex-M4 cu FPU, RISC-V și pe modulul radio al MAX32655, stiva Bluetooth 5.2 suportă un set complet de caracteristici pentru localizare, comunicații de mare viteză și operare pe rază lungă. (Sursa imaginii: Analog Devices)

Acest subsistem Bluetooth respectă cerințele de performanță emergente, oferind un mod de mare viteză de 2 Mbits/s și un mod de rază lungă cu viteze de 125 Kbits/s și 500 Kbits/s. Cei doi pini ai dispozitivului permit dezvoltatorilor să conecteze ușor o antenă off-chip în proiectele compatibile cu Bluetooth. Pentru a completa funcționalitatea Bluetooth 5.2 și a oferi suport pentru aplicații, stiva Bluetooth a dispozitivului rulează pe Arm Cortex-M4 cu FPU, RISC-V și pe modulul radio (figura 2).

Pentru aplicații cu cerințe robuste de performanță și memorie, microcontrolerul MAX32690 de la Analog Devices oferă un Arm Cortex-M4 de 120 MHz cu FPU împreună cu 3 Mbytes de flash, 1 Mbyte de SRAM și 16 Kbytes de memorie cache. În plus față de comparatoarele analogice și perifericele digitale din MAX32655, MAX32690 integrează o interfață de magistrală HyperBus/Xccela pentru acces rapid la memorii flash și SRAM externe atunci când cerințele de memorie depășesc resursele pe cip. Ca și MAX32655, MAX32690 integrează un procesor RISC-V pe 32-biți, care este disponibil pentru procesare autonomă și suport pentru procesare Bluetooth.

Pentru a ajuta dezvoltatorii să optimizeze consumul de putere, fiecare dintre cele patru microcontrolere menționate anterior suportă mai multe moduri de operare cu consum redus de putere. În MAX32655 și MAX32690, modurile de consum redus de putere includ:

• Sleep, când Arm Cortex-M4 cu FPU (CM4) și RISC-V pe 32-biți (RV32) sunt în modul sleep, dar perifericele rămân active
• Modul cu consum redus de putere (LPM), situație în care CM4 se află în stare de repaus, dar cu păstrarea informațiilor importante despre starea curentă (state retention), în timp ce RV32 rămâne activ pentru a transfera date de la perifericele activate
• Modul Micro Power (UPM), în care CM4, RV32 și anumiți pini își păstrează starea, dar timerul watchdog, comparatoarele analogice și UART-ul cu consum redus de putere rămân disponibile pentru a trezi microcontrolerul
• Standby, în care ceasul de timp real rămâne activ, iar toate perifericele păstrează starea
• Backup, când ceasul de timp real rămâne activat, iar memoria sistemului își păstrează starea

În plus, MAX32655 oferă un modul Power Down (PDM) creat pentru a fi utilizat în timpul stocării și distribuției produsului final. În modul PDM, MAX32655 este oprit, dar rămâne operațional un dispozitiv intern de monitorizare a tensiunii. Ca urmare, utilizatorii finali pot activa rapid produsele bazate pe MAX32655 prin îndepărtarea unei clapete de protecție a bateriei sau prin alimentarea în alt mod a produsului.

Figura 3: Diferitele moduri de alimentare ale microcontrolerului MAX32655, cum ar fi modul standby prezentat aici, pot păstra starea sau pot opri complet diferite subsisteme hardware pentru a reduce consumul de energie, menținând în același timp capabilitățile operaționale. (Sursa imaginii: Analog Devices)

Aceste moduri de operare permit economii semnificative de energie chiar și în cazul microcontrolerelor cu consum ultra redus de putere, prin oprirea selectivă a diferitelor blocuri hardware. De exemplu, MAX32655 în modul de operare normal activ, consumă doar 12,9 μA/MHz la 3,0 volți. În modul standby, acesta își păstrează starea sau oprește complet mai multe blocuri pentru a obține un consum de numai 2,1 μA la 3,0 volți, permițând, totodată, dispozitivului să-și reia activitatea în numai 14,7 μs (figura 3).

Alături de capabilitățile lor de operare cu consum redus de putere, nivelul ridicat de integrare al acestor dispozitive ajută dezvoltatorii să reducă complexitatea proiectării și să îndeplinească cerințele pentru o amprentă minimă. De exemplu, sursa de alimentare cu comutație SIMO (single-inductor multiple-output) integrată a MAX32655 necesită doar o singură pereche inductor/capacitor. Astfel, dezvoltatorii pot crea mai ușor proiecte compacte alimentate de o singură celulă de litiu pentru a îndeplini cerințele de montare în aplicații precum urmărirea bunurilor, dispozitive purtabile, auditive și produse similare cu spațiu limitat.

De exemplu, pentru un proiect de căști stereo fără fir (TWS), dezvoltatorii pot implementa o soluție eficientă utilizând MAX32655 cu un minim de componente suplimentare în afara codecului și a sistemului de gestionare a energiei bateriei.

Figura 4: Funcționalitatea integrată a microcontrolerului MAX32655 permite proiecte cu o amprentă și o listă de materiale minime, necesitând puține dispozitive suplimentare în afară de un codec, un dispozitiv de gestionare a energiei și un dispozitiv de interfață precum DS2488 1-wire pentru a implementa o soluție completă de căști TWS și suport de încărcare. (Sursa imaginii: Analog Devices)

Combinarea unui MAX32655 cu aceste dispozitive și cu un link DS2488 cu protocol de comunicație serială 1-wire printr-o interfață cu două porturi oferă un design complet pentru o cască TWS și pentru suportul său de încărcare (figura 4).

Pentru a accelera evaluarea și prototiparea cu aceste microcontrolere, dezvoltatorii pot profita de mai multe resurse de dezvoltare Analog Devices, printre care:

• Kit de evaluare MAX32655 (MAX32655EVKIT)
• Placă feather MAX32655 (MAX32655FTHR)
• Kit de evaluare MAX32690 (MAX32690EVKIT)
• Platformă de dezvoltare MAX32690 cu factor de formă Arduino (AD-APARD32690-SL)

O soluție mai eficientă pentru cerințele de proiectare de semnal mixt

Figura 5: Microcontrolerul MAX32675C cu AFE și modem HART integrate oferă subsistemele necesare pentru a îndeplini cerințele de amprentă mică și consum redus de putere pentru aplicații cu senzori în domeniul medical și industrial. (Sursa imaginii: Analog Devices)

În timp ce MAX32655 și MAX32690 răspund nevoii de produse compacte alimentate de la baterii și compatibile Bluetooth, microcontrolerul de semnal mixt cu consum redus de putere MAX32675C de la Analog Devices răspunde cerințelor specializate pentru aplicații cu senzori în domeniul medical și industrial.

MAX32675C oferă un consum redus de putere la pornire și în timpul funcționării, împreună cu nivelurile ridicate de integrare tot mai solicitate în aceste aplicații. Acesta combină procesorul său Arm Cortex-M4 de 12 MHz și FPU cu 384 Kbytes de flash, 160 Kbytes de SRAM și 16 Kbytes de cache, precum și un front-end analogic de precizie (AFE) și un modem HART (figura 5).

Prin comunicarea cu procesorul printr-o interfață periferică serială internă (SPI), AFE-ul furnizează un set de periferice necesare în aplicațiile cu senzori utilizați în domeniul industrial și medical, printre care un convertor digital-analogic (DAC) de 12-biți și două convertoare analog-digitale (ADC) delta-sigma de înaltă precizie, care pot fi configurate pentru operare pe 16 sau 24-biți. Fiecare ADC dispune de un amplificator cu câștig programabil (PGA) dedicat, cu zgomot redus, de 1x până la 128x, controlat de un multiplexor cu 12 canale de intrare, ce poate fi configurat pentru operare cu 12 canale single-ended sau 6 canale diferențiale.

MAX32675C este ideal pentru a răspunde cererii de instrumente industriale de teren cu consum redus de putere bazate pe senzori și transmițătoare cu ieșire de curent 4-20 mA. De fapt, acest microcontroler a fost proiectat special pentru a nu depăși restricțiile de putere în aplicațiile de 4-20 mA, rezolvând o problemă frecventă în timpul pornirii, unde microcontrolerele au avut dificultăți în menținerea limitelor de putere.

Figura 6: AFE-ul microcontrolerului MAX32675C include un modem HART dedicat pentru a veni în sprijinul instrumentelor de teren existente de 4-20 mA. (Sursa imaginii: Analog Devices)

Pentru a susține o cerință esențială a multor sisteme de control industrial existente, AFE-ul oferă un modem HART complet, simplificând implementarea instrumentelor industriale de teren printr-o buclă de curent 4-20 mA (figura 6).

Cu MAX32675C, dezvoltatorii de aplicații industriale pot configura și controla cu ușurință instrumentele de teren prin conexiunea SPI a modemului HART la nucleul (Arm Cortex-M4) microcontrolerului.

Împreună cu documentația și alte resurse de dezvoltare, Analog Devices oferă kitul de evaluare MAX32675EVKIT MAX32675C pentru a ajuta la accelerarea testării și dezvoltării de prototipuri.

Îndeplinirea cerințelor emergente pentru edge AI

Pentru a crea aplicații eficiente în cât mai multe domenii, dezvoltatorii trebuie să implementeze dispozitive periferice (edge devices) care să execute eficient algoritmi AI pentru procesarea inteligentă a seriilor temporale sau recunoașterea de obiecte, cuvinte sau fețe. MAX78000 de la Analog Devices a fost special proiectat pentru a suporta aceste capabilități, menținând, totodată, cerința fundamentală de consum redus de putere.

La fel ca microcontrolerele cu consum redus de putere descrise anterior, MAX78000 (figura 7) se bazează pe un procesor Arm Cortex-M4 cu FPU, 512 Kbytes de memorie flash, 128 Kbytes de memorie SRAM și 16 Kbytes de memorie cache pentru a îndeplini cerințele de bază de execuție a aplicațiilor. Pentru a sprijini soluțiile edge AI, MAX78000 își mărește subsistemul de procesare cu o pereche de resurse suplimentare, inclusiv:

• Un coprocesor RISC-V pe 32-biți care asigură sistemului capabilități de procesare a semnalului cu consum redus de putere
• Un accelerator de rețea neurală convoluțională (CNN) pentru a răspunde cererii în creștere de dispozitive edge AI

Figura 7: Împreună cu procesoarele sale Arm Cortex-M4 cu FPU și RISC-V pe 32-biți, microcontrolerul MAX78000 integrează un accelerator CNN pentru a crește performanța de inferență în aplicațiile edge AI. (Sursa imaginii: Analog Devices)

MAX78000 suportă aceleași moduri de operare cu consum redus de putere cât și modul de reducere a consumului de energie descrise anterior pentru MAX32655, iar CNN rămâne disponibil prin modurile sleep și low power, păstrarea stării în modurile micropower, standby și backup, precum și un mod de reducere a consumului de energie necesar în timpul stocării și distribuției produsului final.

Ca și în cazul celorlalte microcontrolere discutate aici, nivelul ridicat de integrare al MAX78000 ajută dezvoltatorii să îndeplinească cerințele pentru reducerea listei de materiale (BOM) și a dimensiunii produsului final. Cu ADC-ul integrat al dispozitivului și capabilitățile de procesare a semnalului, dezvoltatorii pot utiliza MAX78000 cu puține componente suplimentare pentru a implementa rapid aplicații edge AI, cum ar fi identificarea cuvintelor cheie (KWS) sau a feței (FaceID).

Pe lângă simplificarea implementării AI la periferie, combinația de moduri de putere multiple, procesoare duble și CNN pe suport hardware a MAX78000 permite dezvoltatorilor să obțină o viteză de inferență rapidă cu un consum minim de energie. Inginerii de la Analog Devices au examinat îndeaproape performanța MAX78000 într-un studiu axat pe aplicații optimizate pentru consum redus de energie.¹

Tabelul 1: Studiul de caz al unei aplicații KWS20 a arătat că o viteză de ceas mai mare a dus la un consum mai mic de energie datorită timpilor de încărcare mai scurți, în special atunci când a fost utilizat doar procesorul Arm. (Sursa imaginii: Analog Devices)

Ca parte a acestui studiu, echipa de inginerie a măsurat consumul de energie și timpul pentru încărcarea kernel-ului (ponderilor modelului), a datelor de intrare și execuția inferenței pentru aplicații tipice edge AI. De exemplu, într-un studiu de caz al KWS cu 20 de cuvinte cheie (KWS20), rezultatele au arătat că dezvoltatorii ar putea utiliza doar procesorul Arm pentru a reduce timpul de încărcare și consumul de energie în timp ce rulează în diferite moduri de operare a puterii ale MAX78000 (Tabelul 1).

Studiul a examinat, de asemenea, efectul asupra consumului de energie și a timpului de încărcare a datelor atunci când procesorul Arm și procesorul RISC-V erau în stare de repaus în perioada de inactivitate (idle time), procesorul RISC-V activându-se doar pentru a efectua încărcarea și a gestiona rețeaua CNN. Studiul a comparat performanța utilizând două surse de ceas diferite: IPO (Internal Primary Oscillator – sursa de ceas principală a MAX78000) la 100 MHz comparativ cu ISO (Internal Secondary Oscillator – sursă de ceas secundară cu consum redus de putere, dar mai lentă) la 60 MHz. A rezultat că reducerea frecvenței ceasului a generat o creștere foarte mare a consumului de energie în ceea ce privește încărcarea și inferența, datorită timpului de finalizare mai lung necesar pentru fiecare (figura 8).

Figura 8: În studiul de caz KWS20, recurgerea la frecvențe de ceas mai mari utilizând doar procesorul RISC-V pentru încărcare și aplicația de gestionare a rețelei CNN a dus la scăderea consumului de energie datorită timpilor mai scurți de încărcare și inferență. (Sursa imaginii: Analog Devices)

În urma studiului lor, echipa Analog Devices a observat că dezvoltatorii ar putea obține o inferență rapidă cu un consum minim de energie prin rularea la frecvențe de ceas mai mari, în special cu procesorul Arm de înaltă performanță, prin utilizarea judicioasă a modurilor de operare a energiei ale MAX78000 și prin reținerea kernel-urilor în memorie pentru a evita pierderea de energie în timpul perioadelor prelungite de încărcare.

Pentru dezvoltatorii care își creează propriile soluții edge AI, Analog Devices oferă un set complet de resurse de dezvoltare pentru MAX78000, inclusiv kitul de evaluare MAX78000EVKIT și placa feather MAX78000FTHR. Pe lângă un microfon digital încorporat, senzori de mișcare, display color și multiple opțiuni de conectare, MAX78000EVKIT include o funcție de monitorizare a consumului de energie pentru a ajuta dezvoltatorii să optimizeze consumul de energie.

Pentru dezvoltarea software, depozitul de instrumente MAX78000 CNN de la Analog Devices oferă documentație, ghiduri de dezvoltare, videoclipuri de instruire și cod sursă pentru kitul de evaluare și placa feather.

Concluzie

Bazându-se pe un subsistem de procesare eficient, Analog Devices prezintă un set de microcontrolere cu consum ultra redus de putere care integrează caracteristicile și capabilitățile special proiectate pentru a susține cerințele specifice ale unor aplicații precum dispozitive purtabile, auditive, de urmărire a activelor, senzori de uz industrial și medical, precum și tehnologii edge AI. Folosind aceste microcontrolere și resursele de suport, dezvoltatorii pot implementa rapid proiecte care să răspundă unor cerințe specializate ale aplicațiilor cu consum redus de putere.

Referință: Developing Power-optimized Applications on the MAX78000

Autor: Rolf Horn – Inginer de aplicații
Rolf Horn, inginer de aplicații la DigiKey, face parte din grupul european de asistență tehnică din 2014, având responsabilitatea principală de a răspunde la orice întrebări legate de dezvoltare și inginerie de la clienții finali din EMEA, precum și de a scrie și corecta articole și bloguri în limba germană pe platformele TechForum și maker.io ale DK. Înainte de DigiKey, a lucrat la mai mulți producători din domeniul semiconductorilor, axându-se pe sisteme embedded FPGA, microcontrolere și procesoare pentru aplicații industriale și auto. Rolf deține o diplomă în inginerie electrică și electronică de la Universitatea de Științe Aplicate din München, Bavaria și și-a început cariera profesională la un distribuitor local de produse electronice în calitate de arhitect de soluții de sistem pentru a-și împărtăși cunoștințele și expertiza în continuă creștere în calitate de consilier de încredere. Hobby-uri: petrecerea timpului cu familia + prietenii, călătoriile cu autorulota personală VW-California și plimbarea cu motocicleta, un BMW GS 100 din 1988.

DigiKey   |   https://www.digikey.ro