Jste zde

Nízkoenergetické mikrokontrolery zjednoduší design zdravotnických a průmyslových IoT zařízení

Rolf Horn, DigiKey, 10. Prosinec 2024 - 8:18

Požadavky na výpočetní výkon v průmyslových či zdravotnických zařízeních se stále zvyšují a zároveň je tlak na velmi nízkou spotřebu energie a miniaturizaci. Najít kompromis mezi výkonem, spotřebou a velikostí nám pomůže řada nízkoenergetických mikrokontrolerů od Analog Devices.

Obecně lze konstatovat, že při návrhu jakéhokoliv elektrického zařízení se vždy hledá kompromis mezi výpočetním výkonem a spotřebou energie. V tak rozmanitých aplikačních oblastech, jako je zdravotnictví, průmysl a internet věcí, jsou základní požadavky v podstatě k nerozeznání. To znamená, že lze rychle aplikovat zkušenosti s návrhem hardware a software získané v jedné aplikační oblasti k řešení základních potřeb v oblasti jiné.

S rostoucí poptávkou po stále sofistikovanějších produktech je náročnější splnit konkrétní požadavky dané aplikace, aniž by se museli obětovat některé základní požadavky. Požadavky v jednotlivých odvětví se začaly podstatně odlišovat, jelikož se přicházelo s unikátními požadavky na konektivitu, zabezpečení a umělou inteligenci (AI). Na základě těchto měnících se potřeb se vyvinul koncept společné hardwarové platformy, aby umožnil splnit základní požadavky na vysoký výkon a nízkou spotřebu. Tento článek proto představí portfolio mikrokontrolerů s velmi nízkou spotřebou od Analog Devices.

Základ mikrokontroleru přizpůsobený pro specializované funkce

Mikrokontrolery s velmi nízkou spotřebou v portfoliu od Analog Devices jsou postaveny na nízkopříkonovém jádru Arm Cortex-M4 s FPU jednotkou a nabízejí dostačující výpočetní výkon a zároveň vykazují velmi nízkou spotřebu energie. Pro uspokojení jedinečných požadavků dané aplikace rozděluje portfolio na čtyři základní části, které nabízí různé možnosti konektivity a výkonu:

  • MAX32655 se zaměřuje na aplikace vyžadující konektivitu Bluetooth Low Energy (BLE) a prodlouženou výdrž baterie při současném zajištění dostatečné paměti a výkonu
  • MAX32690 se zaměřuje na aplikace vyžadující BLE, robustní výkon a velkou paměť
  • MAX32675C se zaměřuje na aplikace se smíšenými požadavky na vstupní signály z průmyslových a lékařských senzorů
  • MAX78000 splňuje vznikající poptávku po inteligentních Edge zařízeních

Konektivita

Mikrokontroler MAX32655 je založen na 100 MHz jádru Arm Cortex-M4 s FPU a obsahuje 512 kbajtů Flash paměť, 128 kbytů SRAM a 16 kbytů instrukční mezipaměti. Tím poskytuje efektivní kombinaci výkonu a paměti požadované v typických aplikacích s nízkou spotřebou. Kromě toho přidává komplexní sadu funkčních bloků pro zabezpečení, správu napájení, časování a podporu digitálních a analogových periferií obvykle potřebná pro sledování majetku, nositelná a monitorovací zařízení pro zdravotní péči (obrázek 1).

Obrázek 1: Díky rozsáhlé sadě integrovaných periferií podporuje mikrokontroler MAX32655 širokou škálu aplikací, které vyžadují připojení Bluetooth, vysoce výkonné zpracování a optimalizované využití energie. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

MAX32655 nabízí vyhrazený hardware a software pro podporu kompletní sady funkcí Bluetooth 5.2. díky vyhrazenému 32bitový koprocesoru RISC-V. Tento podsystém Bluetooth splňuje požadavky na výkon, jelikož podporuje režim vysoké propustnosti 2 Mbit/s a režim dlouhého dosahu s rychlostmi 125 Kbit/s a 500 Kbit/s. Dva piny umožňují jednoduše připojit externí anténu přímo určenou pro Bluetooth.

Obrázek 2: Plná sada Bluetooth 5.2, která běží na Arm Cortex-M4 MAX32655 s FPU, RISC-V a rádiem, podporuje kompletní sadu funkcí pro vyhledávání směru, vysokoychlostní komunikaci a provoz na velké vzdálenosti. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Pro aplikace s robustním výkonem a náročnými požadavky na paměť nabízí mikrokontroler MAX32690 120 MHz Arm Cortex-M4 s FPU spolu s 3 MB Flash paměti, 1 MB SRAM a 16 kB vyrovnávací paměti. Kromě analogových komparátorů a digitálních periferií v MAX32655 obsahuje MAX32690 rozhraní pro sběrnici HyperBus/Xccela, která je určena pro vysokorychlostní spouštění z externí paměti Flash a SRAM, kdy požadavky na velikost paměti převyšují velikost paměti na čipu. Stejně jako MAX32655 i MAX32690 obsahuje 32bitový RISC-V procesor, který je k dispozici pro samostatné zpracování a podporu Bluetooth. Aby bylo možné optimalizovat spotřebu energie, každý ze čtyř výše zmíněných mikrokontrolerů podporuje několik provozních režimů s nízkou spotřebou. V MAX32655 a MAX32690 jsou k dispozici následující režimy nízké spotřeby:

  • Spánek (Sleep), kde Arm Cortex-M4 s FPU (CM4) a 32bitovým RISC-V (RV32) jsou v režimu spánku, ale periferie zůstávají zapnuté
  • Režim nízké spotřeby (LPM – Low Power Mode), kde je CM4 ve stavu spánku se zachováním stavu, zatímco RV32 zůstává aktivní pro přesun dat z povolených periferií
  • Režim Micro Power Mode (UPM), kde si CM4, RV32 a některé piny jsou vypnuty a zachovávají si svůj stav, ale k probuzení mikrokontroleru zůstává k dispozici watchdog, analogové komparátory a UART s nízkou spotřebou
  • Pohotovostní režim (Standby), kde hodiny reálného času zůstávají zapnuté a všechna periferní zařízení jsou vypnuta a zachovávají si svůj stav
  • Backup, kde hodiny reálného času zůstávají zapnuté a systémová paměť je vypnuta a zachovává si svůj stav

Kromě toho nabízí MAX32655 režim vypnutí (PDM- Power Down Mode), který je navržený pro použití během skladování a distribuce konečného produktu. V režimu PDM je MAX32655 vypnutý, ale interní monitor napětí zůstává funkční. Výsledkem je, že koncoví uživatelé mohou rychle zapnout produkty odstraněním ochranné bariéry baterie. Tyto provozní režimy nabízí značnou úsporu energie i u mikrokontrolerů s velmi nízkou spotřebou díky selektivnímu vypínání různých hardwarových bloků. Například MAX32655 v normálním aktivním provozním režimu spotřebovává pouze 12,9 μA/MHz při 3,0 V. V pohotovostním režimu si zachová svůj stav nebo zcela vypne několik bloků, aby bylo dosažena spotřeba energie pouze 2,1 μA při 3,0 V, přičemž mikrokontroler umožní obnovit provoz za pouhých 14,7 μs (obrázek 3).

Obrázek 3: Různé režimy napájení mikrokontroleru MAX32655, jako je zde zobrazený pohotovostní režim, mohou zachovat stav nebo zcela vypnout různé hardwarové subsystémy, aby se snížila spotřeba energie při zachování provozní schopnosti. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Vysoká úroveň integrace pomáhá snížit složitost návrhu a splnit požadavky na minimální půdorys. Například integrovaný vícenásobný výstup (SIMO- single-inductor multiple-output) spínaného napájecího zdroje MAX32655 vyžaduje pouze jeden pár induktor/kondenzátor. Výsledkem je návrh kompaktního designu s jedním lithiovým článkem jako je sledování majetku, nositelná zařízení, sluchadla a podobné produkty s omezeným prostorem. Pro skutečně bezdrátový stereo (TWS) design sluchátek lze vytvořit pomocí MAX32655 s minimem dalších komponent. Kombinace MAX32655 s DS2488 (1-wire dual-port link) poskytuje kompletní design pro sluchátka TWS a jejich nabíjecí stanici (obrázek 4).

Obrázek 4: Integrované funkce MAX32655 umožňují vytvořit návrhy s minimálním půdorysem a minimálními počty externích komponent. V kombinaci s DS2488 1-wire lze vytvořit kompletní sluchátko TWS a nabíjecí stanice. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Pro urychlení vývoje lze využít následující desky od Analog Devices:

Efektivní řešení pro senzorové aplikace

Zatímco MAX32655 a MAX32690 jsou určeny pro kompaktní bateriově napájené produkty s podporou Bluetooth, nízkoenergetický mikrokontroler MAX32675C je určen pro lékařské a průmyslové senzorové aplikace. MAX32675C nabízí nízkou spotřebu energie při spouštění i během provozu spolu s vysokou úrovní integrace, která je v těchto aplikacích stále více vyžadována. Kombinuje svůj 12 MHz jádro Arm Cortex-M4 a FPU s 384 Kbytes Flash, 160 Kbytes SRAM a 16 Kbytes Cache pamětí. K dispozici je také přesný analogový front-end (AFE) a HART modem (obrázek 5).

Obrázek 5: Integrovaný modem AFE a HART mikrokontroleru MAX32675C poskytuje subsystémy potřebné ke splnění požadavků na malé rozměry a nízkou spotřebu v průmyslových a lékařských senzorech. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

AFE komunikuje s procesorem přes interní SPI rozhraní a poskytuje 12bitový digitálně-analogové převodníky (DAC) a duální vysoce přesné delta-sigma analogově-digitální převodníky (ADC), které lze nakonfigurovat pro 16bitový nebo 24bitový provoz. Každý ADC má vyhrazený 1x až 128x nízkošumový programovatelný zesilovač zesílení (PGA) řízený 12kanálovým vstupním multiplexerem, který lze nakonfigurovat pro 12 single ended nebo 6 diferenciálních kanálů.

MAX32675C je určen pro 4-20 mA senzory. Ve skutečnosti je tento mikrokontroler výslovně navržen tak, aby nikdy nepřekročil napájení v aplikacích 4-20 mA, a to řeší běžný problém při spouštění, kdy mikrokontrolery mají potíže s udržováním limitů napájení. Pro podporu základních požadavků mnoha existujících průmyslových řídicích systémů poskytuje AFE kompletní HART modem, který zjednodušuje implementaci průmyslových přístrojů přes proudovou smyčku 4-20 mA (obrázek 6).

Obrázek 6: AFE mikrokontroleru MAX32675C obsahuje vyhrazený HART modem pro podporu stávajících 4-20 mA přístrojů v typických průmyslových aplikacích. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

S MAX32675C lze snadno konfigurovat a ovládat průmyslové přístroje prostřednictvím připojení SPI modemu HART k Arm Cortex-M4. K dispozici je vývojová sada MAX32675EVKIT, která pomáhá urychlit testování a vývoj prototypů s mikrokontrolerem MAX32675C.

Splnění požadavků na Edge umělou inteligenci

Algoritmy umělé inteligence AI pro zpracování časových řad, rozpoznávání objektů, slov nebo tváří jsou implementovány do Edge zařízení, a právě pro tyto aplikace je ideální volbou MAX78000 s velmi nízkou spotřebou energie. Stejně jako dříve popsané mikrokontrolery s velmi nízkou spotřebou energie, je MAX78000 (obrázek 7) postaven na Arm Cortex-M4 s FPU, 512 kB Flash, 128 kB SRAM a 16 kB vyrovnávací paměti. Pro podporu Edge řešení AI rozšiřuje MAX78000 svůj subsystém zpracování o dvojici dalších zdrojů:

  • 32bitový RISC-V koprocesor, který poskytuje systému možnosti zpracování signálu s extrémně nízkou spotřebou energie
  • Integrovaný hardwarový akcelerátor konvoluční neuronové sítě (CNN), který uspokojí vznikající poptávku po Edge AI zařízeních

Obrázek 7: Mikrokontroler MAX78000 spolu se svým Arm Cortex-M4 s FPU a 32bitovými RISC-V jádrem má integrován akcelerátor CNN pro zvýšení výkonu v Edge AI aplikacích. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

MAX78000 podporuje stejné provozní režimy s nízkou spotřebou a režimy vypínání, které byly popsány dříve pro MAX32655, přičemž CNN zůstává dostupné prostřednictvím režimu spánku a režimu s nízkou spotřebou. CNN je pozastaven v mikrorežimu, pohotovostním režimu (standby), záložním režimu (backup) a power down režimu, který se používá během skladování a distribuci finálního produktu.

Vysoká úroveň integrace MAX78000 pomáhá splnit požadavky na minimální kusovník (BOM) a velikost produktu. Díky integrovanému ADC převodníku a schopnostem zpracování signálu přímo v zařízení lze použít MAX78000 s několika dalšími komponenty k rychlé implementaci Edge aplikací AI jako je rozpoznávání klíčových slov (KWS) nebo identifikace obličeje (FaceID). Kromě zjednodušení implementace edge AI do zařízení, umožňuje MAX78000 dosáhnout vysoké rychlosti odvození (inference) s minimální spotřebou energie díky kombinaci několika režimů napájení, dvou procesorů a hardwarového CNN. Inženýři Analog Devices provedli podrobnou studii energeticky optimalizovaných aplikací na MAX78000.

V rámci studie (Vývoj aplikací optimalizovaných pro napájení na MAX78000) inženýrský tým změřil spotřebu energie a čas pro načtení modelových hmotností (jádra), načtení vstupních dat a provedení odvození (inference) pro aplikace edge AI. Například v případové studii KWS s 20 klíčovými slovy (KWS20) výsledky ukázaly snížení doby načítání a spotřeby energie při běhu v různých režimech napájení MAX78000 (obrázek 8).

Obrázek 8: Případová studie aplikace KWS20 ukázala, že vyšší taktovací frekvence vedla k nižší spotřebě energie díky kratší době načítání, zejména když byl použit pouze procesor Arm. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Studie také zkoumala vliv na spotřebu energie a dobu, kdy procesor Arm a procesor RISC-V "spali" během nečinnosti, přičemž procesor RISC-V byl probuzen pouze na tak dlouho, aby provedl načítání a spravoval CNN. Zde studie porovnávala výkon pomocí dvou různých zdrojů hodin: interní primární oscilátor (IPO) MAX78000 na 100 MHz versus interní sekundární oscilátor (ISO) na 60 MHz. Snížení hodinové frekvence dramaticky zvýšilo spotřebu energie spojenou s načítáním a inferencí v důsledku delší doby potřebné k dokončení každého úkolu (obrázek 9).

Obrázek 9: V případové studii KWS20 vedlo použití vyšších hodinových frekvencí pouze s jádrem RISC-V pro načítání a správu CNN k nižší spotřebě energie. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Pro aplikace s umělou inteligencí je k dispozici komplexní sada MAX78000EVKIT a propojovací deska MAX78000FTHR. Spolu s integrovaným digitálním mikrofonem, pohybovými senzory, barevným displejem a mnohonásobnými možnostmi připojení obsahuje MAX78000EVKIT také funkci pro hlídání napájení, která pomáhá optimalizovat spotřebu energie. Pro vývoj software je k dispozici úložiště nástrojů pro MAX78000 CNN, kde je příslušná podrobná dokumentace, školicí videa a softwarový kód podporující vyhodnocovací sadu a propojovací desku.

Závěr

Sada mikrokontrolerů od Analog Devices jsou založeny na efektivním základu procesorového subsystému a vyznačuje se extrémně nízkou spotřebou a funkcemi přímo určené pro nositelná zařízení, sluchadla, sledování majetku, průmyslové a lékařské senzory a Egde AI zařízení.

Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com

Hodnocení článku: 

Související články