Využití portfolia mikrokontrolérů s nízkou spotřebou ke zjednodušení návrhu zdravotnických a průmyslových zařízení IoT

Vývojáři nízkoenergetických návrhů pro průmysl, zdravotnictví a různé aplikace Internetu věcí (IoT) čelí nepřetržité poptávce po řešeních založených na mikrokontrolérech, která nabízejí bohatou funkčnost bez kompromisů v napjatých energetických rozpočtech. S pokračujícím vývojem často riskují překročení maximálních prahových hodnot výkonu, aby se uspokojily specializované požadavky na funkce.

Tento článek ukazuje, jak může těmto požadavkům vyhovět portfolio mikrokontrolérů společnosti Analog Devices s velmi nízkou spotřebou.

Uspokojení požadavků specializovaných aplikací

Konstruktéři musejí splnit základní požadavky na vysoký výkon a nízkou spotřebu energie, protože jen tak budou moci účinně reagovat na očekávání zákazníků. V natolik rozmanitých aplikačních oblastech, jako jsou zdravotnictví, průmysl a Internet věcí (IoT), tyto základní požadavky většinou dominovaly při rozhodování ohledně návrhu a určovaly vývoj hardwarových platforem, které jsou prakticky k nerozeznání. Ve výsledku tak konstruktéři rychle aplikovat zkušenosti s návrhem hardwaru a softwaru získané v jedné oblasti aplikace k řešení základních potřeb v jiných oblastech.

S rostoucí poptávkou po stále důmyslnějších produktech v těchto oblastech je pro konstruktéry náročnější vyhovět konkrétním požadavkům specializovaných aplikací, aniž by bylo nezbytné obětovat schopnost uspokojit základní požadavky. Segmenty aplikací se začaly výrazně odlišovat a jejich požadavky na konektivitu, zabezpečení a umělou inteligenci (AI) začaly být čím dál jedinečnější.

Na základě těchto měnících se potřeb se vyvinul koncept společné hardwarové platformy, aby konstruktérům umožnil vyhovět základním požadavkům na vysoký výkon i nízkou spotřebu a zároveň spoléhal na známou sadu procesorů doplněnou o specializované funkce.

Základ procesoru šitý na míru specializovaným funkcím

Zástupci portfolia mikrokontrolérů od společnosti Analog Devices postavení na modelu Arm® Cortex®-M4 s ultra-nízkou spotřebou a s jednotkou plovoucí desetinné čárky (FPU) nabízejí konstruktérům známou platformu splňující základní požadavky na spotřebu a výkon.

Aby bylo možné uspokojit jedinečné požadavky různých oblastí použití, společnost Analog Devices přizpůsobuje tento základ specializovanými funkcemi u čtyřech členů portfolia včetně následujících:

• Model MAX32655 cílí na aplikace vyžadující konektivitu Bluetooth Low Energy (BLE) a prodlouženou výdrž baterie při zajištění dostatečné paměti a výkonu.
• Model MAX32690 cílí na aplikace vyžadující technologii BLE, robustní výkon a rozsáhlou paměť.
• Model MAX32675C cílí na aplikace se smíšenými požadavky na signály nezbytné pro průmyslové a lékařské senzory.
• Model MAX78000 uspokojuje vznikající poptávku po inteligentních okrajových zařízeních.

Řešení konektivity

V mikrokontroléru MAX32655 od společnosti Analog Devices je integrován 100MHz procesor Arm Cortex-M4 s pohylivou řádovou tečkou (FPU), 512 kB flash paměti, 128 kB statické paměti s náhodným přístupem (SRAM) a 16kB instrukční mezipaměti, což mu umožňuje poskytovat efektivní kombinaci výkonu procesoru a paměti požadované v typických aplikacích s nízkou spotřebou. Kromě tohoto zpracovatelského subsystému zařízení přidává také komplexní sadu funkčních bloků pro zabezpečení, správu napájení, časování a digitální i analogová periferní zařízení obvykle důležitá pro sledování majetku, nositelnou elektroniku a zdravotnická monitorovací zařízení (obrázek 1).

Obrázek 1: díky rozsáhlé nabídce integrovaných periferií podporuje mikrokontrolér MAX32655 celou řadu aplikací, které vyžadují připojení Bluetooth, velmi výkonné zpracování a optimalizované využití energie. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Pro splnění různých požadavků na připojení Bluetooth pro různé aplikace poskytuje MAX32655 vyhrazený hardware a software, aby byla zajištěna podpora kompletní sady funkcí Bluetooth 5.2. Spolu s rádiem Bluetooth 5.2 mikrokontrolér integruje vyhrazený 32bitový koprocesor RISC-V, který zvládá časově kritické úlohy zpracování Bluetooth. Tento podsystém Bluetooth vyhovuje nově vznikajícím požadavkům na výkon, podporuje režim vysoké propustnosti 2 megabity za sekundu (Mbit/s) a režim dlouhého dosahu s rychlostmi 125 kilobitů za sekundu (Kbit/s) a 500 Kbit/s. Díky dvěma pinům na zařízení můžou vývojáři jednoduše připojit mimočipovou anténu v provedeních s podporou Bluetooth. Po dokončení funkce Bluetooth 5.2 a poskytnutí podpory aplikací se běhová sada Bluetooth zařízení rozšiřuje přes Arm Cortex-M4 s FPU, RISC-V a rádiem (obrázek 2).

Obrázek 2: kompletní sada Bluetooth 5.2 běžící jádru Arm Cortex-M4 mikrokontoléru MAX32655 s technologiemi FPU, RISC-V a rádiem podporuje plnou nabídku funkcí pro vyhledávání směru, vysokopropustnou komunikaci a provoz na velké vzdálenosti. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Pro aplikace s robustním výkonem a požadavky na paměť nabízí mikrokontrolér MAX32690 od společnosti Analog Devices 120MHz Arm Cortex-M4 s FPU spolu s 3MB flash pamětí, 1 MB SRAM a 16 kB vyrovnávací paměti. Kromě analogových komparátorů a digitálních periferií v MAX32655 integruje MAX32690 rozhraní sběrnice HyperBus/Xccela pro vysokorychlostní spouštění z externí paměti flash a SRAM pro případy, kdy požadavky na paměť převyšují zdroje na čipu. Stejně jako v modelu MAX32655 je i v modelu MAX32690 integrovaný 32bitový RISC-V procesor, který je k dispozici pro samostatné zpracování a podporu zpracování Bluetooth.

Aby mohli vývojáři optimalizovat spotřebu energie, každý ze čtyř výše zmíněných mikrokontrolérů podporuje několik provozních režimů s nízkou spotřebou. V modelech MAX32655 a MAX32690 jde o tyto režimy nízké spotřeby:

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

Navíc nabízí MAX32655 také režim vypnutí (PDM) navržený pro použití během skladování a distribuce koncového produktu. V režimu PDM je MAX32655 vypnutý, ale interní monitor napětí zůstává dál v provozu. Ve výsledku tak koncoví uživatelé můžou rychle zapnout produkty založené na MAX32655 odstraněním ochranného krytu baterie nebo jiným připojením napájení k produktu.

Tyto provozní režimy dokážou nabídnout značnou úsporu energie i u mikrokontrolérů s velmi nízkou spotřebou zásluhou selektivního vypínání různých hardwarových bloků. MAX32655 například v normálním aktivním provozním režimu spotřebovává jen 12,9 mikroampérů na megahertz (μA/MHz) při 3,0 voltech. V pohotovostním režimu si zachová svůj stav nebo úplně vypne několik bloků, aby se dosáhlo spotřeby energie pouze 2,1 μA při 3,0 voltech, přičemž zařízení umožní obnovit provoz už za 14,7 mikrosekund (μs) (Obrázek 3).

Obrázek 3: Různé režimy napájení mikrokontroléru MAX32655, jako je zde zobrazený pohotovostní režim, můžou zachovat stav nebo úplně vypnout různé hardwarové subsystémy za účelem snížení spotřeby energie při zachování provozní schopnosti. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Spolu s jejich provozními schopnostmi s nízkou spotřebou energie napomáhá vysoká úroveň integrace těchto zařízení vývojářům omezit složitost návrhu a vyhovět požadavkům na minimální půdorys. Například integrovaný napájecí zdroj MAX32655 s jedním induktorem a více výstupy (SIMO) vyžaduje jen jeden pár induktor/kondenzátor. Ve výsledku jsou vývojáři schopni snadněji vytvářet kompaktní designy poháněné jediným lithiovým článkem, které splňují požadavky na balení v aplikacích, jako jsou sledování majetku, nositelná zařízení, sluchadla a podobné produkty s omezeným prostorem.

Vývojáři můžou například pro konstrukci skutečně bezdrátových stereofonních sluchátek (TWS) implementovat efektivní řešení pomocí MAX32655 s minimem dalších komponent kromě kodeku a správy napájení baterie. Kombinace MAX32655 s těmito zařízeními a DS2488 1-wire dual-port link poskytuje kompletní design sluchátka TWS a jeho nabíjecí kolébky (Obrázek 4).

Obrázek 4: Integrované funkce mikrokontroléru MAX32655 umožňují návrhy s minimálním půdorysem a minimálním soupisem materiálů, které vyžadují jen několik dalších zařízení kromě kodeku, zařízení pro správu napájení a zařízení rozhraní, jako je DS2488 1-wire, pro realizaci kompletního řešení sluchátek TWS a nabíjecí kolébky. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Pro urychlení vyhodnocování a prototypování s těmito mikrokontroléry můžou vývojáři využít výhody několika vývojových zdrojů společnosti Analog Devices, včetně těchto:

• Vyhodnocovací sada MAX32655 (MAX32655EVKIT)
• Featherboard MAX32655 (MAX32655FTHR)
• Vyhodnocovací sada MAX32690 (MAX32690EVKIT)
• Vývojová platforma MAX32690 Arduino (AD-APARD32690-SL)

Efektivnější řešení požadavků na design se smíšeným signálem

Zatímco MAX32655 a MAX32690 řeší poptávku po kompaktních bateriově napájených produktech s podporou Bluetooth, nízkoenergetický mikrokontrolér MAX32675C společnosti Analog Devices se smíšeným signálem řeší specializované požadavky 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 žádanější. Kombinuje svůj 12MHz procesor Arm Cortex-M4 a FPU s 384 Kbajty flash, 160 Kbajty SRAM a 16 Kbajty cache, stejně jako s přesným analogovým front-end (AFE) a HART modemem (Obrázek 5).

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

AFE komunikuje s procesorem prostřednictvím interního sériového periferního rozhraní (SPI) a poskytuje sadu periferních zařízení, která jsou obvykle vyžadována v průmyslových a lékařských senzorových aplikacích, včetně 12bitového digitálně-analogového převodníku (DAC) a dvou vysoce přesných analogově-digitálních převodníků (ADC) delta-sigma, které se dají 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 12kanálový jednokoncový nebo 6kanálový diferenciální provoz.

MAX32675C je obzvláště vhodný pro uspokojení poptávky po nízkoenergetických průmyslových terénních přístrojích založených na 4–20miliampérových (mA) senzorech a vysílačích. Ve skutečnosti je tento mikrokontrolér speciálně navržený tak, aby nikdy nepřekročil omezení napájení v aplikacích 4–20 mA, což řeší běžný problém při spouštění, kdy mikrokontroléry mají potíže s udržováním limitů napájení.

Pro podporu základního požadavku mnoha existujících průmyslových řídicích systémů poskytuje AFE kompletní modem HART zjednodušující implementaci průmyslových provozních přístrojů přes proudovou smyčku 4–20 mA (Obrázek 6).

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

S modelem MAX32675C můžou vývojáři průmyslových aplikací snadno konfigurovat a ovládat terénní přístroje prostřednictvím připojení SPI modemu HART k Arm Cortex-M4.

Společnost Analog Devices nabízí vedle dokumentace a dalších zdrojů pro vývoj také vyhodnocovací sadu MAX32675EVKIT MAX32675C, která přispívá k urychlení testování a vývoji prototypů.

Vyhovění novým požadavkům na okrajovou umělou inteligenci

Aby mohli vývojáři vytvářet efektivní aplikace v rostoucím počtu oblastí, neobejdou se bez implementace okrajových zařízení, která efektivně spouštějí algoritmy AI pro inteligentní zpracování časových řad nebo rozpoznávání objektů, slov či tváří. Model Analog Devices MAX78000 je navržen speciálně pro podporu těchto schopností při zachování základního požadavku na nízkou spotřebu energie.

Stejně jako dříve popsané mikrokontroléry s velmi nízkou spotřebou energie i model MAX78000 (Obrázek 7) staví na Arm Cortex-M4 s procesorem FPU, 512 kB flash, 128 kB SRAM a 16 kB vyrovnávací paměti, aby vyhověl základním požadavkům na provádění aplikací. V rámci zajištění podpory okrajových řešení AI rozšiřuje MAX78000 svůj subsystém zpracování o dvojici dalších zdrojů, včetně těchto:

• 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 okrajových AI zařízeních

Obrázek 7: mikrokontrolér MAX78000 společně s procesory Arm Cortex-M4 s technologií FPU a 32bitovým procesorem RISC-V integruje akcelerátor CNN, který zvyšuje výkon inference v aplikacích umělé inteligence. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Mikrokontrolér MAX78000 podporuje stejné provozní režimy s nízkou spotřebou energie a režim vypnutí, které byly popsány dříve u modelu MAX32655, přičemž akcelerátor CNN zůstává k dispozici v režimech spánku a nízké spotřeby, udržuje stav v režimech mikro napájení, pohotovostním režimu a zálohování a v režimu vypnutí pro použití při skladování a distribuci koncových produktů.

Stejně jako u ostatních zde probíraných mikrokontrolérů pomáhá vysoká úroveň integrace modelu MAX78000 vývojářům splnit požadavky na minimální soupis materiálů (BOM) a velikost koncového produktu. Zásluhou integrovaného ADC a schopností zpracování signálu v zařízení dokážou vývojáři pomocí MAX78000 s několika dalšími komponenty rychle implementovat okrajové aplikace AI, jako jsou rozpoznávání klíčových slov (KWS) nebo identifikace obličeje (FaceID).

Kromě zjednodušení implementace okrajové umělé inteligence umožňuje kombinace více režimů napájení, dvou procesorů a hardwarově založeného CNN MAX78000 vývojářům dosáhnout vysoké rychlosti odvozování při minimální spotřebě energie. Inženýři ze společnosti Analog Devices podrobně prozkoumali výkon ve studii energeticky optimalizovaných aplikací na MAX78000.¹

V rámci této studie inženýrský tým změřil spotřebu energie a čas pro načtení modelových hmotností (jádra), načtení vstupních dat a provedení odvození pro typické aplikace okrajové AI. Například v případové studii KWS s 20 klíčovými slovy (KWS20) výsledky ukázaly, že vývojáři můžou provozovat samotný procesor Arm, aby snížili dobu načítání a spotřebu energie při provozu v různých režimech provozu MAX78000 (Obrázek 8).

Obrázek 8: případová studie neurální sítě KWS20 ukázala, že vyšší taktovací frekvence vedla k nižší spotřebě energie díky kratší době zavádění, zejména při použití pouze procesoru Arm. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Studie rovněž zkoumala vliv na spotřebu energie a dobu, kdy byly procesor Arm a procesor RISC-V během nečinnosti v režimu spánku, přičemž procesor RISC-V byl probuzen pouze na takovou dobu, aby provedl zavádění a spravoval CNN. Zde studie porovnávala výkon pomocí dvou různých zdrojů taktovacího signálu: interní primární oscilátor (IPO) MAX78000 na 100 MHz versus nižší výkon, ale pomalejší interní sekundární oscilátor (ISO) na 60 MHz. V tomto případě snížení taktovací frekvence dramaticky zvýšilo spotřebu energie spojenou se zaváděním a inferencí v důsledku delšího času potřebného k dokončení každého z těchto procesů (obrázek 9).

Obrázek 9: v případové studii neurální sítě KWS20 vedlo použití vyšších taktovacích frekvencí jen s procesorem RISC-V pro zavádění a správu akcelerátoru CNN k nižší spotřebě energie díky kratším dobám zavádění a inference. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Na základě své studie tým společnosti Analog Devices uvedl, že vývojáři jsou schopni dosáhnout rychlé inference s minimální spotřebou energie, pokud budou pracovat s vyššími taktovacími frekvencemi, zejména pak s vysoce výkonným procesorem Arm, budou uvážlivě využívat provozní režimy mikrokontroléru MAX78000 a budou uchovávat jádra v paměti, aby nedocházelo ke ztrátám energie při delším zavádění.

Pro vývojáře, kteří vytvářejí svá vlastní špičková řešení AI, nabízí společnost Analog Devices komplexní sadu vývojových zdrojů MAX78000, včetně vyhodnocovací soupravy MAX78000EVKIT a featherboardu MAX78000FTHR. Spolu s integrovaným digitálním mikrofonem, pohybovými senzory, barevným displejem a více možnostmi připojení obsahuje MAX78000EVKIT funkci monitoru napájení, jež vývojářům pomáhá s optimalizací spotřeby energie.

Pro vývoj softwaru nabízí úložiště nástrojů CNN mikrokontroléru MAX78000 od společnosti Analog Devices dokumentaci, průvodce vývojem, výuková videa a softwarový kód na podporu vyhodnocovací sady a featherboardu.

Závěr

Společnost Analog Devices staví na efektivním procesorovém subsystému a představuje sadu mikrokontrolérů s velmi nízkou spotřebou, které integrují funkce a schopnosti navržené speciálně na podporu jedinečných požadavků aplikací, jako jsou nositelná zařízení, sluchátka, sledování majetku, průmyslové a lékařské senzory a umělá inteligence. Pomocí těchto mikrokontrolérů a podpůrných zdrojů jsou vývojáři schopni rychle implementovat návrhy, které splňují specializované potřeby různých aplikací s nízkou spotřebou.

Odkaz:

1. Vývoj aplikací optimalizovaných pro napájení pomocí mikrokontroléru MAX78000