Utilizați un portofoliu de microcontrolere cu consum redus de energie pentru a simplifica proiectarea IoT în domeniul sănătății și cel industrial

Dezvoltatorii de proiecte cu consum redus de energie pentru aplicații industriale, medicale și diverse aplicații pentru Internetul lucrurilor (IoT) se confruntă cu o cerere continuă de soluții bazate pe microcontrolere, care oferă funcționalități extinse fără a compromite bugetele de putere limitate. Pe măsură ce dezvoltarea avansează, acestea riscă frecvent să depășească pragurile de putere maximă pentru a îndeplini cerințele funcționale specializate.

Articolul de față arată cum portofoliul Analog Devices de microcontrolere cu consum ultra-redus de energie poate îndeplini aceste cerințe.

Îndeplinirea cerințelor aplicațiilor specializate

Proiectanții trebuie să îndeplinească un set esențial de cerințe de înaltă performanță și consum redus de energie pentru a îndeplini așteptările clienților într-un mod eficient. În domenii de aplicare atât de diverse precum sănătatea, industria și IoT, aceste cerințe de bază au dominat, de obicei, deciziile de proiectare și au ghidat dezvoltarea de platforme hardware care sunt, în esență, imposibil de deosebit. Drept urmare, proiectanții pot aplica rapid 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 îndeplinească cerințele specifice ale aplicațiilor specializate fără a-și compromite capacitatea de a îndeplini cerințele de bază. Segmentele de aplicații au început să se diferențieze puternic, cu cerințe unice de conectivitate, securitate și inteligență artificială (AI).

Ca urmare a acestor nevoi aflate în permanentă schimbare, conceptul de platformă hardware comună a evoluat pentru a permite proiectanților să îndeplinească cerințele de bază privind performanța ridicată și consumul redus de energie, bazându-se în același timp pe un set de procesoare familiar, completat de capacități specializate.

Fundația procesoarelor adaptată pentru capacități specializate

Construiți pe baza Arm® Cortex®-M4 cu consum ultra-redus de energie cu o unitate în virgulă mobilă (FPU), membrii portofoliului de microcontrolere cu consum ultra-redus de la Analog Devices oferă proiectanților o platformă familiară capabilă să îndeplinească cerințele de putere și de performanță de bază.

Pentru a îndeplini cerințele unice ale diferitelor domenii de aplicare, Analog Devices adaptează această fundație cu capacități specializate în patru membri ai portofoliului, inclusiv:

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

Abordarea conectivității

Microcontrolerul MAX32655 de la Analog Devices integrează un Arm Cortex-M4 de 100 megahertzi (MHz) cu FPU, 512 kiloocteți (Kbytes) de memorie flash, 128 Kbytes de memorie statică cu acces aleatoriu (SRAM) și 16 Kbytes de memorie cache pentru instrucțiuni, pentru a oferi combinația eficientă de performanță a procesorului și spațiu de stocare a memoriei necesar în aplicațiile tipice cu consum redus de energie. Dincolo de acest subsistem de procesare, dispozitivul adaugă un set cuprinzător de blocuri funcționale pentru securitate, gestionarea energiei, sincronizare și periferice digitale și analogice necesare în mod obișnuit în dispozitivele de urmărire a activelor, purtabile și de monitorizare a sănătății (Figura 1).

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 utilizarea optimizată a puterii. (Sursă imagine: Analog Devices)

Pentru a îndeplini cerințele variate de conectivitate Bluetooth ale diferitelor aplicații, MAX32655 oferă hardware și software dedicate pentru a susține un set complet de caracteristici Bluetooth 5.2. Împreună cu un radio Bluetooth 5.2, microcontrolerul integrează un coprocesor RISC-V pe 32 de biți dedicat, pentru a gestiona sarcinile de procesare Bluetooth critice pentru sincronizare. Acest subsistem Bluetooth îndeplinește cerințele de performanță emergente, suportând un mod cu debit ridicat, de 2 megabiți pe secundă (Mbit/s), și un mod cu rază lungă de acțiune, cu viteze de 125 kilobiți pe secundă (Kbit/s) și 500 Kbit/s. Doi pini de dispozitiv permit dezvoltatorilor să conecteze pur și simplu o antenă din afara plăcii în proiectele cu Bluetooth. Completând funcționalitatea Bluetooth 5.2 și oferind suport pentru aplicații, stiva Bluetooth de execuție a dispozitivului se extinde pe Arm Cortex-M4 cu FPU, RISC-V și radio (Figura 2).

Figura 2: Funcționând pe procesorul Arm Cortex-M4 al MAX32655 cu FPU, RISC-V și radio, o stivă Bluetooth 5.2 completă suportă un set complet de caracteristici pentru găsirea direcției, comunicare cu debit ridicat și funcționare pe rază lungă. (Sursă imagine: Analog Devices)

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 memorie flash, 1 Mbyte de memorie SRAM și 16 Kbytes de memorie cache. Pe lângă comparatoarele analogice și perifericele digitale din MAX32655, MAX32690 integrează o interfață de magistrală HyperBus/Xccela pentru execuție de mare viteză din flash și SRAM externe atunci când cerințele de memorie depășesc resursele cipului. Ca și MAX32655, MAX32690 integrează un procesor RISC-V pe 32 de biți, care este disponibil pentru procesare autonomă și suport pentru procesare Bluetooth.

Pentru a-i ajuta pe dezvoltatori să optimizeze consumul de energie, fiecare dintre cele patru microcontrolere menționate anterior acceptă mai multe moduri de funcționare cu consum redus de energie. În MAX32655 și MAX32690, modurile cu consum redus de energie includ:

• Sleep (Repaus), când Arm Cortex-M4 cu FPU (CM4) și RISC-V pe 32 de biți (RV32) sunt în modul Sleep, dar perifericele rămân activate
• Low-Power Mode (LPM) (Mod cu consum redus de energie), când CM4 este în stare de repaus cu menținerea stării, în timp ce RV32 rămâne activ pentru a muta date de la perifericele activate
• Micro Power Mode (UPM) (Mod cu consum micro), când CM4, RV32 și anumiți pini își mențin starea, dar un cronometru pentru dispozitivele de semnalizare, comparatoarele analogice și UART cu consum redus de energie rămân disponibile pentru a trezi microcontrolerul
• Standby, când ceasul în timp real rămâne pornit, iar toate perifericele își mențin starea
• Backup (Copiere de siguranță), când ceasul în timp real rămâne pornit, iar memoria sistemului își mențin starea

În plus, MAX32655 oferă un Power Down Mode (PDM) (Mod de oprire a alimentării) proiectat pentru a fi utilizat în timpul depozitării și distribuției produsului final. În modul PDM, MAX32655 este oprit, dar un monitor de tensiune internă rămâne operațional. Drept urmare, utilizatorii finali pot să pornească rapid produsele bazate pe MAX32655 prin îndepărtarea unei lamele de protecție a bateriei sau prin aplicarea în alt mod a energiei la produs.

Aceste moduri de funcționare pot oferi economii semnificative de energie chiar și în cazul microcontrolerelor cu consum ultra-redus de energie, prin oprirea selectivă a diferitelor blocuri hardware. De exemplu, MAX32655 în modul normal de funcționare activă consumă doar 12,9 microamperi pe megahertz (μA/MHz) la 3,0 volți. În modul standby, acesta își menține starea sau oprește complet mai multe blocuri pentru a obține un consum de energie de numai 2,1 μA la 3,0 volți, permițând în același timp dispozitivului să reia funcționarea în numai 14,7 microsecunde (μs) (Figura 3).

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

Împreună cu capacitățile lor de operare cu consum redus de energie, nivelul ridicat de integrare al acestor dispozitive îi ajută pe dezvoltatori să diminueze complexitatea proiectării și să îndeplinească cerințele pentru o amprentă minimă. De exemplu, sursa de alimentare în mod de comutație cu un singur inductor și ieșiri multiple (SIMO) integrată în MAX32655 necesită doar o singură pereche de inductor/condensator. Drept urmare, dezvoltatorii pot crea mai ușor modele compacte alimentate de o singură celulă de litiu pentru a îndeplini cerințele de capsulare în aplicații precum urmărirea activelor, dispozitivele purtabile, dispozitivele auditive și produse similare cu spațiu limitat.

De exemplu, pentru un proiect de căști True Wireless Stereo (TWS), dezvoltatorii pot implementa o soluție eficientă utilizând MAX32655 cu un minim de componente suplimentare în afara unui codec și a gestionării energiei bateriei. Combinând un MAX32655 cu aceste dispozitive și o legătură DS2488 cu 1 fir cu port dublu, se obține un design complet pentru o cască TWS și suportul de încărcare al acesteia (Figura 4).

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 alimentării și un dispozitiv de interfață, precum DS2488 cu 1 fir, pentru implementarea unei soluții complete de căști TWS cu suport de încărcare. (Sursă imagine: Analog Devices)

Pentru a accelera evaluarea și prototiparea cu aceste microcontrolere, dezvoltatorii pot profita de multiplele resurse de dezvoltare oferite de Analog Devices, inclusiv:

• Kitul de evaluare MAX32655 (MAX32655EVKIT)
• Placa Feather MAX32655 (MAX32655FTHR)
• Kitul de evaluare MAX32690 (MAX32690EVKIT)
• Platforma de dezvoltare MAX32690 cu factor de formă Arduino (AD-APARD32690-SL)

O soluție mai eficientă pentru cerințele de proiectare a semnalelor mixte

În timp ce MAX32655 și MAX32690 răspund nevoii de produse Bluetooth compacte alimentate cu baterii, microcontrolerul cu semnal mixt și consum redus de energie MAX32675C de la Analog Devices satisface nevoile specializate pentru aplicații medicale și industriale cu senzori.

MAX32675C oferă un consum redus de energie la pornire și în timpul funcționării, precum și niveluri ridicate de integrare din ce în ce mai necesare în aceste aplicații. Acesta combină procesorul său Arm Cortex-M4 de 12 MHz și FPU cu 384 Kbytes de memorie flash, 160 Kbytes de memorie SRAM și 16 Kbytes de memorie cache, precum și un front-end analogic de precizie (AFE) și un modem HART (Figura 5).

Figura 5: AFE-ul integrat al microcontrolerului MAX32675C și modemul HART oferă subsistemele necesare pentru a îndeplini cerințele de amprentă mică și consum redus de energie în senzorii industriali și medicali. (Sursă imagine: Analog Devices)

Comunicând cu procesorul printr-o interfață periferică serială (SPI) internă, AFE-ul oferă un set de periferice necesare în mod obișnuit în aplicațiile senzorilor industriali și medicali, inclusiv un convertor digital-analogic (DAC) pe 12 biți și convertoare analogice-digitale (ADC) delta-sigma duale de înaltă precizie care pot fi configurate pentru funcționare pe 16 sau 24 de biți. Fiecare ADC are un amplificator de câștig programabil (PGA) dedicat cu zgomot redus, de la 1x la 128x, acționat de un multiplexor de intrare cu 12 canale, care poate fi configurat pentru funcționarea cu 12 canale cu un singur capăt sau cu 6 canale diferențiale.

MAX32675C este deosebit de potrivit pentru a îndeplini cererea de instrumente industriale de câmp cu putere redusă bazate pe senzori și transmițătoare de 4-20 miliamperi (mA). De fapt, acest microcontroler este proiectat în mod explicit pentru a nu depăși niciodată restricțiile de putere în aplicațiile de 4-20 mA, rezolvând o problemă comună din timpul pornirii, în care microcontrolerele au avut dificultăți în menținerea limitelor de putere.

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

Figura 6: AFE-ul microcontrolerului MAX32675C include un modem HART dedicat pentru a susține instrumentele de teren de 4-20 mA existente în aplicații industriale tipice. (Sursă imagine: Analog Devices)

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

Pe lângă documentație și alte resurse de dezvoltare, Analog Devices oferă kitul de evaluare MAX32675EVKIT MAX32675C pentru a accelera testarea și dezvoltarea prototipurilor.

Îndeplinirea cerințelor emergente pentru inteligența artificială periferică

Pentru a crea aplicații eficiente într-un număr tot mai mare de domenii, dezvoltatorii trebuie să implementeze dispozitive periferice care să execute eficient algoritmi AI pentru procesarea inteligentă a seriilor de timp sau recunoașterea obiectelor, cuvintelor sau fețelor. MAX78000 de la Analog Devices este proiectat special pentru a susține aceste capabilități, menținând în același timp cerința fundamentală a unui consum redus de energie.

La fel ca microcontrolerele cu consum ultra-redus de energie 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 execuție a aplicațiilor de bază. Pentru a susține soluțiile AI de ultimă generație, MAX78000 își mărește subsistemul de procesare cu o pereche de resurse suplimentare, inclusiv:

• Un coprocesor RISC-V pe 32 de biți care oferă sistemului capacități de procesare a semnalului cu consum ultra-redus de energie
• Un accelerator integrat de rețea neuronală convoluțională (CNN) bazat pe hardware pentru a răspunde cererii emergente de dispozitive AI periferice

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

MAX78000 suportă aceleași moduri de operare cu consum redus de energie și modul de oprire a alimentării descrise anterior pentru MAX32655, CNN rămânând disponibil prin modurile de repaus și cu consum redus de energie, menținerea stării în modurile cu consum micro, standby și copie de siguranță și un mod de oprire a alimentării pentru utilizare în timpul stocării și distribuției produsului final.

Ca și în cazul celorlalte microcontrolere discutate aici, nivelul ridicat de integrare al MAX78000 îi ajută pe dezvoltatori să îndeplinească cerințele pentru o listă minimă de materiale (BOM) și dimensiunea produsului final. Cu ADC-ul integrat al dispozitivului și capacitățile de procesare a semnalului, dezvoltatorii pot utiliza MAX78000 cu puține componente suplimentare pentru a implementa rapid aplicații AI periferice, cum ar fi identificarea cuvintelor cheie (KWS) sau identificarea fețelor (FaceID).

Pe lângă simplificarea implementării AI la periferie, combinația de moduri de alimentare multiple, procesoare duale și CNN bazat pe hardware oferită de MAX78000 permite dezvoltatorilor să obțină o viteză de inferență rapidă cu un consum minim de energie. Inginerii Analog Devices au examinat îndeaproape performanța într-un studiu al aplicațiilor cu putere optimizată pe MAX78000.¹

Ca parte a acestui studiu, echipa de ingineri a măsurat consumul de energie și timpul pentru încărcarea ponderilor modelului (nuclee), încărcarea datelor de intrare și efectuarea inferenței pentru aplicații tipice de inteligență artificială periferice. De exemplu, într-un studiu de caz al KWS cu 20 de cuvinte cheie (KWS20), rezultatele au arătat că dezvoltatorii ar putea rula procesorul Arm de unul singur pentru a reduce timpul de încărcare și consumul de energie în timpul rulării în diferite moduri de funcționare a puterii de pe MAX78000 (Figura 8).

Figura 8: O aplicație de studiu de caz 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)

De asemenea, studiul a examinat efectul asupra consumului de energie și a timpului în care procesorul Arm și procesorul RISC-V au fost în repaus în timpul perioadei de inactivitate, procesorul RISC-V trezindu-se doar suficient timp pentru a efectua încărcarea și a gestiona CNN. Aici, studiul a comparat performanța folosind două surse de ceas diferite: oscilatorul primar intern (IPO) al MAX78000 la 100 MHz versus oscilatorul secundar intern (ISO) mai lent, dar cu putere mai mică, la 60 MHz. În acest rezultat, o reducere a frecvenței ceasului a crescut dramatic consumul de energie asociat atât cu încărcarea, cât și cu inferența, din cauza timpului de finalizare mai lung necesar pentru fiecare (Figura 9).

Figura 9: În studiul de caz KWS20, utilizarea unor frecvențe de ceas mai mari doar cu procesorul RISC-V pentru încărcarea și aplicația de gestionare a CNN a dus la un consum mai mic de energie datorită timpilor mai scurți de încărcare și inferență. (Sursă imagine: Analog Devices)

Pe baza acestui studiu, 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 funcționare a MAX78000 și prin păstrarea nucleelor în memorie pentru a evita pierderea de energie în timpul încărcărilor prelungite.

Pentru dezvoltatorii care își creează propriile soluții AI periferice, Analog Devices oferă un set complet de resurse de dezvoltare MAX78000, inclusiv kitul de evaluare MAX78000EVKIT și placa Feather MAX78000FTHR. Pe lângă un microfon digital încorporat, senzori de mișcare, afișaj color și mai multe opțiuni de conectare, MAX78000EVKIT include o funcție de monitorizare a consumului de energie pentru a-i ajuta pe dezvoltatori să optimizeze consumul de energie.

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

Concluzie

Bazându-se pe un subsistem de procesor eficient, Analog Devices prezintă un set de microcontrolere cu consum ultra-redus de energie, care integrează caracteristicile și capacitățile concepute special pentru a susține cerințele unice ale aplicațiilor, cum ar fi dispozitivele purtabile, dispozitivele auditive, urmărirea activelor, senzorii industriali și medicali și inteligența artificială periferică. Utilizând aceste microcontrolere și resursele de suport, dezvoltatorii pot implementa rapid proiecte care îndeplinesc cerințele specializate ale diverselor aplicații cu consum redus de energie.

Referință:

1. Dezvoltarea de aplicații cu putere optimizată pe MAX78000