Utilizați un microcontroler optimizat de 8 biți pentru a simplifica proiectarea dispozitivelor cu resurse limitate

În mod tradițional, pentru proiectanții de dispozitive cu consum redus de energie și spațiu limitat, cum ar fi uneltele electrice, produsele de igienă personală, jucăriile, aparatele electrocasnice și dispozitivele de control al iluminatului, a fost suficientă o unitate de microcontroler (MCU) pe 8 biți. Cu toate acestea, pe măsură ce aplicațiile evoluează, acestea necesită o viteză mai mare, opțiuni periferice mai puternice și instrumente de dezvoltare software mai robuste. Migrarea la o alternativă pe 16 sau 32 de biți poate fi de ajutor, dar adesea cu prețul unei capsule de dimensiuni mai mari și al unei puteri mai mari.

Pentru a rezolva aceste probleme, proiectanții pot profita de MCU-uri bazate pe arhitectura 8051, care aduce multe dintre avantajele procesoarelor pe 16 și 32 de biți în domeniul de 8 biți. Acest lucru este realizat într-o capsulă de numai 2 x 2 milimetri (mm), oferind în același timp un mediu de dezvoltare modern.

Articolul de față descrie pe scurt arhitectura 8051 și potrivirea sa pentru aplicații cu resurse limitate. Apoi, prezintă o familie de MCU-uri bazate pe 8051 de la Silicon Labs, descrie subsistemele principale și arată cum abordează fiecare dintre acestea provocările critice de proiectare. Articolul se încheie prin discutarea suportului hardware și software.

De ce să folosiți arhitectura 8051?

Atunci când se selectează un MCU pentru o aplicație cu spațiu foarte limitat, procesoarele pe 8 biți, cum ar fi bine-cunoscutul 8051, oferă multe avantaje, inclusiv o amprentă mică, un consum redus de energie și un design simplu. Cu toate acestea, multe dintre procesoarele 8051 au periferice relativ simple, ceea ce le limitează potrivirea pentru anumite cazuri de utilizare. De exemplu, convertoarele analogice-digitale (ADC) cu rezoluție redusă sunt insuficiente pentru aplicațiile de înaltă precizie, cum ar fi dispozitivele medicale.

Ceasurile relativ lente pot fi, de asemenea, o problemă. Unitatea MCU 8051 tipică funcționează la frecvențe de ceas de la 8 megahertzi (MHz) până la 32 MHz, iar modelele mai vechi necesită mai multe cicluri de ceas pentru a procesa instrucțiunile. Această viteză redusă poate limita capacitatea MCU-ului pe 8 biți de a susține operațiuni în timp real, cum ar fi controlul precis al motoarelor.

De asemenea, mediile tradiționale de dezvoltare software pentru procesoarele 8051 nu sunt aliniate cu așteptările dezvoltatorilor de software moderni. Pe lângă limitările inerente ale unei arhitecturi pe 8 biți, acest lucru poate duce la un proces de codare lent și frustrant.

Limitările procesoarelor tradiționale pe 8 biți pot determina dezvoltatorii să ia în considerare migrarea la MCU-uri pe 16 sau 32 de biți. În timp ce aceste MCU-uri oferă o putere de calcul amplă, periferice de înaltă performanță și medii software moderne, acestea sunt, de asemenea, relativ mari. Acest lucru face mai dificilă integrarea lor în proiectele cu spațiu limitat, ceea ce poate întârzia dezvoltarea sau poate crește dimensiunea proiectului.

Dimensiunea crescută a codului și consumul de energie asociate cu MCU pe 16 și 32 de biți pot duce, de asemenea, la proiecte suboptime. Aceste dezavantaje sunt deosebit de problematice pentru numeroasele aplicații care nu implică matematică complexă și care, prin urmare, nu beneficiază de capacitățile avansate ale acestor procesoare.

Echilibrul ideal al acestor compromisuri poate să nu fie evident la începutul unui proiect, iar schimbarea procesoarelor în mijlocul proiectării poate întârzia dezvoltarea sau poate compromite dimensiunea sau funcționalitatea produsului. Astfel, multe proiecte cu spațiu limitat pot beneficia de un MCU bazat pe 8051, care aduce multe dintre avantajele procesoarelor pe 16 și 32 de biți în domeniul de 8 biți, compact și cu consum redus de energie.

EFM8BB50 aduce o funcționalitate mai mare pentru MCU-urile pe 8 biți

Silicon Labs a construit familia EFM8BB50 de MCU-uri pe 8 biți ținând cont de aceste considerente (Figura 1). Aceste MCU-uri oferă performanțe îmbunătățite, periferice avansate și un mediu modern de dezvoltare software.

Figura 1: Este prezentată o schemă bloc a MCU-ului EFM8BB50. (Sursă imagine: Silicon Labs)

Inima MCU-ului este nucleul CIP-51 8051, o implementare Silicon Labs a arhitecturii 8051 optimizată pentru performanță sporită, consum redus de energie și funcționalitate îmbunătățită. Performanța este deosebit de remarcabilă. În cazul EFM8BB50, nucleul atinge viteze de până la 50 MHz, iar 70% din instrucțiuni se execută în unul sau două cicluri de ceas. Acest lucru conferă MCU-urilor o performanță mult peste cea a procesoarelor tradiționale pe 8 biți, oferind dezvoltatorilor spațiu de manevră pentru aplicații mai complexe.

De asemenea, MCU-urile se remarcă prin dimensiunile lor reduse. Variantele cu 16 pini ale familiei, cum ar fi EFM8BB50F16G-A-QFN16, sunt disponibile în capsule cu dimensiuni de până la 2,5 mm x 2,5 mm. Versiunile cu 12 pini, cum ar fi EFM8BB50F16G-A-QFN12 , sunt chiar mai mici, cu dimensiuni ale capsulei de până la 2 mm x 2 mm.

În ciuda dimensiunilor lor mici, MCU-urile EFM8BB50 sunt dotate cu o gamă impresionantă de caracteristici, inclusiv:

• Un ADC pe 12 biți, care este esențial pentru aplicațiile care necesită date precise ale senzorilor
• Un senzor de temperatură integrat care permite MCU-ului să monitorizeze temperatura internă sau temperatura mediului ambiant fără a fi nevoie de componente externe
• O matrice de numărătoare programabilă (PCA) cu trei canale cu modularea în lățime a impulsului (PWM) care poate genera semnale PWM pentru controlul variabil al ieșirii în aplicații precum controlul motoarelor și reglarea intensității luminoase a ledurilor
• Un motor PWM cu trei canale cu inserție de timp mort (DTI) pentru controlul suplimentar al electronicii de putere, cum ar fi driverele de motor sau convertoarele de putere

Alte intrări/ieșiri (I/O) includ o varietate de interfețe de comunicații seriale, un set de temporizatoare pe 8 și 16 biți și patru unități logice configurabile. Toți pinii din familia MCU rezistă la 5 volți, iar intrările/ieșirile digitale pot fi alocate în mod flexibil pentru a profita la maximum de numărul limitat de pini.

Gestionarea avansată a energiei

EFM8BB50 încorporează mai multe funcții de gestionare a energiei pentru a optimiza consumul de energie și a prelungi durata de viață a bateriei. Acestea încep cu mai multe moduri de alimentare, inclusiv un mod de inactivitate care reduce viteza de ceas a nucleului, menținând în același timp perifericele active. Modul Stop merge mai departe prin oprirea nucleului și a majorității perifericelor, păstrând în același timp conținutul RAM și al registrelor. Unele periferice pot fi setate pentru a trezi nucleul din modul Stop, ceea ce este benefic pentru aplicațiile bazate pe evenimente care rămân în mod predominant într-o stare cu consum redus de energie.

Opțiunile flexibile de sincronizare ajută și mai mult la conservarea energiei. Un oscilator intern de precizie elimină necesitatea oscilatoarelor externe cu cristal în multe scenarii, reducând consumul total de energie. În plus, MCU acceptă „clock gating”, o metodă care dezactivează în mod selectiv ceasurile pentru diverse periferice, permițând dezvoltatorilor să le oprească pe cele care nu sunt utilizate.

Perifericele sunt, de asemenea, proiectate astfel încât să fie eficiente din punct de vedere energetic. În special, unitatea logică configurabilă (CLU) poate efectua funcții logice simple în mod independent, reducând necesitatea trezirii nucleului din modurile de consum redus de energie pentru sarcini simple. În plus, UART cu consum redus de energie (LEUART) poate funcționa în moduri de alimentare în care oscilatorul primar este dezactivat, permițând comunicarea serială în stări cu consum redus de energie.

Susținerea dezvoltării intuitive a software-ului

Dezvoltatorii pot crea software pentru familia EFM8BB50 în Simplicity Studio Suite de la Silicon Labs. Acest mediu este utilizat pentru EFM8BB50 pe 8 biți, pentru MCU-urile pe 32 de biți ale companiei și pentru sistemele sale wireless pe cip (SoC). Drept urmare, dezvoltatorii beneficiază de un mediu modern cu caracteristicile la care se așteaptă pentru procesoare mai puternice. De exemplu, acesta oferă un profilator de energie care asigură profilarea energetică a codului în timp real (Figura 2).

Figura 2: Simplicity Studio include un profilator de energie care oferă profilarea energetică a codului în timp real. (Sursă imagine: Silicon Labs)

Instrumentele sunt construite în jurul unui mediu de dezvoltare integrat (IDE) cu editori de cod, compilatoare, depanatoare și un motor de interfață cu utilizatorul (UI) standard pentru a dezvolta interfețe moderne și receptive. Acest mediu de dezvoltare oferă acces la resursele web și SDK specifice dispozitivului, precum și la instrumente specializate de configurare software și hardware.

De asemenea, Simplicity Studio este compatibil cu Silicon Labs Secure Vault. Secure Vault, o suită de securitate extrem de avansată, cu certificare PSA de nivelul 3, permite proiectanților să consolideze dispozitivele pentru Internetul lucrurilor (IoT) și să le protejeze suprafața de atac împotriva amenințărilor cibernetice în creștere, respectând în același timp reglementările în curs de evoluție privind securitatea cibernetică.

Un start rapid cu kiturile de evaluare

Dezvoltatorii interesați să experimenteze cu EFM8BB50 pot lua în considerare kitul de explorare BB50-EK2702A prezentat în Figura 3. Acest kit de dimensiuni reduse este aliniat cu dimensiunile breadboard pentru o fixare ușoară pe prototipuri și hardware de laborator. Dispune de o interfață USB, un depanator SEGGER J-Link încorporat, un led și un buton pentru interacțiunea cu utilizatorul. Kitul este pe deplin compatibil cu Simplicity Studio Suite și poate fi utilizat cu utilitarul Energy Profiler. Sunt oferite exemple de software pentru fiecare periferic, iar demonstrațiile exersează ledul, butonul și UART.

Figura 3: Este prezentat kitul BB50-EK2702A Explorer Kit. (Sursă imagine: Silicon Labs)

Kitul include un soclu mikroBUS și un conector Qwiic. Acest suport hardware suplimentar permite dezvoltatorilor să creeze rapid aplicații și prototipuri de aplicații folosind plăci de serie de la diverși furnizori.

Dezvoltatorii interesați de un punct de pornire mai cuprinzător pot utiliza kitul BB50-PK5208A Pro Kit prezentat în Figura 4. Conceput pentru evaluare și testare aprofundată, acest kit conține senzori și periferice care demonstrează multe dintre capacitățile MCU.

Figura 4: Este prezentat kitul BB50-PK5208A Pro Kit pentru evaluare și testare aprofundată. (Sursă imagine: Silicon Labs)

Kitul Pro include conectivitate USB, un ecran LCD cu memorie de 128 x 128 pixeli de foarte mică putere, un joystick analogic cu opt direcții, un led și un buton pentru utilizator. De asemenea, dispune de senzorul de umiditate relativă și temperatură Si7021 de la Silicon Labs și de mai multe surse de alimentare, inclusiv USB și o baterie tip pastilă.

Pentru expansiune, placa oferă o regletă cu 20 de pini, de 2,54 mm. De asemenea, oferă plăcuțe breakout pentru acces direct la pinii de I/O. Ca și în cazul kitului Explorer Kit, kitul Pro Kit este compatibil cu Energy Profiler și este livrat cu exemple de software pentru fiecare periferic.

Opțiuni de depanator EFM8BB50

Silicon Labs oferă mai multe depanatoare pentru a susține MCU-urile sale. Pentru depanarea de uz general, compania oferă DEBUGADPTR1-USB, un adaptor de depanare USB pe 8 biți cu un conector simplu cu 10 pini.

Depanatorul SI-DBG1015A Simplicity Link Debugger oferă capabilități mai specializate. Aceasta se conectează la interfața Mini Simplicity inclusă în ambele kituri menționate mai sus. Pe lângă funcționalitatea sa de bază, Simplicity Link oferă capacități suplimentare, inclusiv un depanator SEGGER J-Link, o interfață de urmărire a pachetelor, un port COM virtual și plăcuțe breakout pentru sondarea ușoară a semnalelor individuale.

Concluzie

MCU-urile moderne 8051, cum ar fi EFM8BB50, aduc caracteristicile asociate de obicei cu dispozitivele pe 16 și 32 de biți în domeniul pe 8 biți. Cu viteze de ceas rapide, periferice de înaltă performanță și un mediu de dezvoltare software robust, această familie de MCU-uri oferă dezvoltatorilor combinația potrivită de capabilități pentru un număr tot mai mare de aplicații în care spațiul și puterea sunt limitate, dar care necesită performanțe și flexibilitate mai mari.