DigiKey
Avtor: Rolf Horn
Razvijalci modelov z nizko porabo energije za uporabo v industriji, zdravstvu in raznoliko uporabo pri internetu stvari (ang. Internet of Things – IoT) se soočajo z nenehnim povpraševanjem po rešitvah, ki temeljijo na mikrokontrolerjih in ponujajo obsežno funkcionalnost, brez da bi ogrozili nizke stroške za energijo.
Med razvijanjem pogosto tvegajo presežek mejnih vrednosti največje porabe energije, da bi zadovoljili specializirane zahteve glede funkcionalnosti.
Ta članek prikazuje, kako portfelj mikrokontrolerjev z izjemno nizko porabo energije družbe Analog Devices lahko izpolnjuje te zahteve.
Izpolnjevanje zahtev za specializirano uporabo
Projektanti morajo izpolniti temeljne zahteve glede visoke zmogljivosti in nizke porabe energije, da bi se učinkovito odzvali na pričakovanja strank. Na tako raznolikih področjih uporabe, kot so zdravstvo, industrija in internet stvari, so te temeljne zahteve običajno prevladovale pri odločitvah glede načrtovanja modelov in usmerjale razvoj platform strojne opreme, ki se v bistvu med seboj ne razlikujejo. Posledica tega je, da so lahko projektanti hitro uporabili pridobljene izkušnje z načrtovanjem modelov strojne in programske opreme, na enem področju uporabe, da bi zadovoljili temeljne potrebe na drugem.
Z naraščajočim povpraševanjem po vse bolj sofisticiranih izdelkih na teh področjih je za projektante postal večji izziv izpolnjevanje posebnih zahtev za specializirano uporabo, ne da bi pri tem žrtvovali svojo sposobnost izpolnjevanja temeljnih zahtev. Segmenti uporabe so se začeli močno razlikovati z edinstvenimi zahtevami glede povezljivosti, varnosti in umetne inteligence. Zaradi teh spreminjajočih se potreb se je razvil koncept skupne platforme strojne opreme, ki projektantom omogoča, da izpolnijo temeljne zahteve glede visoke zmogljivosti in nizke porabe energije, medtem ko se zanašajo na znani nabor procesorjev, nadgrajenih s specializiranimi zmogljivostmi.
Osnova procesorja, prilagojena za specializirane zmogljivosti
Zgrajeni okoli procesorjev z izjemno nizko porabo energije Arm Cortex-M4 z enotami za operacije s plavajočo vejico (ang. floating point unit – FPU), modeli portfelja mikrokontrolerjev z izjemno nizko porabo energije družbe Analog Devices ponujajo projektantom znano platformo, ki lahko izpolni temeljne zahteve glede porabe energije in zmogljivosti.
Da bi zadovoljila edinstvene zahteve na različnih področjih uporabe je družba Analog Devices prilagodila to osnovo s specializiranimi zmogljivostmi pri štirih modelih v portfelju, vključno z naslednjimi:
Mikrokontroler MAX32655 je za uporabo na področjih pri katerih je potrebna povezljivost nizkoenergijske tehnologije Bluetooth (ang. Bluetooth Low Energy – BLE) in podaljšana življenjska doba baterije, hkrati pa zagotavlja dovolj pomnilnika in zmogljivosti.
Mikrokontroler MAX32690 je za uporabo na področjih pri katerih je potrebna povezljivost BLE, robustna zmogljivost in obsežen pomnilnik.
Mikrokontroler MAX32675C je za uporabo na področjih pri katerih so potrebne zahteve mešanega signala za industrijske in medicinske senzorje.
Mikrokontroler MAX78000 izpolnjuje vse večje povpraševanje po inteligentnih robnih napravah.
Obravnava povezljivosti
Mikrokontroler MAX32655 družbe Analog Devices integrira 100 megahercev (MHz) zmogljiv procesor Arm Cortex-M4 z enoto FPU, 512 kilobajtov zmogljiv bliskovni pomnilnik, 128 kilobajtov zmogljiv statični bralno-pisalni pomnilnik (ang. static random-access memory – SRAM) in 16 kilobajtov zmogljiv predpomnilnik navodil in zagotavlja učinkovito kombinacijo zmogljivosti procesorja in pomnilnika, potrebno pri običajni uporabi z nizko porabo energije. Poleg tega podsistema za obdelavo, naprava ponuja obsežen nabor funkcijskih blokov za varnost, upravljanje porabe energije, časovni razpored ter digitalne in analogne zunanje naprave, ki so običajno potrebne v napravah za sledenje sredstev, nosljivih napravah in napravah za spremljanje v zdravstvu (slika 1).
Za izpolnjevanje različnih zahtev glede povezljivosti Bluetooth za uporabo na različnih področjih, mikrokontroler MAX32655 zagotavlja namensko strojno in programsko opremo za podporo celotnega nabora funkcij Bluetooth 5.2. Poleg radia Bluetooth 5.2, mikrokontroler z integriranim namenskim 32-bitni koprocesorjem RISC-V obvladuje časovno kritične naloge obdelave prek povezljivosti Bluetooth. Ta podsistem Bluetooth izpolnjuje nastajajoče zahteve glede zmogljivosti, saj podpira način visokega pretoka 2 megabita na sekundo (Mbit/s) in način dolgega dosega s hitrostjo 125 kilobitov na sekundo (Kbit/s) in 500 Kbit/s. Dva pinska priključka naprave omogočata razvijalcem, da preprosto povežejo anteno zunaj čipa na modele, ki podpirajo povezljivost Bluetooth. Z dopolnjeno funkcionalnostjo Bluetooth 5.2 in zagotovljeno podporo za uporabo, sklad Bluetooth med časom obratovanja naprave pokriva procesor Arm Cortex-M4 z enoto FPU, koprocesor RISC-V in radio (slika 2).
Za uporabo pri zahtevah po robustni zmogljivosti in pomnilniku, mikrokontroler MAX32690 družbe Analog Devices ponuja 120 MHz zmogljiv procesor Arm Cortex-M4 z enoto FPU skupaj s 3 megabajti bliskovnega pomnilnika, 1 megabajtom pomnilnika SRAM in 16 kilobajti predpomnilnika. Poleg analognih primerjalnikov in digitalnih zunanjih naprav v mikrokontrolerju MAX32655, mikrokontroler MAX32690 integrira vodilni vmesnik HyperBus/Xccela za visokohitrostno izvajanje iz zunanjega bliskovnega pomnilnika in pomnilnika SRAM, ko zahteve pomnilnika presežejo vire na čipu. Tako kot mikrokontroler MAX32655 tudi mikrokontroler MAX32690 integrira 32-bitni koprocesor RISC-V, ki je na voljo za samostojno obdelavo in podporo za obdelavo prek povezljivosti Bluetooth.
Za pomoč razvijalcem pri optimizaciji porabe energije vsak od štirih prej omenjenih mikrokontrolerjev podpira več načinov delovanja z nizko porabo energije. Pri mikrokrmilnikoma MAX32655 in MAX32690 načini nizke porabe energije vključujejo naslednje:
Mirovanje, kjer sta procesor Arm Cortex-M4 z enoto FPU (CM4) in 32-bitni koprocesor RISC-V (RV32) v načinu mirovanja, zunanje naprave pa ostanejo vklopljene
Način nizke porabe energije (ang. Low-Power Mode – LPM), kjer je procesor CM4 v stanju mirovanja s stanjem zadrževanja, medtem ko koprocesor RV32 ostane aktiven za prenos podatkov iz omogočenih zunanjih naprav
Način mikro porabe energije (Micro Power Mode – UPM), kjer so procesor CM4, koprocesor RV32 in nekateri pinski priključki v stanju zadrževanja, vendar so omogočeni časomer, analogni primerjalniki in univerzalni asinhroni sprejemnik/oddajnik UART z nizko porabo, da zaženejo mikrokontroler iz stanja mirovanja.
Stanje pripravljenosti, kjer ura realnega časa ostane vključena, vse zunanje naprave pa so v stanju zadrževanja
Varnostno kopiranje, kjer ura realnega časa ostane vključena, sistemski pomnilnik pa ostane v stanju zadrževanja
Poleg tega mikrokontroler MAX32655 ponuja tudi način izklopa (Power Down Mode – PDM), zasnovan za uporabo med hrambo in distribucijo končnega izdelka. V načinu PDM je mikrokontroler MAX32655 izklopljen, vendar notranja enota za nadzorovanje napetosti še vedno deluje. Posledično lahko končni uporabniki hitro napajajo izdelke, ki temeljijo na mikrokontrolerju MAX32655, tako da odstranijo zaščitno nalepko za baterijo ali drugače napajajo izdelek.
Ti načini delovanja lahko nudijo znatne prihranke energije tudi pri mikrokontrolerjih z izjemno nizko porabo energije s selektivnim izklopom različnih blokov strojne opreme. Na primer, mikrokontroler MAX32655 v običajnem aktivnem načinu delovanja porabi samo 12,9 mikroamperov na megaherc (μA/MHz) pri 3,0 voltih. V stanju pripravljenosti zadrži svoje stanje ali popolnoma izklopi več blokov, da doseže porabo energije samo 2,1 μA pri 3,0 voltih, hkrati pa omogoči, da se naprava zažene v samo 14,7 mikrosekundah (μs) (slika 3).
Skupaj z zmogljivostmi delovanja z nizko porabo energije, visoka stopnja integracije teh naprav pomaga razvijalcem zmanjšati kompleksnost načrtovanja in izpolniti zahteve za minimalen odtis. Na primer, vgrajeni preklopni napajalnik z enojnim induktorjem z več izhodi (ang. single-inductor multiple-output – SIMO) mikrokontrolerja MAX32655 zahteva samo en par induktorja/kondenzatorja. Posledično lahko razvijalci lažje ustvarijo kompaktne modele, ki jih poganja ena sama litijeva celica, da bi izpolnili nabor zahtev pri uporabi naprav, kot so naprave za sledenje sredstev, nosljive naprave, naprave za sluh in podobni prostorsko omejeni izdelki.
Za resnični brezžični stereo (ang. true wireless stereo – TWS) model slušalk lahko razvijalci na primer uvedejo učinkovito rešitev z uporabo mikrokontrolerja MAX32655 z minimalnimi dodatnimi komponentami poleg kodeka in upravljanja baterijskega napajanja. Združevanje mikrokontrolerja MAX32655 s temi napravami in 1-žično povezavo z dvojnimi vrati DS2488 zagotavlja popoln model slušalke TWS in njene polnilne postaje (slika 4).
Za pospešitev vrednotenja in izdelave prototipov s temi mikrokontrolerji lahko razvijalci izkoristijo številne vire za razvoj družbe Analog Devices, vključno z naslednjimi:
Komplet za vrednotenje MAX32655 (MAX32655EVKIT)
Glavna plošča MAX32655 (MAX32655FTHR)
Komplet za vrednotenje MAX32690 (MAX32690EVKIT)
Razvojna platforma za standardne oblike MAX32690 Arduino (AD-APARD32690-SL)
Učinkovitejša rešitev za zahteve načrtovanja modelov mešanih signalov
Medtem ko mikrokontrolerja MAX32655 in MAX32690 obravnavata potrebo po kompaktnih izdelkih z baterijskim napajanjem prek povezljivosti Bluetooth, mikrokontroler MAX32675C z nizko porabo energije za mešane signale družbe Analog Devices obravnava posebne zahteve za uporabo pri medicinskih in industrijskih senzorjih.
Mikrokontroler MAX32675C ponuja nizko porabo energije ob zagonu in med časom obratovanja, skupaj z visokimi ravnmi integracije, ki so vedno bolj potrebne pri uporabi na teh področjih. Združuje 12 MHz zmogljiv procesor Arm Cortex-M4 in enoto FPU s 384 kilobajti bliskovnega pomnilnika, 160 kilobajti pomnilnika SRAM in 16 kilobajti predpomnilnika, kot tudi natančen analogni vhodni modul (ang. analog front-end – AFE) in modem HART (slika 5).
Modul AFE komunicira s procesorjem prek notranjega serijskega zunanjega vmesnika (ang. serial peripheral interface – SPI) in zagotavlja nabor zunanjih naprav, ki so običajno potrebne pri uporabi na področju industrijskih in medicinskih senzorjev, vključno z 12-bitnim digitalno-analognim pretvornikom (ang. digital-to-analog converter – DAC) in dvojnim visoko natančnim delta-sigma analogno-digitalni pretvorniki (ang. analog-to-digital converter – ADC), ki jih je mogoče konfigurirati za 16-bitno ali 24-bitno delovanje. Vsak pretvornik ADC ima namenski 1- do 128-kratni nizkošumni programabilni ojačevalnik ojačanja (ang. programmable gain amplifier – PGA), ki ga poganja 12-kanalni vhodni multiplekser, katerega je mogoče konfigurirati za 12-kanalno enojno ali 6-kanalno diferencialno delovanje.
Mikrokontroler MAX32675C je še posebej primeren za izpolnjevanje zahtev po industrijskih terenskih instrumentih z nizko porabo energije, ki temeljijo na senzorjih in oddajnikih z močjo 4–20 miliamperov (mA). Pravzaprav je ta mikrokontroler izrecno zasnovan tako, da nikoli ne preseže mejnih vrednosti porabe energije pri uporabi na področjih z močjo 4–20 mA, s čimer rešuje pogosto težavo med zagonom, ko so mikrokontrolerji imeli težave z vzdrževanjem mejnih vrednosti porabe energije.
Kot podporo bistvene zahteve za številne obstoječe industrijske krmilne sisteme modul AFE zagotavlja popoln modem HART, ki poenostavlja implementacijo industrijskih terenskih instrumentov prek zančnega toka z močjo 4–20 mA (slika 6).
Z mikrokontrolerjem MAX32675C lahko razvijalci pri uporabi na področju industrije enostavno konfigurirajo in nadzorujejo terenske instrumente prek povezave vmesnika SPI modema HART s procesorjem Arm Cortex-M4.
Družba Analog Devices poleg dokumentacije in drugih virov za razvoj ponuja Komplet za vrednotenje MAX32675C MAX32675EVKITza pospešitev testiranja in razvoj prototipa.
Izpolnjevanje nastajajočih zahtev za robne naprave umetne inteligence
Za izgradnjo in učinkovito uporabo na vedno večjem številu področij morajo razvijalci implementirati robne naprave, ki učinkovito izvajajo algoritme umetne inteligence za inteligentno obdelavo časovnih vrst ali prepoznavanje predmetov, besed ali obrazov. Mikrokontroler MAX78000 družbe Analog Devices je zasnovan posebej za podporo teh zmogljivosti, hkrati pa ohranja temeljno zahtevo po nizki porabi energije.
Tako kot prej opisani mikrokontrolerji z izjemno nizko porabo energije je tudi mikrokontroler MAX78000 (slika 7) zgrajen s procesorjem Arm Cortex-M4 z enoto FPU, 512 kilobajti zmogljivim bliskovnim pomnilnikom, 128 kilobajti zmogljivim pomnilnikom SRAM in 16 kilobajti zmogljivim predpomnilnikom, da zadosti temeljnim zahtevam pri izvajanju in uporabi. Za podporo rešitvam robnih naprav umetne inteligence je podsistem obdelave mikrokontrolerja MAX78000 nadgrajen s parom dodatnih virov, vključno z naslednjimi:
32-bitni koprocesor RISC-V, ki sistemu zagotavlja zmožnosti obdelave signalov z izjemno nizko porabo energije
Integriran pospeševalnik konvolucijske nevronske mreže (ang. convolutional neural network – CNN) na osnovi strojne opreme za izpolnitev nastajajočih zahtev po robnih napravah umetne inteligence
Mikrokontroler MAX78000 podpira enake načine delovanja nizke porabo energije in način izklopa, kot so opisani za mikrokontroler MAX32655, pri čemer pospeševalnik CNN ostane na voljo v načinih mirovanja in nizke porabe energije, stanju zadrževanja v načinu mikro porabe energije, stanju pripravljenosti in načinu varnostnega kopiranja ter načinu za uporabo med hrambo in distribucijo končnega izdelka.
Tako kot pri drugih, tukaj obravnavanih mikrokontrolerjih, visoka stopnja integracije mikrokontrolerja MAX78000 razvijalcem pomaga izpolniti zahteve glede minimalne kosovnice materiala (ang. bill of materials – BOM) in velikosti končnega izdelka. Z integriranim pretvornikom ADC naprave in zmožnostmi obdelave signalov lahko razvijalci uporabljajo mikrokontroler MAX78000 z nekaj dodatnimi komponentami za hitro implementacijo pri uporabi robnih naprav umetne inteligence, kot je iskanje ključnih besed (ang. keyword spotting – KWS) ali identifikacija obraza (ang. face identification – FaceID).
Poleg poenostavljene implementacije robnih naprav umetne inteligence, kombinacije več načinov porabe energije, dvojnih procesorjev in pospeševalnika CNN, ki temelji na strojni opremi, mikrokontroler MAX78000 omogoča razvijalcem, da dosežejo hitro hitrost sklepanja z minimalno porabo energije. Inženirji družbe Analog Devices so podrobno preučili delovanje mikrokontrolerja MAX78000 v študiji o optimizirani rabi energije.1 V okviru te študije je ekipa inženirjev izmerila porabo energije in čas za nalaganje na model (jedra), nalaganje vhodnih podatkov, in izvajanje sklepanja pri tipični uporabi robnih naprav umetne inteligence. Na primer, v študiji primera o iskanju ključnih besed KWS z 20 ključnimi besedami (KWS20) so rezultati pokazali, da med delovanjem mikrokontrolerja MAX78000 v različnih načinih porabe energije, lahko razvijalci zaženejo samo procesor Arm, da zmanjšajo čas nalaganja in porabo energije (slika 8).
Študija je preučevala tudi učinek na porabo energije in čas, ko sta bila procesor Arm in koprocesor RISC-V v času mirovanja, pri čemer se je koprocesor RISC-V zagnal le za toliko časa, da izvede nalaganje in upravlja pospeševalnik CNN. Tu je študija primerjala zmogljivost z uporabo dveh različnih virov frekvence procesorja: notranji primarni oscilator (ang. internal primary oscillator – IPO) mikrokontrolerja MAX78000 pri 100 MHz in notranji sekundarni oscilator (ang. internal secondary oscillator – ISO) pri 60 MHz z nižjo porabo energije, vendar počasnejši. Posledično je zmanjšanje frekvence procesorja dramatično povečalo porabo energije, povezano z nalaganjem in sklepanjem zaradi daljšega časa dokončanja, ki je potreben za vsako opravilo (slika 9).
Na podlagi študije je ekipa družbe Analog Devices ugotovila, da lahko razvijalci dosežejo hitro sklepanje z minimalno porabo energije ter delovanjem pri višjih frekvencah procesorja, zlasti z visoko zmogljivim procesorjem Arm, z razumno uporabo načinov delovanja porabe energije mikrokontrolerja MAX78000 in zadrževanjem jeder v pomnilniku z razlogom preprečevanja izgube energije med daljšim časom nalaganja.
Razvijalcem, ki ustvarjajo lastne rešitve robnih naprav umetne inteligence, družba Analog Devices ponuja obsežen nabor virov za razvoj mikrokontrolerja MAX78000, vključno s Kompletom za vrednotenje MAX78000EVKIT in glavno ploščo MAX78000FTHR. Skupaj z vgrajenim digitalnim mikrofonom, senzorji gibanja, barvnim zaslonom in številnimi možnostmi povezave vključuje komplet MAX78000EVKIT funkcijo nadzorovanja porabe, ki razvijalcem pomaga optimizirati porabo energije.
Pri razvoju programske opreme, družba Analog Devices s pomočjo Repozitorija orodij CNN za mikrokontroler MAX78000 ponuja dokumentacijo, razvojne vodiče, videoposnetke za usposabljanje in kodo programske opreme, ki podpira komplet za vrednotenje in glavno ploščo.
Zaključek
Družba Analog Devices, ki gradi na podlagi učinkovitega podsistema procesorjev, predstavlja nabor mikrokontrolerjev z izjemno nizko porabo energije, ki združujejo funkcije in zmogljivosti, zasnovane posebej za podporo edinstvenim zahtevam pri uporabi na različnih področjih in napravah, kot so nosljive naprave, naprave za sluh, naprave za sledenje sredstev, industrijski in medicinski senzorji ter robne naprave umetne inteligence. Z uporabo teh mikrokontrolerjev in podpornih virov lahko razvijalci hitro implementirajo modele, ki izpolnjujejo specializirane potrebe pri uporabi na različnih področjih z nizko porabo energije.
Vir:
[1] Developing Power-optimized Applications on the MAX78000
https://www.analog.com/en/resources/app-notes/developing-power-optimized-apps-on-the-max78000.html
