Ker se svet vse bolj povezuje prek interneta stvari (IoT) in drugih komunikacijskih tehnologij, je smiselna uporaba poceni, kompaktnih in integriranih 32-bitnih mikrokontrolerskih VF modulov, ki ponujajo več senzorskih vhodov.

Microchip
Avtor: Bob Martin
2022-306-14

32-bitne rešitve dobro delujejo s komunikacijskimi skladi za Wi-Fi, ozkopasovni (NB) IoT in Bluetooth, ki imajo tudi koristi od večje računalniške moči, ki zagotavlja varnost VF kanalov. Težave se začnejo, ko zasnova sistema postane bolj zapletena, saj se število senzorskih kanalov povečuje ali pa obstaja potreba po nižji porabi energije za bolj oddaljene lokacije. Takrat se lahko izplača dodajanje 8-bitnega MCU (glejte sliko 1).

Podpora za 5V I/O in senzorje
Čeprav industrija daje prednost ekosistemom napajanimi s 5V, je to lahko težava, ker večina integriranih 32-bitnih MCU/VF ni združljiva s 5V in se ponavadi napaja le s 3,3 V. Odgovor je običajno, da imate več nivojskih prilagodilnikov ali zmanjšate analogne napetostne vhode tako, da dosežete 3,3 V nivoje. Ta težava je odpravljena z uporabo 8-bitnega učinkovitejšega MCU, z več GPIO, ki ponuja neposreden vmesnik do 5 V senzorjev, aktuatorjev in stikalnih kontaktov.

Potreba po prilagodilniku nivoja signalov ali skaliranju zdaj velja samo za komunikacijski kanal med 8-bitnim MCU in 32-bitnim MCU/VF modulom. Tudi takrat ne bi bilo potrebno prilagoditi nivoja signalov (morda dodati le nekaj serijskih uporov za izolacijo), če ima 32-bitni MCU modul 5 V tolerantne vhode. Če je potrebna tudi galvanska izolacija, je mogoče stroške čim bolj zmanjšati z zmanjšanjem količine specializiranih integriranih vezij (IC), potrebnih za zaščito sistemskega VF elementa.
Obstajajo različne prednosti uporabe 8-bitnih MCU-jev v oddaljenih instalacijah, nenazadnje odpravljajo potrebo po zagotavljanju večje tolerance napak z uporabo večjega števila senzorjev ali krmiljenja aktuatorjev, ki lahko poučijo vpliv okvar na terenu. Prav tako 8-bitni MCU običajno vsebujejo veliko število vmesniških priključkov, za razliko od 32-bitnega MCU/VF modula z omejenim številom priključkov.

Manj povezav senzorskega vmesnika pomeni več težav z dodeljevanjem vhodnih/izhodnih priključkov, medtem ko 8-bitni MCU omogočajo raven inteligentne tolerance napak, ki se doda nizu senzorjev na sprednjem koncu. To pomeni, da je mogoče odločitve, na primer, kateri od treh temperaturnih senzorjev je odpovedal, sprejeti lokalno (in zato hitreje).

Sistemsko particioniranje
Druga prednost uporabe zunanjega 8-bitnega MCU za vmesnik z večino senzorjev je, da je potreben minimalen napor, da se znano delujoč analogni/digitalni sprednji del pritrdi na različne VF module. Če se uporablja integriran 32-bitni MCU/VF modul, običajno vključuje veliko število primerov aplikacij, katerih namen je pokazati, kako enostavno se je povezati z oblakom, ne glede na to, kdo je prodajalec. Vendar pa je pri povezovanju s senzorji ali aktuatorji zunaj standardnega vodila I2C ali SPI morda bistveno manj primerov uporabe.

Enako bo znano potrjeno senzorsko/kontrolno vhodno stran z dobro definiranim in zanesljivim vmesnikom ponudilo tudi več svobode pri izbiri ustreznih VF modulov, ker bo napor pri prenosu minimalen. Prizadevanja za integracijo novega sistema bodo praktično zaključena, če bo plast protokola med obema MCU podprta z novim fizičnim slojem na novem VF modulu.

Ko so te težave rešene, se lahko pozornost usmeri na pravilno vpeljavo novega VF kanala. Uporabniki v oddaljenih ali industrijskih okoljih lahko izkoristijo možnost nastavitve povezanih sistemov z vmesniki vroče zamenjave, ki so odporni na napake. Občasno se ni mogoče izogniti popolni zamenjavi sistema, vendar je veliko bolje zmanjšati celotno spremembo na znan in zanesljiv sistem. Ohlapna povezava pomeni tudi, da znana in zaupanja vredna VF platforma lahko podpira razširjene sistemske zahteve, ne da bi z vsem začeli znova od začetka. To pomeni, da lahko uporabniki delajo na tem, kar je treba izboljšati, in ohranijo tisto, čemur zaupajo.

Inteligentno upravljanje energije
Še ena značilnost 8-bitnega MCU sveta je to, da v njem prevladujejo večje število procesnih tehnologij. Te zagotavljajo vrhunsko število statičnih uhajanj in odpravljajo neizogibni kompromis pri uporabi tehnologij manjših IC z uhajanjem statičnih tokov glede na hitrost.

Tudi debeline oksida vrat v novih vozliščih procesa je verjetno najbolje izmeriti s številom atomov in ne z uporabo nanometrov. Z vgradnjo inteligentne naprave za upravljanje z nižjo porabo je mogoče izboljšati delovanje z nizko porabo. Nekateri 8-bitni MCU-ji imajo tokove v aktivnem načinu delovanja, ki delujejo pri taktu standardne 32 kHz ure, ki se približajo tokovom 32-bitnih VF modulov, ki delujejo v režimu pripravljenosti.
Ta dodatek natančnega časovno zasnovanega sistema za upravljanje porabe poenostavlja postopek spremljanja zdravja baterij in njihovega polnjenja. Aktivni tokovi za 32-bitne VF module, zlasti enote, ki temeljijo na WiFi, lahko znašajo do več sto miliamperov. Akumulatorski paketi ob koncu življenjske dobe se lahko mučijo pri vzdrževanju zagonskega in prenosnega toka, ki ga zahteva povezava v omrežje.

Z 8-bitnim sistemom za upravljanje porabe, ki temelji na MCU, se lahko glavni VF modul ‘prebudi’ z namenskim ukazom, ki zmanjša trenutno porabo toka pri bolj postopnem povezovanju modula. Posebno bujenje lahko sprejme pristop z zmanjšano TX močjo za povezovanje z omrežjem. Značilnost 8-bitnega MCU sistema za upravljanje porabe energije je, da lahko spremlja vršne zagonske tokove in padce napetosti v rednih ciklih in jih prenaša z vsakim ciklom prebujanja. Oborožene s temi podatki lahko naprave za strojno učenje v oblaku veliko bolj učinkovito profilirajo sisteme baterij in napovedujejo napake.

Poenostavitev MCU programiranja
V zadnjih letih je prišlo do velikega razvoja v smislu poenostavitve programiranja 32-bitnih MCU/VF modulov. Medtem ko imajo številni od teh modulov podporo, ki temelji na Arduinu, kar lahko pomaga skrajšati razvojni čas, je ta pristop lahko problematičen, če je vključeno krmiljenje porabe, različni senzorji ali drugi periferni vmesniki. Seveda je podporna Arduino koda obsežna, vendar je v mnogih primerih nepopolna in med profesionalnimi uporabniki obstajajo težave z zaupanjem.
Medtem ko podporo zagotavljajo prodajalci IC-jev, so integrirani 32-bitni VF moduli relativno zapleteni na goli kovinski plasti. 32-bitov se lahko zdi kot nepotrebno veliko pretiravanje za majhne količine nadzora ali statusa in intuitivno je nemogoče, ko poskušate najti napačen bit v periferni kontrolni vrednosti 0x23AA123C.

Po drugi strani 8-bitni model programiranja MCU ponuja znani vmesnik z 8-biti (morda 16-bitni za registre časovnika). Poleg tega, da olajšajo odpravljanje napak v bitnih poljih, je periferna vezja na 8-bitnih MCU običajno veliko lažje razumeti. Glavni razlog za to je, ker jim ni treba vključevati ali predstavljati bolj zapletenih funkcij zmanjševanja moči ali sinhronizacije vmesnika vodila. Lažje je razumeti tudi razpored sistemskih taktov v 8-bitnih MCU.

To v bistvu povzema razlog za spremljevalno vezje pri 8-bitnem MCU, ki naj bi bil poceni, ima nizko porabo, je pameten (vendar ne namenjen za IoT), ki je sposoben obravnavati tako dolgočasne naloge, kot je vzdrževanje gospodinjstva, kot je kot tudi upravljanje z energijo.
Če pogledamo 8-bitne MCU naprave iz serije Microchip, družina PIC18-Q41 in družina AVR DB ponujata široko paleto analognih funkcij. Ti vključujejo operacijske ojačevalnike na čipu in večnivojske GPIO priključke. Ta zadnja funkcija zmanjša potrebo po zunanjih analognih komponentah ali prilagodilnikih nivojev.

Zaključek
Čeprav je danes na voljo veliko večjedrnih 32-bitnih MCU/VF modulov, je pri načrtovanju robustnih robnih vozlišč z nizko porabo energije v svetu interneta stvari mogoče doseči velike koristi z dodajanjem 8-bitnega MCU. Ponudba celovitega upravljanja moči in senzorjev v tako majhnem ohišju pomeni to, da bodo 8-bitni MCU-ji še naprej imeli pomembno vlogo v 32-bitnih okoljih interneta stvari.

Opomba: Ime in logotip Microchip sta registrirani blagovni znamki podjetja Microchip Technology Incorporated v ZDA in drugih državah. Vse druge blagovne znamke, ki so morda tu omenjene, so last njihovih podjetij.

https://www.microchip.com