Brug en portefølje af strømbesparende mikrokontrollere til at forenkle IoT-design til sundheds- og industrianvendelser

Udviklere af designs med lavt effektforbrug til industri, sundhedspleje og forskellige IoT-applikationer (Internet of Things) står over for en fortsat efterspørgsel efter mikrokontroller-baserede løsninger, der tilbyder omfattende funktionalitet uden at gå på kompromis med stramme effektbudgetter. Efterhånden som udviklingen skrider frem, risikerer de ofte at overskride de maksimale effektgrænser for at opfylde specialiserede, funktionelle krav.

Denne artikel viser, hvordan Analog Devices' portefølje af ultralav-effekt-mikrokontrollere kan opfylde disse krav.

Opfylder kravene til specialiserede anvendelser

Designere skal opfylde et kernesæt af krav til høj ydeevne og lavt strømforbrug for at kunne reagere effektivt på kundernes forventninger. Inden for så forskellige anvendelsesområder som sundhedspleje, industri og IoT har disse kernekrav typisk domineret designbeslutninger og styret udviklingen af hardwareplatforme, der stort set ikke er til at skelne fra hinanden. Det betyder at designere hurtigt kan anvende erfaringer med hardware- og softwaredesign fra ét anvendelsesområde til at opfylde de grundlæggende behov i et andet.

Med den stigende efterspørgsel efter stadig mere sofistikerede produkter på tværs af disse områder er det mere udfordrende for designere at opfylde de særlige krav til specialiserede applikationer uden at gå på kompromis med deres evne til at opfylde kernekravene. Anvendelsessegmenter er begyndt at differentiere sig kraftigt med unikke krav til konnektivitet, sikkerhed og kunstig intelligens (AI).

Drevet af disse skiftende behov har konceptet med en fælles hardwareplatform udviklet sig til at gøre det muligt for designere at opfylde kernekravene til høj ydeevne og lavt strømforbrug, mens de er afhængige af et velkendt sæt processorer suppleret med specialiserede funktioner.

Processorfundament skræddersyet til specialiserede funktioner

Medlemmerne af Analog Devices' portefølje af ultralav-effekt-mikrokontrollere er bygget op omkring den ultralav-effekt-Arm® Cortex®-M4 med en flydende-komma-enhed (floating point unit/FPU) og tilbyder designere en velkendt platform, der er i stand til at opfylde kravene til kernekraft og ydeevne.

For at opfylde de unikke krav i forskellige anvendelsesområder skræddersyr Analog Devices dette fundament med specialiserede funktioner i fire medlemmer af porteføljen, herunder:

• MAX32655'en er målrettet applikationer, der kræver Bluetooth-lavenergi (BLE)-konnektivitet og forlænget batterilevetid, samtidig med at der er tilstrækkelig hukommelse og ydeevne.
• MAX32690'en er målrettet applikationer, der kræver BLE, robust ydeevne og omfattende hukommelse.
• MAX32675C'en er målrettet applikationer med krav til blandede signaler, som er nødvendige for industrielle og medicinske sensorer.
• MAX78000'en opfylder den fremvoksende efterspørgsel efter intelligente kant-enheder.

Håndtering af konnektivitet

Analog Devices' MAX32655-mikrokontroller integrerer en 100 megahertz (MHz) Arm Cortex-M4 med FPU, 512 kilobyte (k-byte) flash, 128 k-byte statisk random-access-hukommelse (SRAM) og 16 k-bytes cachelager til instruktioner for at give den effektive kombination af processorydelse og hukommelseslagring, der kræves i typiske applikationer med laveffekt. Ud over dette behandlingssubsystem tilføjer enheden et omfattende sæt funktionsblokke til sikkerhed, styring af strømforbruget, timing og digitale og analoge, perifere enheder, som typisk er nødvendige i udstyr til aktivsporingsenheder, kropsbåren elektronik (wearables) og enheder til overvågning af sundhedspleje (figur 1).

Figur 1: Med sit omfattende sæt af integrerede perifere enheder understøtter MAX32655-mikrokontrolleren en bred vifte af applikationer, der kræver Bluetooth-konnektivitet, højtydende behandling og optimeret effektudnyttelse. (Billedkilde: Analog Devices)

For at opfylde de forskellige krav til Bluetooth-forbindelse i forskellige applikationer har MAX32655 dedikeret hardware og software til at understøtte et komplet sæt Bluetooth-5.2-funktioner. Sammen med en Bluetooth 5.2-radio integrerer mikrokontrolleren en dedikeret 32-bit RISC-V-coprocessor til at håndtere timing-kritiske Bluetooth-behandlingsopgaver. Dette Bluetooth-subsystem opfylder nye krav til ydeevne og understøtter 2 megabit pr. sekund (Mbits/s) høj gennemstrømningstilstand og en langdistancetilstand med hastigheder på 125 kilobit pr. sekund (kbits/s) og 500 kbits/s. To komponentben gør det muligt for udviklere på en nem måde at tilslutte en antenne, der ikke er på en chip, i Bluetooth-aktiverede designs. Som afslutning på Bluetooth 5.2-funktionaliteten og understøttelse af applikationer strækker enhedens Bluetooth-stak i kørselstid sig over Arm Cortex-M4 med FPU, RISC-V og radio (figur 2).

Figur 2: En fuld Bluetooth 5.2-stak, der kører på MAX32655's Arm Cortex-M4 med FPU, RISC-V og radio, understøtter et komplet sæt funktioner til retningsbestemmelse, kommunikation med høj gennemstrømning og lang driftsrækkevidde. (Billedkilde: Analog Devices)

Til applikationer med robuste krav til ydeevne og hukommelse tilbyder Analog Devices' MAX32690-mikrokontroller en 120 MHz Arm Cortex-M4 med FPU sammen med 3 Mbyte flash, 1 Mbyte SRAM og 16 k-byte cache-hukommelse. Ud over de analoge komparatorer og digitale, perifere enheder i MAX32655 integrerer MAX32690 et HyperBus/Xccela-businterface til højhastighedsudførelse fra ekstern flash og SRAM, når hukommelseskravene overstiger en IC’s ressourcer. Ligesom MAX32655 integrerer MAX32690 en 32-bit RISC-V-processor, som er tilgængelig til alenestående behandling og understøttelse af Bluetooth-behandling.

For at hjælpe udviklere med at optimere strømforbruget understøtter hver af de fire tidligere nævnte mikrokontrollere flere strømbesparende driftstilstande. I MAX32655 og MAX32690 inkluderer de strømbesparende tilstande:

• Dvale, hvor Arm Cortex-M4 med FPU (CM4) og 32-bit RISC-V (RV32) er i dvaletilstand, men perifere enheder forbliver tændt
• Laveffekt-tilstand (Low-Power Mode/LPM), hvor CM4 er i dvaletilstand med fastholdelse af tilstand, mens RV32 forbliver aktiv for at flytte data fra aktiverede, perifere enheder
• Mikroeffekt-tilstand (Micro Power Mode/UPM), hvor CM4, RV32 og visse stifter bevarer tilstanden, men en alarmtimer (watchdog-timer), analoge komparatorer og UART med lavt strømforbrug forbliver tilgængelige for at vække mikrokontrolleren.
• Standby-tilstand, hvor realtidsuret forbliver tændt, og alle perifere enheder bevarer tilstanden
• Backup, hvor realtidsuret forbliver tændt, og systemhukommelsen bevarer dens tilstand

Derudover tilbyder MAX32655 en nedlukningstilstand (Power Down Mode/PDM), der er designet til brug, under oplagring og distribution af slutprodukter. I PDM-tilstand er MAX32655 slukket, men en intern spændingsmonitor forbliver i drift. Derfor kan slutbrugere hurtigt tænde for MAX32655-baserede produkter ved at fjerne en beskyttende batterilap eller på anden måde sætte strøm til produktet.

Disse driftstilstande kan give betydelige strømbesparelser selv med ultralav-effekt-mikrokontrollere ved selektivt at slukke for forskellige hardwareblokke. For eksempel bruger MAX32655 i normal, aktiv driftstilstand kun 12,9 mikroampere pr. megahertz (μA/MHz) ved 3,0 volt. I standby-tilstanden bevarer den tilstanden eller slukker helt for flere blokke for at opnå et strømforbrug på kun 2,1 μA ved 3,0 volt, samtidig med at enheden kan genoptage driften på kun 14,7 mikrosekunder (μs) (figur 3).

Figur 3: MAX32655-mikrokontrollerens forskellige strømtilstande, som f.eks. standby-tilstand, der er vist her, kan bevare tilstanden eller lukke helt ned for forskellige hardwareundersystemer for at reducere strømforbruget, samtidig med at driftskapaciteten opretholdes. (Billedkilde: Analog Devices)

Disse enheders høje integrationsniveau samt deres strømbesparende driftsfunktioner hjælper udviklere med at reducere designkompleksiteten og opfylde kravene til et minimalt fodaftryk. For eksempel kræver MAX32655's integrerede enkel-induktor multi-udgang (single inductor multiple-output/SIMO) switch-mode-strømforsyning kun et enkelt induktor/kondensator-par. Som følge heraf kan udviklere lettere skabe kompakte designs, der drives af en enkelt litiumcelle for at opfylde pakkekravene i anvendelser som f.eks. aktivsporing, kropsbåren elektronik (wearables), høreudstyr (hearables) og lignende pladsbegrænsede produkter.

Til et ægte trådløst stereodesign (TWS) kan udviklere f.eks. implementere en effektiv løsning ved hjælp af MAX32655 med minimale, ekstra komponenter ud over en codec og styring af batteriets strømforbrug. Ved at kombinere en MAX32655 med disse enheder og et DS2488 med 1-leder dobbelt-port-link får man et komplet design til en TWS-øreprop og dens opladningsholder (figur 4).

Figur 4: MAX32655-mikrokontrollerens integrerede funktionalitet muliggør design med et minimalt fodaftryk og stykliste, hvilket kræver få ekstra enheder ud over en codec, en enhed til styring af strømforbruget og en grænsefladeenhed som DS2488 1-leder til at implementere en komplet løsning med TWS-ørepropper og opladningsholder. (Billedkilde: Analog Devices)

For at fremskynde evaluering og prototyping med disse mikrokontrollere kan udviklere drage fordel af flere Analog Devices-udviklingsressourcer, herunder bl.a.:

• MAX32655-evalueringssæt (MAX32655EVKIT)
• MAX32655-”fjerkort” (MAX32655FTHR)
• MAX32690 evalueringssæt (MAX32690EVKIT)
• MAX32690_formfaktor-udviklingsplatform fra Arduino (AD-APARD32690-SL)

En mere effektiv løsning på design af enheder til behandling af blandede signaler

Mens MAX32655 og MAX32690 opfylder behovet for kompakte batteridrevne Bluetooth-produkter, opfylder Analog Devices' MAX32675C-laveffekt-mikrokontroller til blandede signaler de særlige krav til medicinske og industrielle sensorapplikationer.

MAX32675C har et lavt strømforbrug ved opstart og under drift sammen med de høje integrationsniveauer, der i stigende grad kræves til disse applikationer. Den kombinerer sin 12 MHz Arm Cortex-M4-processor og FPU med 384 kilobyte flash, 160 kilobyte SRAM og 16 kilobyte cache samt en præcisionsanalog-front-end (AFE) og et HART-modem (figur 5).

Figur 5: MAX32675C-mikrokontrollerens integrerede AFE- og HART-modem leverer de undersystemer, der er nødvendige for at opfylde kravene til et lille fodaftryk og lav effekt i industrielle og medicinske sensorer. (Billedkilde: Analog Devices)

AFE kommunikerer med processoren via et internt serielt, perifere grænseflade (serial peripheral interface/SPI) og leverer et sæt perifere enheder, der typisk kræves i industrielle og medicinske sensorapplikationer, herunder en 12-bit digital-til-analog-konverter (DAC) og dobbelte højpræcisions delta-sigma analog-til-digital-konvertere (ADC'er), der kan konfigureres til 16-bit eller 24-bit drift. Hver ADC har en dedikeret 1x til 128x lav-støj-forstærker med programmerbar forstærkning (programmable gain amplifier (PGA), der drives af en 12-kanals indgangsmultiplexer, som kan konfigureres til 12-kanals enkeltsidig- eller 6-kanals differentiel drift.

MAX32675C er særligt velegnet til at imødekomme efterspørgslen efter industrielle feltinstrumenter med lavt effektforbrug baseret på sensorer og sendere, der fungerer med 4-20 milliampere (mA). Faktisk er denne mikrokontroller eksplicit designet til aldrig at overskride strømbegrænsninger i 4-20 mA-applikationer, hvilket løser et almindeligt problem under opstart, hvor mikrokontrollere har haft svært ved at opretholde strømbegrænsninger.

For at understøtte et væsentligt krav i mange eksisterende industrielle styresystemer leverer AFE et komplet HART-modem, der forenkler implementeringen af industrielle feltinstrumenter via et 4-20 mA strømsløjfe (figur 6).

Figur 6: MAX32675C-mikrokontrollerens AFE indeholder et dedikeret HART-modem til understøttelse af eksisterende 4-20 mA-feltinstrumenter i typiske industrielle anvendelser. (Billedkilde: Analog Devices)

Med MAX32675C kan udviklere af industrielle applikationer nemt konfigurere og styre feltinstrumenter via HART-modemets SPI-forbindelse til Arm Cortex-M4.

Sammen med dokumentation og andre udviklingsressourcer tilbyder Analog Devices MAX32675EVKIT MAX32675C-evalueringssæt, der hjælper at fremskynde test- og prototypeudvikling.

Opfylder nye krav til kant-AI

For at opbygge effektive applikationer inden for et stigende antal områder skal udviklere implementere kant-enheder, der effektivt udfører AI-algoritmer til intelligent behandling af tidsserier-behandling eller genkendelse af objekter, ord eller ansigter. Analog Devices' MAX78000 er designet specifikt til at understøtte disse funktioner, samtidig med at det grundlæggende krav om lavt strømforbrug opretholdes.

Ligesom de ultralav-effekt-mikrokontrollere, der er beskrevet tidligere, bygger MAX78000 (figur 7) på en Arm Cortex-M4 med en FPU-processor, 512 kilobyte flash, 128 kilobyte SRAM og 16 kilobyte cache for at opfylde kravene til udførelse af kerneapplikationer. For at understøtte kant-AI-løsninger udvider MAX78000 sit behandlingssubsystem med et par ekstra ressourcer, herunder bl.a.:

• En 32-bit RISC-V-coprocessor, der giver systemet signalbehandlingsfunktioner med ultralavt strømforbrug
• En integreret hardwarebaseret konvolutionelt neuralt netværk (convolutional neural network/CNN) -accelerator til at imødekomme den nye efterspørgsel efter AI-kant-enheder.

Figur 7: Sammen med sin Arm Cortex-M4 med FPU og 32-bit RISC-V-processorer integrerer MAX78000-mikrokontrolleren en CNN-accelerator for at forstærke inferensydeevnen i kant-AI-applikationer. (Billedkilde: Analog Devices)

MAX78000 understøtter de samme strømbesparende driftstilstande og nedlukningstilstande, som er beskrevet tidligere for MAX32655, hvor CNN forbliver tilgængelig i dvale- og strømbesparende tilstande, tilstandsfastholdelse i mikroeffekt-, standby- og backup-tilstande og en nedlukningstilstand til brug under opbevaring og distribution af slutprodukter.

Som med de andre mikrokontrollere, der omtales her, hjælper MAX78000's høje integrationsniveau udviklere med at opfylde kravene til en minimal stykliste (bill of materials/BOM) og slutproduktstørrelse. Med enhedens integrerede ADC- og signalbehandlingsfunktioner kan udviklerne bruge MAX78000 med få ekstra komponenter til hurtigt at implementere kant-AI-applikationer som nøgleordsdetektering (key word spotting/KWS) eller ansigtsgenkendelse (Face Identification/FaceID).

Udover at forenkle implementeringen af kant-AI giver MAX78000's kombination af flere strømtilstande, dobbelte processorer og hardwarebaseret CNN-udviklere mulighed for at opnå hurtig inferenshastighed med minimalt strømforbrug. Analog Devices' ingeniører undersøgte ydeevnen nøje i en undersøgelse af effektoptimerede applikationer på MAX78000.¹

Som en del af denne undersøgelse målte ingeniørteamet energiforbrug og tid til indlæsning af modelvægte (kerner), indlæsning af inputdata og udførelse af inferens for typiske kant-AI-applikationer. I et casestudie af KWS med 20 nøgleord (KWS20) viste resultaterne for eksempel, at udviklere kunne køre Arm-processoren alene for at reducere indlæsningstiden og energiforbruget for forskellige MAX78000-effektdriftstilstander (figur 8).

Figur 8: En KWS20-casestudieapplikation viste, at en højere clockhastighed resulterede i et lavere energiforbrug på grund af kortere indlæsningstider, især når kun Arm-processoren blev brugt. (Billedkilde: Analog Devices)

Studiet undersøgte også effekten på energiforbrug og tid, når Arm-processoren og RISC-V-processoren var i dvale under inaktiv tid, hvor RISC-V-processoren kun vågnede længe nok til at udføre indlæsning og styre CNN’en. Her sammenlignede undersøgelsen ydeevnen ved hjælp af to forskellige clock-kilder: MAX78000's interne primære oscillator (IPO) ved 100 MHz i forhold til den lavere effekt, men langsommere interne sekundære oscillator (ISO) ved 60 MHz. I dette resultat øgede en reduktion i clockfrekvensen energiforbruget drastisk i forbindelse med både indlæsning og udledning på grund af den længere gennemførelsestid, der kræves for hver (figur 9).

Figur 9: I KWS20-casestudiet resulterede brugen af højere clockfrekvenser med RISC-V-processoren alene til indlæsning og CNN-styring i et lavere energiforbrug på grund af kortere indlæsnings- og inferenstider. (Billedkilde: Analog Devices)

Baseret på deres undersøgelse bemærkede Analog Devices-teamet, at udviklere kunne opnå hurtig inferens med minimalt strømforbrug ved at køre med højere clockfrekvenser, især med den højtydende Arm-processor, fornuftigt brug af MAX78000's strømdriftstilstande og ved at beholde kerner i hukommelsen for at undgå energitab under længere indlæsningstider.

For udviklere, der skaber deres egne kant-AI-løsninger, tilbyder Analog Devices et omfattende sæt MAX78000-udviklingsressourcer, herunder MAX78000EVKIT-evalueringssæt og MAX78000FTHR-fjerkort. Sammen med en indbygget digital mikrofon, bevægelsessensorer, farvedisplay og flere tilslutningsmuligheder indeholder MAX78000EVKIT en funktion til overvågning af strømforsyningen, der hjælper udviklere med at optimere strømforbruget.

Til softwareudvikling tilbyder Analog Devices' MAX78000 CNN-værktøjssæt-softwarearkiv dokumentation, udviklingsvejledninger, træningsvideoer og softwarekode, der understøtter evalueringssættet og fjerkort.

Konklusion

Analog Devices bygger på et effektivt processorsubsystem og præsenterer et sæt mikrokontrollere med ultralavt strømforbrug, der integrerer funktioner og muligheder, der er designet specifikt til at understøtte de unikke krav i applikationer som kropsbåren elektronik (wearables), høreudstyr (hearables), aktivsporing, industrielle og medicinske sensorer og kant-AI. Ved hjælp af disse mikrokontrollere og understøttende ressourcer kan udviklere hurtigt implementere designs, der opfylder de specialiserede behov i forskellige applikationer med lavt strømforbrug.

Reference:

1. Udvikling af effektoptimerede applikationer på MAX78000