Användning av en serie microcontrollers med låg strömförsbrukning för att förenkla IoT-konstruktion för sjukvård och industri

Utvecklare av konstruktioner med låg strömförbrukning för tillämpningar inom industri, sjukvård och IoT (Internet of Things) står inför en fortsatt efterfrågan på lösningar baserade på microcontrollers med omfattande funktionalitet utan att kompromissa med snäva krav på låg strömförsörjning. I takt med att utvecklingen fortskrider riskerar de ofta att överskrida gränsvärden för maximal strömförbrukning för att uppfylla specialiserade funktionskrav.

Artikeln visar hur microcontrollers med extremt låg strömförbrukning från Analog Devices kan uppfylla dessa krav.

Uppfylla krav för specialiserade tillämpningar

Konstruktörer måste uppfylla en rad grundläggande krav på hög effektivitet och låg strömförbrukning för att kunna leva upp till kundernas förväntningar på ett effektivt sätt. Inom så skilda tillämpningsområden som t.ex. sjukvård, industri och IoT har grundläggande krav vanligtvis dominerat besluten för konstruktionen och styrt utvecklingen av hårdvaruplattformar som i princip inte går att skilja åt. På så sätt kan konstruktörer snabbt tillämpa de erfarenheter av hårdvaru- och programvarukonstruktion som de fått inom ett tillämpningsområde för att tillgodose de grundläggande behoven inom ett annat.

Med den ökande efterfrågan på alltmer sofistikerade produkter inom dessa områden är det en större utmaning för konstruktörer att uppfylla de särskilda kraven för specialiserade tillämpningar utan att ge avkall på förmågan att uppfylla de grundläggande kraven. Segmenten för tillämpningar har börjat skilja sig åt avsevärt, med unika krav på uppkoppling, säkerhet och artificiell intelligens (AI).

På grund av de förändrade behoven har konceptet med en gemensam hårdvaruplattform utvecklats för att göra det möjligt för konstruktörer att uppfylla de grundläggande kraven på hög prestanda och låg strömförbrukning samtidigt som de förlitar sig på en välbekant uppsättning processorer som kompletteras med specialfunktioner.

En grundsortiment med specialanpassade processorer för specialfunktioner

Sortimentet av microcontrollers med mycket låg strömförbrukning från Analog Devices är uppbyggt kring Arm® Cortex®-M4 med en flyttalsenhet (FPU) som har en mycket låg strömförbrukning och ger konstruktörer en välbekant plattform som uppfyller kraven på processorkärnans effekt och prestanda.

För att uppfylla de unika kraven inom olika tillämpningsområden specialanpassar Analog Devices detta grundsortiment med specialiserade funktioner inom fyra delar av sortimentet, som innefattar:

• MAX32655 är anpassad för tillämpningar med krav på Bluetooth Low Energy-anslutningar (BLE) och utökad batteritid samtidigt som den har tillräckligt med minne och prestanda.
• MAX32690 är anpassad för tillämpningar med krav på BLE, robust prestanda och omfattande minne.
• MAX32675C är anpassad för tillämpningar med krav på blandade signaler för industriella och medicintekniska givare.
• MAX78000 uppfyller den växande efterfrågan på intelligenta enheter i molnkanten.

Hantering av anslutning

Microcontrollern MAX32655 från Analog Devices integrerar en Arm Cortex-M4 med en flyttalsenhet på 100 MHz, 512 kB flash, 128 kB statisk SRAM (random-access memory) och 16 kB instruktionscache för att uppnå den effektiva kombinationen av processorprestanda och minneslagring som krävs i typiska tillämpningar med låg strömförbrukning. Utöver detta delsystem för bearbetning lägger enheten till en omfattande uppsättning funktionsblock för säkerhet, strömhantering, timing samt digital och analog kringutrustning som vanligtvis behövs i enheter för spårning av tillgångar, bärbara enheter och övervakningsutrustning för hälso- och sjukvård (figur 1).

Figur 1: Med sin omfattande uppsättning av integrerad kringutrustning kan microcontrollern MAX32655 användas för en stor mängd tillämpningar som kräver Bluetooth-anslutning, bearbetning av hög kvalitet och optimerad strömförsörjning. (Bildkälla: Analog Devices)

För att uppfylla de varierande kraven på Bluetooth-anslutning i olika tillämpningar har MAX32655 dedicerad hård- och mjukvara för att stödja en komplett uppsättning funktioner för Bluetooth 5.2. Tillsammans med radion för Bluetooth 5.2 integrerar microcontrollern en dedicerad 32-bitars RISC-V-hjälpprocessor för att hantera tidskritiska bearbetningsuppgifter för Bluetooth. Delsystemet för Bluetooth uppfyller nya prestandakrav och har stöd för en hög genomströmning på 2 Mbit/s samt en funktion för lång räckvidd med hastigheter på 125 respektive 500 Kbit/s. Två stift på enheten gör det möjligt för utvecklare att enkelt ansluta en antenn utanför kretsen för konstruktioner som använder Bluetooth. Enhetens Bluetooth-stack vid körning sträcker sig över Arm Cortex-M4 med flyttalsenhet, RISC-V och radio för att komplettera enhetens Bluetooth 5.2-funktionalitet och tillhandahålla applikationsstöd (figur 2).

Figur 2: Den Arm Cortex-M4 med FPU, RISC-V, radio och komplett Bluetooth 5.2-stack som finns i MAX32655 har stöd för en fullständig uppsättning funktioner för riktningsbestämning, kommunikation med hög genomströmning och lång räckvidd. (Bildkälla: Analog Devices)

För tillämpningar med högt ställda krav på prestanda och minne finns microcontrollern MAX32690 från Analog Devices med en Arm Cortex-M4 med flyttalsenhet på 120 MHz tillsammans med 3 MB flash, 1 MB SRAM och 16 kB cacheminne. Förutom de analoga komparatorerna och den digitala kringutrustningen i MAX32655 har MAX32690 ett bussgränssnitt för HyperBus/Xccela för exekvering med höga hastigheter från extern flash och SRAM när minnesbehovet överstiger kretsens resurser. Precis som MAX32655 innehåller MAX32690 en 32-bitars RISC-V processor som är tillgänglig för fristående bearbetning och har stöd för Bluetooth-hantering.

För att hjälpa utvecklare att optimera strömförbrukningen har var och en av de fyra microcontrollers som tidigarenämnts stöd för flera driftlägen med låg strömförbrukning. MAX32655 och MAX32690 har driftlägen med låg strömförbrukning enligt följande:

• Viloläge, där Arm Cortex-M4 med flyttalsenhet (CM4) och 32-bitars RISC-V (RV32) är i viloläge, men kringutrustningen förblir påslagen
• Läge med låg strömförbrukning (LPM), där CM4 är i viloläge med bibehållet tillstånd medan RV32 förblir aktiv för att flytta data från aktiverad kringutrustning
• Läge för mikroström (UPM), där CM4, RV32 och vissa stift bibehåller sitt tillstånd, men en övervakningstimer, de analoga komparatorerna och UART:en med låg strömförbrukning är tillgängliga för att väcka microcontrollern
• Viloläge, där realtidsklockan förblir på och alla kringutrustningsenheter behåller sin status
• Backup, där realtidsklockan förblir på och systemminnet bibehåller sitt tillstånd

MAX32655 har dessutom ett avstängningsläge (PDM) som är utformat för användning vid lagring och distribution av slutprodukter. I avstängningsläget är MAX32655 avstängd, men en intern spänningsövervakningskrets är fortfarande i drift. Slutanvändare kan därför snabbt aktivera produkter baserade på MAX32655 genom att ta bort en skyddsflik som monterats på batteriet eller på annat sätt ansluta ström till produkten.

Dessa driftlägen kan ge betydligt lägre strömförbrukning, även för microcontrollers med extremt låg strömförbrukning, genom att selektivt stänga av olika hårdvarublock. MAX32655 förbrukar exempelvis endast 12,9 μA/MHz vid 3 V i normalt aktivt driftläge. I viloläge bibehåller den sitt tillstånd eller stänger av flera block helt för att uppnå en strömförbrukning på endast 2,1 μA vid 3 V, samtidigt som enheten kan återuppta driften på endast 14,7 μs (figur 3).

Figur 3: Olika strömlägen för microcontrollern MAX32655, som t.ex. viloläget som visas här, kan bibehålla status eller helt stänga av olika delsystem i hårdvaran för att minska strömförbrukningen samtidigt som driftsfunktionaliteten bibehålls. (Bildkälla: Analog Devices)

Tillsammans med funktioner för låg strömförbrukning hjälper den höga integrationsnivån utvecklarna att minska komplexiteten för konstruktionen och uppfylla kraven på minimal storlek. Den integrerade switchade strömförsörjningen SIMO (single-inductor multiple-output) i MAX32655 kräver endast ett enda integrerat induktor-/kondensatorpar. Därför kan utvecklare lättare skapa små konstruktioner som drivs av en enda litiumcell för att uppfylla kraven för kapslingar i tillämpningar som t.ex. spårning av tillgångar, bärbara enheter, hörlurar och liknande produkter med begränsat utrymme.

För exempelvis true wireless-stereohörlurar (TWS) kan utvecklare implementera en effektiv lösning med hjälp av MAX32655 och ettminimalt antal ytterligare komponenter utöver en codec och batterihantering. Genom att kombinera en MAX32655 med enheterna och DS2488 1-trådsanslutning med dubbla portar får man en komplett konstruktion för true wireless-stereohörlurar och tillhörande laddningsstation (figur 4).

Figur 4: Den integrerade funktionaliteten i microcontrollern MAX32655 möjliggör konstruktioner med minimal storlek och materiallista, som få ytterligare enheter utöver en codec, en enhet för strömhantering och en gränssnittsenhet, som t.ex. DS2488 1-tråd, för att implementera en komplett lösning med true wireless-stereohörlurar och laddningsstation. (Bildkälla: Analog Devices)

För att påskynda utvärdering och prototypframtagning med dessa microcontrollers kan utvecklare dra nytta av flera av utvecklingsresurserna från Analog Devices, bland annat:

• Utvärderingssatsen MAX32655 (MAX32655EVKIT)
• Tilläggskortet MAX32655 (MAX32655FTHR)
• Utvärderingssatsen MAX32690 (MAX32690EVKIT)
• Utvecklingplattformen för MAX32690 med format för Arduino (AD-APARD32690-SL)

En effektivare lösning för konstruktionskrav för blandade signaler

Medan MAX32655 och MAX32690 tillgodoser behovet för små batteridrivna Bluetooth-kompatibla produkter, tillgodoser microcontrollern MAX32675C med låg strömförbrukning och blandade signaler från Analog Devices de specialiserade kraven för medicintekniska och industriella givartillämpningar.

MAX32675C har låg strömförbrukning vid start och drift, samtidigt som den har den höga integrationsnivå som allt oftare krävs för dessa tillämpningar. Den kombinerar processorn Arm Cortex-M4 12 MHz med flyttalsenhet och 384 kB flash, 160 kB SRAM och 16 kB cache samt en analog precisions-frontend (AFE) och ett HART-modem (figur 5).

Figur 5: Den integrerade analoga front-enden och HART-modemet för microcontrollern MAX32675C tillhandahåller de delsystem som behövs för att uppfylla kraven på liten storlek och låg strömförbrukning i industriella och medicintekniska givare. (Bildkälla: Analog Devices)

En analog front-end kommunicerar med processorn via ett internt seriellt kringutrustningsgränssnitt (SPI) och har en uppsättning kringutrustning som normalt krävs för industriella och medicinska givartillämpningar, inklusive en 12 bitars analog- till digitalomvandlare (ADC) med dubbla delta-sigma och hög noggrannhet som kan konfigureras för 16 eller 24 bitars drift. Respektive analog- till digitalomvandlare har en dedicerad 1x till 128x programmerbar förstärkare (PGA) med lågt brus som drivs av en multiplexer med 12 kanaler som kan konfigureras för drift som 12 st obalanserade kanaler eller 6 st differentiella kanaler.

MAX32675C är särskilt väl lämpad för att hantera efterfrågan på industriella fältinstrument med låg strömförbrukning baserade på givare och sändare för 4-20 mA. Faktum är att den här microcontrollern är särskilt utformad för att aldrig överskrida strömbegränsningarna i tillämpningar med 4-20 mA, vilket löser ett vanligt problem vidstart där microcontrollers har haft svårt att hålla strömbegränsningarna.

För att uppfylla ett viktigt krav i många befintliga industriella styrsystem har analoga front-ends ett komplett HART-modem, vilket förenklar implementeringen av industriella fältinstrument via en strömslinga på 4-20 mA (figur 6).

Figur 6: Den analoga front-enden i microcontrollern MAX32675C har ett dedicerat HART-modem för att stödja befintliga fältinstrument på 4-20 mA i typiska industriella tillämpningar. (Bildkälla: Analog Devices)

Med MAX32675C kan utvecklare av industriella tillämpningar enkelt konfigurera och styra fältinstrument via HART-modemets SPI-anslutning till Arm Cortex-M4.

Tillsammans med dokumentation och andra utvecklingsresurser erbjuder Analog Devices utvärderingssatsen MAX32675EVKIT MAX32675C som gör det lättare att påskynda testning och prototyputveckling.

Uppfylla kommande krav för artificiell intelligens i molnkanten

För att kunna bygga effektiva tillämpningar inom ett växande antal områden måste utvecklare implementera enheter i molnkanten som effektivt kan exekvera AI-algoritmer för intelligent tidsseriebearbetning eller igenkänning av objekt, ord eller ansikten. MAX78000 från Analog Devices är särskilt utformad för att stödja dessa funktioner samtidigt som det grundläggande kravet på låg strömförbrukning bibehålls.

Precis som för de microcontrollers med mycket låg strömförbrukning som beskrivits tidigare bygger MAX78000 (figur 7) på processorn Arm Cortex-M4 med en flyttalsenhet, 512 kB flash, 128 kB SRAM och 16 kB cache för att uppfylla processorkärnans exekveringskrav för tillämpningen. För att stödja avancerade AI-lösningar utökar MAX78000 sitt delsystem för processorn med ytterligare ett par resurser, inklusive:

• En 32-bitars RISC-V hjälpprocessor med extremt låg strömförbrukning, som förser systemet med signalbehandlingsfunktioner
• En integrerad hårdvarubaserad CNN-accelerator (convolutional neural network) för att möta den växande efterfrågan av AI-enheter i molnkanten

Figur 7: Tillsammans med Arm Cortex-M4 med flyttalsprocessor och en 32-bitars RISC-V processorintegrerar microcontrollern MAX78000 en CNN-accelerator för att öka inferensprestandan i avancerade AI-tillämpningar. (Bildkälla: Analog Devices)

MAX78000 har stöd för samma låga strömförbruknings- och avstängningsläge som tidigare beskrivits för MAX32655, där CNN förblir tillgänglig i viloläge och lägen med låg strömförbrukning, bibehållen status vid minimal strömförbrukning, i standby- och backupläge samt ett avstängningsläge för användning vid lagring och distribution av slutprodukter.

Precis som med de andra microcontrollers som diskuteras här hjälper den höga integrationsnivån i MAX78000 utvecklare att uppfylla kraven på en minimal materiallista och slutproduktens storlek. Med enhetens integrerade analog- till digitalomvandlare och signalbehandlingsfunktioner kan utvecklare använda MAX78000 med få ytterligare komponenter för att snabbt implementera avancerade AI-tillämpningar, som t.ex. nyckelordssökning (KWS) eller ansiktsidentifiering (FaceID).

Förutom att förenkla implementeringen av AI vid molnkanten gör kombinationen av flera strömlägen, dubbla processorer och hårdvarubaserad CNN hos MAX78000 det möjligt för utvecklare att uppnå snabb inferenshastighet med minimal strömförbrukning. Ingenjörer hos Analog Devices granskade prestandan noggrant vid en studie av strömoptimerade tillämpningar för MAX78000^.1

Som en del av studien mätte ingenjörsteamet strömförbrukningen och tiden för inläsning av kernels, inläsning av indata och utförandet av inferens för typiska AI-tillämpningar vid molnkanten. I en fallstudie av nyckelordssökning med 20 nyckelord (KWS20) visade resultaten t.ex. att utvecklarr kunde köra enbart Arm-processorn för att minska inläsningstiden och strömförbrukningen när den kördes i olika driftlägen för MAX78000 (figur 8).

Figur 8: En tillämpning med fallstudien KWS20 visade att en högre klockfrekvens resulterade i lägre strömförbrukning tack vare kortare inläsningstider, i synnerhet när enbart Arm-processorn användes. (Bildkälla: Analog Devices)

I studien undersöktes även effekten på strömförbrukningen och tiden när Arm- och RISC-V-processorn var inaktiva under vilotiden, och RISC-V-processorn bara vaknade tillräckligt länge för att utföra inläsning och hantering av CNN. Här jämfördes prestanda med två olika klockkällor: Den interna primära oscillatorn (IPO) på 100 MHz i MAX78000 jämfört med den långsammare interna sekundära oscillatorn (ISO) på 60 MHz med lägre strömförbrukning. En minskning av klockfrekvensen ledde till en dramatisk ökning av strömförbrukningen vid både inläsning och inferens, på grund av den längre tid som krävdes för att slutföra varje process (figur 9).

Figur 9: I fallstudien för KWS20 resulterade användning av högre klockfrekvenser med endast processorn RISC-V i tillämpningar med inläsning och hantering av CNN, i en lägre strömförbrukning tack vare kortare laddnings- och inferenstider. (Bildkälla: Analog Devices)

Baserat på sin studie konstaterade teamet hos Analog Devices att utvecklare kunde uppnå snabb inferens med minimal strömförbrukning genom att köra med högre klockfrekvenser, i synnerhet med den högeffektiva Arm-processorn, klok användning av strömsparlägen för MAX78000 och att bibehålla kernels i minnet för att undvika effektförluster vid långa inläsningsstider.

För utvecklare som skapar sina egna AI-lösningar erbjuder Analog Devices en omfattande uppsättning utvecklingsresurser för MAX78000, inklusive utvärderingssatsen MAX78000EVKIT och tilläggskortet MAX78000FTHR. Tillsammans med en inbyggd digital mikrofon, rörelsegivare, färgskärm och flera anslutningsmöjligheter innehåller MAX78000EVKIT en funktion för strömövervakning som hjälper utvecklare att optimera strömförbrukningen.

För mjukvaruutveckling finns verktygsuppsättningen CNN för MAX78000 från Analog Devices, dokumentation, utvecklingsguider, utbildningsvideor och programkod med stöd för utvärderingssatsen och tilläggskortet.

Sammanfattning

Med utgångspunkt i ett effektivt processordelsystem kan Analog Devices presentera en uppsättning microcontrollers med extremt låg strömförbrukning som integrerar funktioner och möjligheter som är särskilt utformade för att stödja de unika kraven i tillämpningar som t.ex. bärbara enheter, hörlurar, spårning av tillgångar, industriella och medicintekniska givare samt AI-enheter vid molnkanten. Med hjälp av microcontrollers och stödresurser kan utvecklare snabbt implementera konstruktioner som uppfyller de specialiserade behoven i olika tillämpningar med låg strömförbrukning.

Referens:

1. Utveckling av effektoptimerade tillämpningar med MAX78000