Använd en optimerad 8-bitars microcontroller för att förenkla konstruktionen av enheter med begränsade resurser

För konstruktörer av enheter med begränsad strömförsörjning och begränsat utrymme, som t.ex. elverktyg, hygienprodukter, leksaker, vitvaror och belysningsstyrningar, har det traditionellt sett räckt med en 8-bitars microcontroller (MCU). Men i takt med att tillämpningarna utvecklas krävs högre hastighet, effektivare kringutrustningsalternativ och mer robusta verktyg för programutveckling. Att migrera till ett 16- eller 32-bitars alternativ kan hjälpa, men ofta till priset av en större kapsling och mer ström.

För att lösa problemen kan konstruktörer dra nytta av microcontrollers baserade på 8051-arkitekturen som tillför många av fördelarna för 16- och 32-bitars processorer i8-bitars domänen. De gör detta i en kapsling som är så liten som 2 x 2 mm samtidigt som de har en modern utvecklingsmiljö.

Artikeln beskriver kortfattat 8051-arkitekturen och varför den är lämplig för tillämpningar med begränsade resurser. Därefter introduceras en serie av microcontrollers baserade på 8051-arkitekturen från Silicon Labs, där de viktigaste delsystemen beskrivs och man visar hur kritiska konstruktionsutmaningar kan hanteras. Artikeln avslutas med en diskussion om hård- och mjukvarustöd.

Varför använda 8051-arkitekturen?

När man väljer en microcontroller för en tillämpning med mycket begränsat utrymme har 8-bitars processorer, som t.ex. den väletablerade processorn 8051, många fördelar, inklusive ett litet format, låg strömförbrukning och en enkel konstruktion. Kringutrustningen för många 8051-processorer är dock relativt enkla, vilket begränsar användbarheten för specifika användningsområden. Exempelvis är analog-till-digital-omvandlare (ADC) med låg upplösning otillräckliga i tillämpningar med hög noggrannhet som t.ex. medicintekniska produkter.

Relativt långsamma klockor kan också vara ett problem. Den typiska 8051-microcontrollern arbetar med klockfrekvenser på mellan 8 och 32 MHz och äldre konstruktioner kräver flera klockcykler för att bearbeta instruktionerna. Den låga hastigheten kan begränsa förmågan hos 8-bitars microcontrollers att stödja realtidsoperationer som t.ex. noggrann motorstyrning.

De traditionella utvecklingsmiljöerna för 8051-processorer är inte heller anpassade för de förväntningar som moderna programutvecklare har. I kombination med de inbyggda begränsningarna för en 8-bitars arkitektur kan detta leda till en långsam och frustrerande kodningsprocess.

Begränsningarna hos traditionella 8-bitars processorer kan få utvecklare att överväga att migrera till microcontroller med 16- eller 32-bitar. Även om dessa microcontrollers har gott om beräkningskraft, högeffektiv kringutrustning och moderna programvarumiljöer, är de också relativt stora. Detta gör det svårare att integrera dem i konstruktioner med begränsat utrymme, vilket kan försena utvecklingen eller öka konstruktionens storlek.

Den större kodstorleken och högre strömförbrukningen för 16- och 32-bitars microcontrollers kan även leda till sämre konstruktioner. Nackdelarna är särskilt problematiska i de många tillämpningar som inte involverar avancerad matematik och därför inte drar nytta av de avancerade funktionerna hos dessa processorer.

Den perfekta balansen mellan dessa kompromisser kanske inte är uppenbar i början av ett projekt, och byte av processorer mitt i konstruktionen kan försena utvecklingen eller äventyra produktens storlek eller funktionalitet. Många konstruktioner med begränsat utrymme kan därför dra nytta av en mer kompetent microcontroller baserad på 8051-arkitekturen som för med sig många av fördelarna med 16- och 32-bitars processorer till den lilla och energieffektiva 8-bitars domänen.

EFM8BB50 tillför bättre funktionalitet för 8-bitars microcontrollers

Silicon Labs tillverkade serienEFM8BB50 med 8 bitars microcontrollers med dessa överväganden i åtanke (figur 1). Microcontrollern har förbättrad effektivitet, avancerad kringutrustning och en modern miljö för programutveckling.

Figur 1: Ett diagram över microcontrollern EFM8BB50. (Bildkälla: Silicon Labs)

Microcontrollerns hjärta är 8051-kärnan CIP-51, en implementering av 8051-arkitekturen från Silicon Labs som optimerats för ökad prestanda, minskad strömförbrukning och förbättrad funktionalitet. Prestandan är av särskild betydelse. I EFM8BB50 uppnår kärnan hastigheter på upp till 50 MHz och 70 % av instruktionerna exekveras på en eller två klockcykler. Detta medför att microcontrollern har betydligt högre prestanda än traditionella 8-bitars processorer, vilket ger utvecklare utrymme för mer avancerade tillämpningar.

Microcontrollern kännetecknas även av sina små mått. Varianterna med 16 stift, som t.ex. EFM8BB50F16G-A-QFN16, finns med så små kapslingar som 2,5 x 2,5 mm. Versionerna med 12 stift, som t.ex. EFM8BB50F16G-A-QFN12 är ännu mindre, med kapslingar ända ner till 2 x 2 mm.

Trots sina små mått är microcontrollern EFM8BB50 fullpackad med en imponerande mängd funktioner, bland annat:

• En 12-bitars analog- till digitalomvandlare som är nödvändig i tillämpningar som kräver exakt sensordata
• En integrerad temperaturgivare som gör det möjligt för microcontrollern att övervaka sin interna temperatur eller omgivningstemperaturen utan behov av externa komponenter
• En programmerbar räknare (PCA) med tre kanaler och pulsbreddsmodulering (PWM) som kan generera pulsbreddsmodulerade signaler för variabel utgångsreglering i tillämpningar som t.ex. motorstyrning och för att dimra lysdioder
• En motor för pulsbreddsmodulering med infogande av dödtid för utökad styrning av kraftelektronik, som t.ex. motordrivenheter eller kraftomvandlare

Andra in- och utgångar inkluderar en mängd olika seriella kommunikationsgränssnitt, en uppsättning 8- och 16-bitars timers och fyra konfigurerbara logikenheter. Alla stift i MCU-serien arbetar med 5 V och det begränsade antalet stift kan anpassas till de digitala in- och utgångarna för att få ut mesta möjliga funktionalitet.

Avancerad hantering av strömförbrukning

EFM8BB50 har flera funktioner för energihantering för att optimera strömförbrukningen och förlänga batteriets livslängd. Dessa börjar med flera olika strömlägen, inklusive ett viloläge som sänker kärnans klockhastighet samtidigt som kringutrustningen hålls aktiv. Stoppläget går längre och stoppar kärnan och den mesta kringutrustningen samtidigt som RAM-minnet och registerinnehållet bevaras. Viss kringutrustning kan ställas in så att den väcker kärnan ur stoppläget, vilket gynnar händelsestyrda tillämpningar som i första hand har låg strömförbrukning.

Flexibla klockningsalternativ bidrar till ytterligare energibesparing. En intern oscillator med hög noggrannhet eliminerar behovet av externa kristalloscillatorer i många scenarier, vilket minskar den totala strömförbrukningen. Microcontrollern stödjer även klockstyrning som selektivt inaktiverar klockor till olika typer av kringutrustning så att utvecklare kan stänga av de som inte används.

Kringutrustningen har även den konstruerats med energieffektivitet i åtanke. Framför allt kan den konfigurerbara logikenheten (CLU) utföra enkla logikfunktioner på egen hand, vilket minskar behovet av att aktivera kärnan ur sitt låga strömförbrukningsläge för enkla uppgifter. Dessutom kan LEUART:en (Low Energy UART) användas i effektlägen där den primära oscillatorn är avstängd, vilket möjliggör seriell kommunikation i strömsparlägen.

Stöd för intuitiv programutveckling

Utvecklare kan skapa program för serien EFM8BB50 i Simplicity Studio Suite från Silicon Labs. Miljön används för 8-bitars EFM8BB50, företagets microcrontrollers med 32-bitar och trådlösa systemkretsar (SoC). Resultatet är att utvecklarna får en modern miljö med de funktioner som de kan förvänta sig för mer kraftfulla processorer. Till exempel finns det ett verktyg för energiprofilering som tillhandahåller energiprofilering av koden i realtid (figur 2).

Figur 2: Simplicity Studio innehåller ett verktyg för energiprofilering som tillhandahåller energiprofilering av koden i realtid. (Bildkälla: Silicon Labs)

Verktygen är uppbyggda kring en integrerad utvecklingsmiljö (IDE) med standardiserade kodredigeringsprogram, kompilatorer, felsökningsverktyg och en motor för användargränssnitt (UI) för att utveckla moderna, responsiva gränssnitt. Utvecklingsmiljön ger tillgång till enhetsspecifika webb- och SDK-resurser samt specialiserade konfigurationsverktyg för mjuk- och hårdvara.

Simplicity Studio stödjer även Secure Vault från Silicon Labs. Secure Vault är en mycket avancerad säkerhetssvit med PSA-certifiering för nivå 3 som gör det möjligt för konstruktörer att härda IoT-enheter (Internet of Things) och skydda attackytan från eskalerande cyberhot, samtidigt som de anpassar sig till nya cybersäkerhetsregler.

Få en snabb start med utvärderingssatser

Utvecklare som är intresserade av att experimentera med EFM8BB50 kan överväga utvärderingssatsen BB50-EK2702A som visas i figur 3. Den här lilla satsen är anpassad till måtten för kopplingsdäck, för enkel montering på prototypsystem och hårdvara för laboration. Den har ett gränssnitt för USB, ett inbyggt SEGGER J-Link felsökningsverktyg, en lysdiod och en knapp för användarinteraktion. Satsen stöds fullt ut av Simplicity Studio Suite och kan användas med verktyget Energy Profiler. Programexempel finns för respektive kringutrustning och demonstrationer visar hur man använder lysdioden, knappen och UART.

Figur 3: Här visas utvärderingssatsen BB50-EK2702A. (Bildkälla: Silicon Labs)

Satsen innehåller ett uttag för mikroBUS och en Qwiic-kontakt. Detta hårdvarutillägg låter utvecklare skapa och ta fram prototyptillämpningar snabbt med hjälp av standardkort från olika leverantörer.

Utvecklare som är intresserade av ett mer omfattande utgångsläge kan använda satsen BB50-PK5208A Pro som visas i figur 4. Satsen är konstruerad för djupgående utvärdering och testning och innehåller sensorer och kringutrustning som demonstrerar många av funktionerna i microcontrollern.

Figur 4: Här visas satsen BB50-PK5208A Pro för grundlig utvärdering och testning. (Bildkälla: Silicon Labs)

Satsen innehåller anslutning för USB, en LCD med 128 x 128 pixelminne med extremt låg strömförbrukning, en analog styrspak för åtta riktningar, en lysdiod och en tryckknapp för användaren. Den innehåller även givaren Si7021 från Silicon Labs för relativ luftfuktighet och temperatur samt flera strömkällor, inklusive USB och ett knappcellsbatteri.

Kortet har en stiftrad på 2,54 cm med 20 poler för utökning. Den har även inkopplingspunkter för direkt åtkomst till in-och utgångarnas stift. På samma sätt som utvärderingssatsen har Pro-satsen stöd för energiprofiler och levereras med programexempel för respektive kringutrustningsenhet.

Felsökningsalternativ för EFM8BB50

Silicon Labs har flera olika felsökningsverktyg som stödjer de egna microcontrollerenheterna. För allmän felsökning har företaget DEBUGADPTR1-USB, en 8-bitars felsökningsadapter för USB med en enkel kontakt med 10 stift.

Fler specialfunktioner är tillgängliga via felsökningsverktyget SI-DBG1015A för Simplicity Link. Den ansluts till gränssnittet Mini Simplicity som ingår i de båda ovan nämnda satserna. Utöver de grundläggande funktionerna har Simplicity Link ytterligare funktioner, inklusive ett SEGGER J-Link felsökningsverktyg, ett gränssnitt för paketspårning, en virtuell COM-port och inkopplingspunkter för att enkelt kunna mäta enskilda signaler.

Sammanfattning

En modern microcontroller med 8051, som t.ex. EFM8BB50 tillför funktioner för 8-bitarsdomänen som vanligtvis förknippas med 16- och 32-bitarsenheter. Med sina snabba klockhastigheter, kringutrustning med hög noggrannhet och robusta miljö för programutveckling ger denna serie av microcontrollers utvecklarna rätt kombination av funktioner för ett ökande antal tillämpningar där utrymme och effekt är begränsade men högre prestanda och flexibilitet krävs.