Yksinkertaista terveydenhuollon ja teollisuuden IoT-suunnittelua vähävirtaisen mikrokontrollerivalikoiman avulla

Vähävirtaisten teollisuus-, terveydenhuolto- ja erilaisten IoT (Internet of Things, esineiden Internet) -sovellusten kehittäjät tarvitsevat jatkuvasti mikrokontrolleripohjaisia ratkaisuja, jotka tarjoavat kattavia toimintoja tiukasta virtabudjetista tinkimättä. Kehitystyössä on usein vaarana, että kehittäjät ylittävät virtabudjetin haluttujen toiminnallisten vaatimusten täyttämiseksi.

Tämä artikkeli esittelee, miten Analog Devices -yrityksen erittäin vähävirtaisten mikrokontrollerien valikoima voi täyttää nämä vaatimukset.

Erikoissovellusten vaatimusten täyttäminen

Suunnittelijoiden on täytettävä korkean tehokkuuden ja alhaisen virrankulutuksen perusvaatimukset, jotta he voivat vastata tehokkaasti asiakkaiden odotuksiin. Nämä keskeiset vaatimukset ovat tyypillisesti hallinneet suunnittelupäätöksiä niinkin erilaisilla sovellusalueilla kuin terveydenhuollossa, teollisuudessa ja esineiden internetissä ja ohjanneet sellaisten laitteistoalustojen kehittämistä, joita ei voi käytännössä erottaa toisistaan. Näin ollen suunnittelijat voivat hyödyntää nopeasti yhdeltä sovellusalueelta saatua laitteisto- ja ohjelmistosuunnittelukokemusta toisen sovellusalueen perustarpeisiin.

Koska yhä sofistikoituneempien tuotteiden kysyntä kasvaa näillä aloilla, kehittäjien on yhä vaikeampi vastata erityissovellusten erityisvaatimuksiin tinkimättä perusvaatimusten täyttämisestä. Sovellussegmentit ovat alkaneet erilaistua jyrkästi, ja kullakin segmentillä on omat yhdistettävyys-, turvallisuus- ja tekoälyvaatimuksensa.

Yhteisen laitteistoalustan käsite on kehittynyt näiden muuttuvien tarpeiden ohjaamina siten, että suunnittelijat voivat täyttää korkean tehokkuuden ja alhaisen virrankulutuksen perusvaatimukset tukeutumalla tuttuun prosessorikokonaisuuteen, jota on täydennetty erikoisominaisuuksilla.

Erikoisominaisuuksia varten räätälöity prosessoriperusta

Erittäin vähävirtaiseen, liukulukuyksiköllä (FPU) varustettuun Arm® Cortex®-M4 -prosessoriin perustuvat Analog Devices -yrityksen erittäin vähävirtaisen mikrokontrollerivalikoiman jäsenet tarjoavat suunnittelijoille tutun alustan, joka pystyy täyttämään keskeiset virrankulutus- ja tehokkuusvaatimukset.

Analog Devices voi täyttää eri sovellusalueiden yksilölliset vaatimukset räätälöimällä tätä perustaa neljän tuotevalikoimaan kuuluvan jäsenen erityisominaisuuksilla. Nämä ovat:

• MAX32655 on suunnattu sovelluksiin, joissa tarvitaan Bluetooth Low Energy (BLE) -yhteyttä ja pitkää akun kestoa. Se tarjoaa myös riittävästi muistia ja suorituskykyä.
• MAX32690 on suunnattu sovelluksiin, joissa tarvitaan BLE-yhteyttä, robustia suorituskykyä ja paljon muistia.
• MAX32675C on suunnattu sovelluksiin, joissa teollisuusanturit ja lääketieteelliset anturit vaativat sekasignaalitukea.
• MAX78000 vastaa älykkäiden reunalaitteiden kasvavaan kysyntään.

Yhdistettävyys

Analog Devices MAX32655-mikrokontrolleri sisältää liukulukuyksiköllä (FPU) varustetun 100 megahertsin (MHz) Arm Cortex-M4 -prosessorin, 512 kilotavun (kilotavun) flash-muistin, 128 kilotavun (kilotavun) SRAM (Static Random Access Memory) -muistin ja 16 kilotavun (kilotavun) käskyvälimuistin. Prosessori tarjoaa tehokkaan yhdistelmän suorituskykyä ja muistikapasiteettia, mitä tyypilliset vähävirtaiset sovellukset vaativat. Tämän prosessointiosajärjestelmän lisäksi laitteeseen kuuluu kattava joukko toimilohkoja tietoturvaa, virranhallintaa, ajoitusta sekä digitaalisia ja analogisia oheislaitteita varten, joita tyypillisesti tarvitaan omaisuudenseurannassa, puettavissa laitteissa ja terveydenhuollon valvontalaitteissa (kuva 1).

Kuva 1: MAX32655-mikrokontrollerin monipuoliset integroidut oheislaitteet tukevat monenlaisia sovelluksia, jotka vaativat Bluetooth-yhteyttä, korkeatehoista prosessointia ja optimoitua virrankulutusta. (Kuvan lähde: Analog Devices)

MAX32655 täyttää erilaisten sovellusten lukuisat Bluetooth-yhteysvaatimukset tarjoamalla dedikoidun laitteiston ja ohjelmiston, joka tukee kaikkia Bluetooth 5.2 -ominaisuuksia. Tähän mikrokontrolleriin on integroitu Bluetooth 5.2 -radion lisäksi dedikoitu 32-bittinen RISC-V-rinnakkaisprosessori, joka hoitaa ajoituskriittisen Bluetooth-prosessoinnin. Tämä Bluetooth-alijärjestelmä vastaa kasvaviin suorituskykyvaatimuksiin, sillä se tukee korkean tiedonsiirtokapasiteetin tilaa 2 megabitin sekuntinopeudella (Mbit/s) ja pitkän kantaman tilaa nopeuksilla 125 kilobittiä sekunnissa (kbit/s) ja 500 kbit/s. Kahden laitenastan ansiosta kehittäjät voivat kytkeä sirun ulkopuolisen antennin helposti Bluetooth-teknologiaa käyttäviin malleihin. Bluetooth 5.2 -toiminnallisuuden täydentävä ja sovellustuen tarjoava laitteen ajonaikainen Bluetooth-pino käyttää Arm Cortex-M4 -prosessoria FPU-yksikköineen, RISC-V-rinnakkaisprosessoria ja radiota (kuva 2).

Kuva 2: MAX32655-mikrokontrollerin Arm Cortex-M4 -prosessorilla, FPU-yksiköllä, RISC-V-rinnakkaisprosessorilla ja radiolla toimiva Bluetooth 5.2 -pino tarjoaa kattavat ominaisuudet, jotka mahdollistavat suuntahaun, huipputehokkaan kommunikaation ja pitkän kantaman toiminnan. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Analog Devices MAX32690-mikrokontrolleri tarjoaa FPU-yksiköllä varustetun 120 MHz:n Arm Cortex-M4-prosessorin sekä 3 megatavua flash-muistia, 1 megatavun SRAM-muistia ja 16 kilotavua välimuistia. MAX32690-mikrokontrolleriin kuuluu MAX32655-version analogisten komparaattoreiden ja digitaalisten oheislaitteiden lisäksi HyperBus-/Xccela-väylärajapinta, joka mahdollistaa huippunopean suorittamisen ulkoisesta flash- ja SRAM-muistista silloin, kun muistivaatimukset ylittävät piirin resurssit. MAX32690-mikrokontrolleriin on integroitu MAX32655-version tapaan 32-bittinen RISC-V-prosessori, joka on käytettävissä itsenäiseen prosessointiin ja Bluetooth-prosessoinnin tueksi.

Jotta kehittäjät voisivat optimoida virrankulutuksen, jokainen edellä mainituista neljästä mikrokontrollerista tukee useita virransäästötiloja. MAX32655- ja MAX32690-mikrokontrollereiden virransäästötiloja ovat:

• Sleep (lepotila); FPU (CM4) -yksiköllä varustettu Arm Cortex-M4 -prosessori ja 32-bittinen RISC-V (RV32) -prosessori ovat lepotilassa, mutta oheislaitteet pysyvät päällä
• Vähävirtainen LPM (Low-Power Mode) -tila, jossa CM4 on lepotilassa ja säilyttävää tilan, kun taas RV32 pysyy aktiivisena datan siirtämiseksi päällä olevista oheislaitteista
• UPM (Micro Power Mode) -mikrovirtatila, jossa CM4, RV32 ja tietyt nastat säilyttävät tilansa, mutta vahtiajastin, analogiset komparaattorit ja vähävirtainen UART ovat käytettävissä mikrokontrollerin herättämiseksi
• Standby (valmiustila), jossa reaaliaikainen kello pysyy päällä ja kaikki oheislaitteet säilyttävät tilansa
• Tallennustila, jossa reaaliaikainen kello pysyy päällä ja järjestelmämuisti säilyttää tilansa.

Lisäksi MAX32655-mikrokontrolleri tarjoaa PDM (Power Down Mode) -virrankatkaisutilan, joka on suunniteltu käytettäväksi lopputuotteiden varastoinnin ja jakelun aikana. PDM-tilassa MAX32655:n virta katkaistaan, mutta sisäinen jännitemonitori pysyy toiminnassa. Sen ansiosta loppukäyttäjät voivat aktivoida MAX32655-pohjaiset tuotteet nopeasti poistamalla paristosuojan tai kytkemällä tuotteeseen virran muulla tavoin.

Nämä toimintatilat voivat tarjota merkittäviä virtasäästöjä jopa erittäin vähävirtaisien mikrokontrollereiden kanssa, koska eri laitteistolohkojen sammutus voidaan suorittaa valikoivasti. Esimerkiksi MAX32655-mikrokontrolleri kuluttaa normaalissa aktiivisessa toimintatilassa vain 12,9 mikroampeeria megahertsiä kohti (μA/MHz) 3,0 voltin jännitteellä. Valmiustilassa laitteen tila säilyy tai laite katkaisee virran kokonaan useista lohkoista saavuttamiseen vain 2,1 μA:n virrankulutuksen jännitteellä 3,0 volttia. Samalla laite voi jatkaa toimintaansa vain 14,7 mikrosekunnissa (μs) (kuva 3).

Kuva 3: MAX32655-mikrokontrollerin eri virtatilat, kuten tässä esitetty valmiustila, voivat säilyttää osajärjestelmään tilan tai sammuttaa kokonaan laitteiston eri osajärjestelmiä virrankulutuksen vähentämiseksi ja samalla toimintakyvyn ylläpitämiseksi. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Alhaisen virrankulutuksen ohella näiden laitteiden korkea integraatiotaso auttaa kehittäjiä vähentämään suunnittelun kompleksisuutta ja täyttämään minimaalista kokoa koskevat vaatimukset. Esimerkiksi MAX32655-mikrokontrolleriin integroitu SIMO (Single-Inductor Multiple-Output) -hakkurivirtalähde vaatii vain yhden induktori-kondensaattoriparin. Tämän ansiosta kehittäjät voivat luoda helpommin kompakteja ratkaisuita, jotka saavat virtansa yhdestä ainoasta litiumkennosta ja jotka täyttävät kotelovaatimukset sellaisissa sovelluksissa kuten omaisuudenseurannassa, puettavissa laitteissa, kuulolaitteissa ja vastaavissa tilarajoitteisissa tuotteissa.

Kehittäjät voivat esimerkiksi toteuttaa TWS (True Wireless Stereo) -kuulokkeita varten tehokkaan ratkaisun MAX32655-mikrokontrollerilla ja minimaalisilla lisäkomponenteilla koodekin ja akun virranhallinnan lisäksi. MAX32655-mikrokontrollerin yhdistäminen näihin komponentteihin ja 1-johtimiseen kaksiporttiseen linkkiin DS2488 tarjoaa täydellisen ratkaisun TWS-kuulokkeita ja sen latauspidikettä varten (kuva 4).

Kuva 4: MAX32655-mikrokontrolleriin integroidut toiminnot mahdollistavat ratkaisut, joiden tilantarve ja osaluettelo ovat minimaaliset. Niihin tarvitaan koodekin, virranhallintalaitteen ja 1-johtimisen kaksiporttisen linkin DS2488 kaltaisen rajapintalaitteen lisäksi vain muutamia komponentteja täydellisen TWS-kuuloke- ja latauspidikeratkaisun toteuttamiseksi. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Kehittäjät voivat hyödyntää useita Analog Devices -yrityksen tarjoamia kehitysresursseja näiden mikrokontrollerien arvioinnin ja prototyyppikehityksen nopeuttamiseksi. Näitä ovat muun muassa:

• MAX32655-arviointisarja (MAX32655EVKIT)
• MAX32655 Feather -kortti (MAX32655FTHR)
• MAX32690-arviointisarja (MAX32690EVKIT)
• MAX32690 Arduino-kokoluokan kehitysalusta (AD-APARD32690-SL)

Tehokkaampi ratkaisu, kun suunnitteluvaatimukset sisältävät sekasignaaleja

Mikrokontrollerit MAX32655 ja MAX32690 vastaavat kompaktien paristokäyttöisten Bluetooth-teknologiaa käyttävien tuotteiden tarpeeseen, kun taas Analog Devices -yrityksen vähävirtainen MAX32675C-sekasignaalimikrokontrolleri vastaa lääketieteen ja teollisuuden anturisovellusten erityisvaatimuksiin.

MAX32675C tarjoaa alhaisen virrankulutuksen käynnistyksen ja toiminnan aikana sekä korkean integraatiotason, jota näissä sovelluksissa yhä useammin vaaditaan. Siinä yhdistyvät 12 MHz:n Arm Cortex-M4 -prosessori ja FPU-yksikkö sekä 384 kilotavun flash-muisti, 160 kilotavun SRAM-muisti ja 16 kilotavun välimuisti sekä tarkka analoginen etuaste (AFE) ja HART-modeemi (kuva 5).

Kuva 5: MAX32675C-mikrokontrolleriin integroitu AFE ja HART-modeemi tarjoavat osajärjestelmät, jotka tarvitaan pienen koon ja alhaisen virrankulutuksen vaatimusten täyttämiseksi teollisissa ja lääketieteellisissä antureissa. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Analoginen etuaste kommunikoi prosessorin kanssa sisäisen SPI (Serial Peripheral Interface) -rajapinnan kautta ja tarjoaa joukon oheislaitteita, joita tarvitaan tyypillisesti teollisissa ja lääketieteellisissä anturisovelluksissa. Niihin kuuluvat yksi 12-bittinen digitaali-analogiamuunnin (DAC) ja kaksi korkean tarkkuuden delta-sigma-analogia-digitaalimuunninta (ADC), jotka voidaan konfiguroida 16-bittiseen tai 24-bittiseen toimintaan. Kussakin ADC-muuntimessa on oma 1x–128x pienikohinainen ohjelmoitava vahvistimensa (Programmable Gain Amplifier, PGA), jota ohjaa 12-kanavainen tulomultiplekseri, joka voidaan konfiguroida 12-kanavaiseen epäsymmetriseen tai 6-kanavaiseen differentiaalikäyttöön.

MAX32675C sopii erityisen hyvin täyttämään 4–20 milliampeerin (mA) antureihin ja lähettimiin perustuvien vähävirtaisten teollisten kenttälaitteiden tarpeen. Itse asiassa tämä mikrokontrolleri on nimenomaisesti suunniteltu siten, ettei se koskaan ylitä virtarajoja 4–20 mA:n sovelluksissa. Tämä ratkaisee käyttöönoton aikana usein esiintyvän ongelman, jossa mikrokontrollereilla on ollut vaikeuksia noudattaa virtarajoja.

AFE vastaa monien nykyisten teollisuusohjausjärjestelmien keskeiseen vaatimukseen tarjoamalla täydellisen HART-modeemin, joka yksinkertaistaa teollisuuden kenttäinstrumenttien käyttöönottoa 4–20 mA:n virtasilmukan kautta (kuva 6).

Kuva 6: MAX32675C-mikrokontrollerin AFE sisältää dedikoidun HART-modeemin, joka on yhteensopiva tyypillisissä teollisuussovelluksissa käytettävien 4–20 mA:n kenttälaitteiden kanssa. (Kuvan lähde: Analog Devices)

MAX32675C-mikrokontrollerin avulla teollisuussovellusten kehittäjät voivat konfiguroida ja ohjata kenttälaitteita helposti HART-modeemin ja Arm Cortex-M4 -prosessorin välisen SPI-yhteyden kautta.

Analog Devices tarjoaa dokumentaation ja muiden kehitysresurssien lisäksi MAX32675C-mikrokontrollerin arviointisarjan MAX32675EVKIT testauksen ja prototyyppikehityksen nopeuttamiseksi.

Reunan tekoälyn uusien vaatimusten täyttäminen

Jotta kehittäjät voivat luoda tehokkaita sovelluksia yhä useammille aloille, heidän on toteutettava reunalaitteita, jotka suorittavat tekoälyalgoritmeja tehokkaasti aikasarjojen älykästä käsittelyä tai esineiden, sanojen tai kasvojen tunnistamista varten. Analog Devices MAX78000 on suunniteltu erityisesti tukemaan näitä ominaisuuksia ja noudattamaan samalla alhaisen virrankulutuksen perusvaatimusta.

MAX78000 (kuva 7) perustuu edellä kuvattujen erittäin vähävirtaisten mikrokontrollerien tavoin Arm Cortex-M4-ytimeen, johon kuuluu FPU-prosessori, 512 kilotavua flash-muistia, 128 kilotavua SRAM-muistia ja 16 kilotavua välimuistia sovelluksen keskeisten suoritusvaatimusten täyttämiseksi. Reunan tekoälyratkaisujen tukemiseksi MAX78000-mikrokontrollerin prosessointiosajärjestelmää on täydennetty parilla lisäresurssilla, jotka ovat:

• 32-bittinen RISC-V-rinnakkaisprosessori, joka tarjoaa järjestelmälle signaalinkäsittelyominaisuudet erittäin alhaisella virrankulutuksella
• integroitu laitteistopohjainen CNN (Convolutional Neural Network) -kiihdytin vastaamaan reunan tekoälylaitteiden kasvavaan kysyntään.

Kuva 7: FPU-yksiköllä ja 32-bittisillä RISC-V-prosessoreilla varustetun Arm Cortex-M4:n lisäksi MAX78000-mikrokontrolleriin on integroitu CNN-kiihdytin parantamaan päättelytehokkuutta reunan tekoälysovelluksissa. (Kuvan lähde: Analog Devices)

MAX78000 tukee samoja virransäästötiloja ja virrankatkaisutilaa kuin edellä kuvattu MAX32655. Sen CNN-kiihdytin on käytettävissä lepo- ja virransäästötilassa ja säilyttää tilan mikrovirta-, valmius- ja tallennustiloissa sekä virrankatkaisutilassa käytettäväksi lopputuotteiden varastoinnin ja jakelun aikana.

Muiden tässä artikkelissa käsiteltyjen mikrokontrollerien tavoin MAX78000:n korkea integraatiotaso auttaa kehittäjiä täyttämään minimaalista osaluetteloa (BOM) ja lopputuotteen kokoa koskevat vaatimukset. Laitteeseen integroitujen ADC- ja signaalinkäsittelyominaisuuksien ansiosta suunnittelijat voivat käyttää MAX78000-mikrokontrolleria vain muutaman lisäkomponentin avulla ja toteuttaa nopeasti reunan tekoälysovelluksia, esimerkkeinä avainsanojen tunnistus (KWS) ja kasvojen tunnistaminen (FaceID).

Sen lisäksi, että MAX78000:n useiden virtatilojen, kahden prosessorin ja laitteistopohjaisen CNN-kiihdyttimen yhdistelmä yksinkertaistaa reunatekoälyn toteutusta, kehittäjät voivat saavuttaa nopean päättelynopeuden minimaalisella virrankulutuksella. Analog Devices -yrityksen insinöörit tutkivat tarkasti suorituskykyä MAX78000-mikrokontrollerin virtaoptimoituja sovelluksia koskevassa tutkimuksessa.¹

Osana tätä tutkimusta insinööritiimi mittasi energiankulutusta ja mallipainojen (ytimien) lataamiseen, syöttötietojen lataamiseen ja päättelyiden tekemiseen kuluvaa aikaa tyypillisissä reunan tekoälysovelluksissa. Esimerkiksi tulokset osoittivat KWS-tapaustutkimuksessa, jossa käytettiin 20 avainsanaa (KWS20), että kehittäjät voivat käyttää pelkkää Arm-prosessoria latausajan ja virrankulutuksen vähentämiseen MAX78000:n eri virrankäyttötiloissa (kuva 8).

Kuva 8: KWS20-tapaustutkimussovellus osoitti, että korkeampi kellotaajuus johti pienempään energiankulutukseen lyhyempien latausaikojen ansiosta erityisesti silloin, kun käytettiin vain Arm-prosessoria. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Tutkimuksessa tarkasteltiin myös sitä, mikä vaikutus energiankulutukseen ja aikaan on sillä, että Arm-prosessori ja RISC-V-prosessori olivat lepotilassa joutokäynnin aikana, jolloin RISC-V-prosessori heräsi vain niin pitkäksi aikaa, että se pystyi suorittamaan latauksen ja ohjaamaan CNN-kiihdytintä. Tässä tutkimuksessa verrattiin suorituskykyä käyttämällä kahta eri kellolähdettä: MAX78000-mikrokontrollerin sisäistä primäärioskillaattoria (IPO) 100 MHz:n taajuudella ja vähävirtaisempaa, mutta hitaampaa sisäistä sekundäärioskillaattoria (ISO) 60 MHz:n taajuudella. Tuloksena oli, että kellotaajuuden pienentäminen lisäsi huomattavasti sekä lataukseen että päättelyyn liittyvää energiankulutusta, koska kummankin suorittamiseen tarvittava aika piteni (kuva 9).

Kuva 9: KWS20-tapaustutkimuksessa korkeampien kellotaajuuksien ja ainoastaan RISC-V-prosessorin käyttö lataukseen ja CNN-kiihdyttimen ohjaamiseen johti pienempään energiankulutukseen, koska lataus- ja päättelyajat lyhenivät. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Analog Devices -yrityksen tiimi totesi tutkimuksensa perusteella, että kehittäjät voivat saavuttaa nopean päättelyn minimaalisella virrankulutuksella käyttämällä korkeampia kellotaajuuksia, erityisesti huipputehokkaalla Arm-prosessorilla. Tämä edellyttää harkittua MAX78000-mikrokontrollerin virrankäyttötilojen käyttöä ja ytimien säilyttämistä muistissa, jotta pitkien latausaikojen aikana tapahtuva energiahukka voitaisiin välttää.

Analog Devices tarjoaa omia reunan tekoälyratkaisuja luoville kehittäjille kattavan valikoiman MAX78000-kehitysresursseja, joihin kuuluvat MAX78000EVKIT-arviointisarja ja MAX78000FTHR feather -kortti. MAX78000EVKIT-arviointisarja sisältää sisäänrakennetun digitaalisen mikrofonin, liiketunnistimien, värinäytön ja useiden liitäntävaihtoehtojen lisäksi virtamonitoriominaisuuden, joka auttaa kehittäjiä optimoimaan virrankulutuksen.

Analog Devices MAX78000-mikrokontrollerin CNN-työkalurepositorio tarjoaa ohjelmistokehitystä varten dokumentteja, kehitysoppaita, koulutusvideoita ja ohjelmistokoodin tukemaan arviointipakettia ja feather-korttia.

Yhteenveto

Analog Devices esittelee tehokkaaseen prosessoriosajärjestelmään perustuvan sarjan erittäin vähävirtaisia mikrokontrollereita. Ne tarjoavat ominaisuuksia ja valmiuksia, jotka on suunniteltu erityisesti tukemaan sellaisten sovellusten uniikkeja vaatimuksia kuin puettavat laitteet, kuulokkeet, omaisuudenseuranta, teolliset ja lääketieteelliset anturit sekä reunatekoäly. Kehittäjät voivat toteuttaa näiden mikrokontrollerien ja tukiresurssien avulla nopeasti ratkaisuita, jotka täyttävät erilaisten vähävirtaisten sovellusten erityistarpeet.

Lähteet:

1. Developing Power-optimized Applications on the MAX78000 (Virtaoptimoitujen sovellusten kehittäminen MAX78000-mikrokontrollerilla)