Bruke et sortiment av mikrokontrollere med lavt strømforbruk til å forenkle IoT-utvikling innen helsevesen og industri

Utviklere av konstruksjoner med lavt strømforbruk innen industri, helse og diverse utrustninger for tingenes Internett (IoT), opplever kontinuerlig etterspørsel etter mikrokontrollerbaserte løsninger som tilbyr omfattende funksjonalitet uten at det går på bekostning av stramme strømbudsjetter. Etter hvert som utviklingen skrider frem, risikerer de ofte å krysse maksimale strømterskler for å tilfredsstille spesialiserte funksjonskrav.

Denne artikkelen viser hvordan mikrokontrollere med ultralavt strømforbruk fra sortimentet til Analog Devices kan tilfredsstille disse kravene.

Oppfylle kravene til spesialiserte utrustninger

Konstruktører må tilfredsstille et kjernesett med krav når det gjelder høy ytelse og lavt strømforbruk for å kunne respondere effektivt på kunders forventninger. I bruksområder som er så varierte som helse, industri og IoT, har disse kjernekravene vanligvis dominert konstruksjonsbeslutninger og styrt utviklingen av maskinvareplattformer som i all vesentlighet er umulige å skille fra hverandre. Som et resultat kan konstruktører raskt bruke konstruksjonerfaring innen maskinvare og programvare fra ett bruksområde til å dekke de grunnleggende behovene til et annet bruksområde.

Med den økende etterspørselen etter stadig mer sofistikerte produkter på tvers av disse områdene, er det mer utfordrende for konstruktører å møte de spesielle kravene til spesialiserte utrustninger uten å ofre evnen til å tilfredsstille kjernekravene. Brukssegmenter har begynt å skille seg kraftig ut, med unike krav til konnektivitet, sikkerhet og kunstig intelligens (AI – artificial intelligence).

Konseptet med en felles maskinvareplattform, som drives av disse skiftende behovene, har utviklet seg slik at konstruktører kan oppfylle kjernekravene til høy ytelse og lavt strømforbruk, samtidig som de kan sette sin lit til et velkjent prosessorsett med spesialiserte funksjoner.

Et prosessorfundament som er skreddersydd for spesialiserte funksjoner

Medlemmene i mikrokontrollersortimentet til Analog Devices som er bygget rundt Arm® Cortex®-M4, som har ultralavt strømforbruk og en flytetallsbrikke (FPU – floating point unit), gir konstruktører en velkjent plattform som er i stand til å oppfylle de viktige kravene til strøm og ytelse.

For å tilfredsstille de unike kravene til ulike utrustninger, skreddersyr Analog Devices dette grunnlaget med spesialiserte funksjoner i fire sortimentmedlemmer, som omfatter:

• MAX32655 er egnet for utrustninger som krever konnektivitet med lavenergi-Bluetooth (BLE – Bluetooth Low Energy) og forlenget batterilevetid, samtidig som den tilbyr tilstrekkelig minne og ytelse.
• MAX32690 er egnet for utrustninger som krever BLE, robust ytelse og omfattende minne.
• MAX32675C er egnet for utrustninger som krever blandede signaler, noe som er nødvendig for industrielle og medisinske sensorer.
• MAX78000 oppfyller den voksende etterspørselen etter intelligente edge-enheter (inngangspunktenheter).

Håndtering av konnektivitet

MAX32655-mikrokontrolleren fra Analog Devices integrerer en 100 megahertz (MHz) Arm Cortex-M4 med FPU, 512 kilobyte (kB) flash, 128 kB SRAM-minne og 16 kB instruksjonscache for å gi den effektive kombinasjonen av prosessorytelse og minnelagring som kreves i typiske utrustninger med lavt strømforbruk. Utover prosesseringsundersystemet, har enheten et omfattende sett med funksjonelle blokker for sikkerhet, strømstyring, timing og digitale og analoge eksterne periferienheter som vanligvis trengs i utstyr for sporing av ressurser, kroppsbårne enheter og overvåking av helsetjenester (figur 1).

Figur 1: Med det omfattende settet av integrerte periferienheter, støtter MAX32655-mikrokontrolleren et bredt utvalg av utrustninger som krever Bluetooth-konnektivitet, høyytelsesprosessering og optimalisert strømutnyttelse. (Bildekilde: Analog Devices)

MAX32655 har dedikert maskinvare og programvare som støtter et komplett sett med Bluetooth 5.2-funksjoner, noe som gjør at de oppfyller de varierte Bluetooth-konnektivitetskravene til ulike utrustninger. Sammen med en Bluetooth 5.2-radio, integrerer mikrokontrolleren en dedikert 32-bits RISC-V-koprosessor for å håndtere tidskritiske Bluetooth-prosesseringsoppgaver. Dette Bluetooth-delsystemet oppfyller nye krav til ytelse, og støtter høy gjennomstrømningsmodus på 2 megabit per sekund (Mb/s) og en langdistansemodus med hastigheter på 125 kilobit per sekund (Kb/s) og 500 Kb/s. To enhetspinner gjør det mulig for utviklere å koble til en antenne utenom brikken i Bluetooth-aktiverte konstruksjoner. Enhetens Bluetooth-stakk med kjøretid (run-time), som fullfører Bluetooth 5.2-funksjonaliteten og gir utrustningsstøtte, dekker Arm Cortex-M4 med FPU, RISC-V og radio (figur 2).

Figur 2: En komplett Bluetooth 5.2-stakk som kjører på MAX32655 sin Arm Cortex-M4 med FPU, RISC-V og radio, støtter et komplett funksjonssett for retningspeiling, kommunikasjon med høy gjennomstrømning og langdistansedrift. (Bildekilde: Analog Devices)

For utrustninger med robuste ytelses- og minnekrav, tilbyr MAX32690-mikrokontrolleren fra Analog Devices en 120 MHz Arm Cortex-M4 med FPU, samt 3 Mb flash, 1 Mb SRAM og 16 Kb hurtigbufferminne (cache). I tillegg til de analoge komparatorene og digitale periferienhetene i MAX32655, integrerer MAX32690 et HyperBus/Xccela-bussgrensesnitt for høyhastighetseksekvering fra ekstern flash og SRAM når minnekravene overstiger ressursene på brikken. I likhet med MAX32655, integrerer MAX32690 en 32-bits RISC-V-prosessor, som er tilgjengelig for frittstående prosessering og Bluetooth-prosessering.

For å hjelpe utviklere med å optimalisere strømforbruket, støtter hver av de fire mikrokontrollerne som ble nevnt tidligere flere driftsmoduser med lavt strømforbruk. I MAX32655 og MAX32690 omfatter disse følgende lavenergimoduser:

• Dvalemodus, der Arm Cortex-M4 med FPU (CM4) og 32-bits RISC-V (RV32) er i dvalemodus, men periferienheter forblir i påslått tilstand
• LPM-lavstrømsmodus (LPM – Low-Power Mode), der CM4 er i dvalemodus med tilstandsfastholdelse, mens RV32 forblir aktiv for å flytte data fra aktiverte periferienheter
• UPM-mikrostrømmodus (UPM – Micro Power Mode), der CM4, RV32 og visse pinner beholder tilstanden, men en overvåkingstimer, analoge komparatorer og UART med lavt strømforbruk forblir tilgjengelige for å vekke mikrokontrolleren
• Standby-modus, der sanntidsklokken forblir på, og alle periferienheter fastholder tilstanden
• Backup-modus, der sanntidsklokken forblir på, og systemminnet fastholder sin tilstand

I tillegg tilbyr MAX32655 en PDM-nedstengningsmodus (PDM – Power Down Mode) som er utviklet for å brukes under lagring og distribusjon av sluttprodukter. I PDM-modus er MAX32655 avslått, men en intern spenningsovervåker forblir aktiv. Som et resultat kan sluttbrukere raskt strømsette MAX32655-baserte produkter ved å fjerne en beskyttende batteriflik eller på annen måte gi strøm til produktet.

Disse driftsmodusene kan gi betydelige strømbesparelser, selv med mikrokontrollere med svært lavt strømforbruk, ved å selektivt slå av forskjellige maskinvareblokker. MAX32655 i normal aktiv driftsmodus bruker f.eks. bare 12,9 mikroampere per megahertz (μA/MHz) ved 3,0 volt. I standby-modus beholder den tilstanden sin eller slår helt av flere blokker for å oppnå et strømforbruk på bare 2,1 μA ved 3,0 volt, samtidig som enheten kan gjenoppta driften på bare 14,7 mikrosekunder (μs) (figur 3).

Figur 3: MAX32655-mikrokontrollerens forskjellige strømmoduser, for eksempel standby-modusen som vises her, kan fastholde tilstanden eller slå helt av forskjellige maskinvareundersystemer for å redusere strømforbruket samtidig som den driftsmessige evnen opprettholdes. (Bildekilde: Analog Devices)

I tillegg til driftsegenskapene med lavt strømforbruk, hjelper det høye integrasjonsnivået til disse enhetene utviklere med å redusere konstruksjonskompleksiteten og oppfylle kravene til minimal fysisk størrelse. For eksempel krever den integrerte ikke-lineære SIMO-strømforsyningen (SIMO) til MAX32655 kun ett enkelt induktor-/kondensatorpar. Som et resultat kan utviklere enklere lage kompakte konstruksjoner drevet av en enkelt litiumcelle for å oppfylle kapslingskravene i bruksområder som sporing av ressurser, kroppsbårne enheter, høreapparater og lignende plassbegrensede produkter.

For en ørepropputforming med sann trådløs stereo (TWS – true wireless stereo), for eksempel, kan utviklere implementere en effektiv løsning ved å bruke MAX32655 med minimale antall tilleggskomponenter utover en kodek og batteristrømstyring. Ved å kombinere en MAX32655 med disse enhetene og en DS2488 1-leders forbindelse med to porter, oppnås en komplett konstruksjon for en TWS-ørepropp og dens tilknyttede ladekrybbe (figur 4).

Figur 4: MAX32655-mikrokontrollerens integrerte funksjonalitet muliggjør konstruksjoner med minimalt format og materialliste (BOM – bill of materials), og krever ikke mange ekstra enheter utover en kodek, en strømstyringsenhet og en grensesnittenhet som DS2488 med 1-leder for å implementere en komplett løsning med TWS-ørepropp og -ladekrybbe. (Bildekilde: Analog Devices)

For å fremskynde evaluering og prototyping med disse mikrokontrollerne, kan utviklere dra nytte av flere utviklingsressurser fra Analog Devices, deriblant:

• MAX32655-evalueringssett (MAX32655EVKIT)
• MAX32655-feather-kort (MAX32655FTHR)
• MAX32690-evalueringssett (MAX32690EVKIT)
• MAX32690-utviklingsplattform med Arduino-formfaktor (AD-APARD32690-SL)

En mer effektiv løsning for konstruksjonskrav med blandede signaler

Selv om MAX32655 og MAX32690 adresserer behovet for kompakte batteridrevne Bluetooth-kompatible produkter, adresserer Analog Devices sine MAX32675C-mikrokontrollere med lavt strømforbruk de spesialiserte kravene til medisinske og industrielle sensorutrustninger.

MAX32675C tilbyr lavt strømforbruk ved oppstart og under drift, i tillegg til de høye integrasjonsnivåene som i økende grad kreves i disse utrustningene. Den kombinerer en 12 MHz Arm Cortex-M4-prosessor og FPU med 384 Kb flash, 160 Kb SRAM og 16 Kb hurtigbuffer, samt en nøyaktig analog inngang (AFE – analog front-end) og HART-modem (figur 5).

Figur 5: MAX32675C-mikrokontrollerens integrerte AFE og HART-modem leverer undersystemene som trengs for å oppfylle kravene til lite format og lavt strømforbruk i industrielle og medisinske sensorer. (Bildekilde: Analog Devices)

Ved å kommunisere med prosessoren over et internt SPI-grensesnitt (SPI – serial peripheral interface), leverer AFE-en et sett med periferienheter som vanligvis kreves i industrielle og medisinske sensorutrustninger, inkludert en 12-bits digital-til-analog-omformer (DAC) og to delta-sigma-analog-til-digital-omformere (ADC-er) med høy presisjon som kan konfigureres for 16-bits eller 24-bits drift. Hver ADC har en dedikert 1x til 128x programmerbar forsterker (PGA – programmable gain amplifier) med lavt støynivå drevet av en 12-kanals inngangsmultiplekser som kan konfigureres for 12-kanals enkeltinngang eller 6-kanals differensialdrift.

MAX32675C er spesielt godt egnet til å møte etterspørselen etter industrielle feltinstrumenter med lavt strømforbruk basert på sensorer og sendere på 4–20 milliampere (mA). Denne mikrokontrolleren er faktisk eksplisitt konstruert for å aldri overskride strømbegrensninger i utrustninger på 4–20 mA, og løser et vanlig problem under oppstart der mikrokontrollere har hatt problemer med å opprettholde strømbegrensninger.

For å støtte et vesentlig krav til mange eksisterende industrielle styringssystemer, tilbyr AFE-en et komplett HART-modem, noe som forenkler implementeringen av industrielle feltinstrumenter over en strømsløyfe på 4–20 mA (figur 6).

Figur 6: MAX32675C-mikrokontrollerens AFE inkluderer et dedikert HART-modem for å støtte eksisterende feltinstrumenter på 4–20 mA i typiske industrielle utrustninger. (Bildekilde: Analog Devices)

Med MAX32675C kan industrielle utviklere enkelt konfigurere og styre feltinstrumenter gjennom HART-modemets SPI-tilkobling til Arm Cortex-M4.

Sammen med dokumentasjon og andre utviklingsressurser, tilbyr Analog Devices MAX32675EVKIT MAX32675C-evalueringssettet for å bidra til å fremskynde testing og prototypeutvikling.

Oppfyller nye krav til intelligens på edge-enheter (edge AI)

For å bygge effektive utrustninger for et økende antall områder, må utviklere implementere edge-enheter som effektivt utfører AI-algoritmer for intelligent tidsserieprosessering eller gjenkjenning av objekter, ord eller ansikter. Analog Devices sin MAX78000 er utviklet spesielt for å støtte disse funksjonene, samtidig som den opprettholder det grunnleggende kravet til lavt strømforbruk.

I likhet med mikrokontrollerne med svært lavt strømforbruk som ble beskrevet tidligere, bygges MAX78000 (figur 7) på en Arm Cortex-M4 med en FPU-prosessor, 512 Kb flash, 128 Kb SRAM og 16 Kb hurtigbuffer for å oppfylle kravene til kjerneprogrameksekvering. For å støtte løsninger med intelligens på edge-enheter, utvider MAX78000 sitt prosesseringsundersystem med et par ekstra ressurser, slik som:

• En 32-bits RISC-V-koprosessor som gir systemet signalbehandlingsfunksjoner med ultralavt strømforbruk
• En integrert maskinvarebasert CNN-akselerator (CNN – convolutional neural network) for å møte den voksende etterspørselen etter intelligens på kantenheter (edge AI)

Figur 7: MAX78000-mikrokontrolleren, kombinert med Arm Cortex-M4 med FPU og 32-bits RISC-V-prosessorer, integrerer en CNN-akselerator for å forsterke inferensytelsen i utrustninger med edge AI. (Bildekilde: Analog Devices)

MAX78000 støtter de samme driftsmodusene med lavt strømforbruk og energisparingsmodus som ble beskrevet tidligere for MAX32655, der CNN-en forblir tilgjengelig gjennom dvalemodus og modus med lavt strømforbruk, tilstandsbevaring i mikrostrømmodus, standby-modus og backup-modus, og en nedstengningsmodus/energisparingsmodus for bruk under lagring og distribusjon av sluttprodukter.

I likhet med de andre mikrokontrollerne vi tar for oss her, hjelper det høye integrasjonsnivået til MAX78000 utviklere med å oppfylle kravene til minimal materialliste (BOM) og sluttproduktstørrelse. Med enhetens integrerte ADC- og signalbehandlingsfunksjoner, kan utviklere bruke MAX78000 med få ekstra komponenter for å raskt implementere edge AI-bruksområder som søkeorddeteksjon (KWS – keyword spotting) eller ansiktsidentifikasjon (FaceID).

I tillegg til å forenkle implementeringen av edge AI, gjør MAX78000 sin kombinasjon av flere strømmoduser, to prosessorer og maskinvarebasert CNN det mulig for utviklere å oppnå rask inferenshastighet med minimalt strømforbruk. Analog Devices-teknikere undersøkte nøye ytelsen i en studie om strømoptimaliserte applikasjoner på MAX78000.¹

Som en del av denne undersøkelsen målte teamet av teknikere strømforbruk og tid for lasting av modellvekter (kjerner), lasting av inndata og utføring av inferens for typiske edge AI-applikasjoner. I en casestudie om søkeorddeteksjon (KWS) med 20 søkeord (KWS20), viste for eksempel resultatene at utviklere kunne kjøre ARM-prosessoren alene for å redusere innlastningstid og strømforbruk mens de kjørte i forskjellige MAX78000-strømmoduser (figur 8).

Figur 8: En KWS20-casestudie viste at en høyere klokkehastighet resulterte i lavere energiforbruk på grunn av kortere innlastingstider, spesielt når kun ARM-prosessoren ble brukt. (Bildekilde: Analog Devices)

Undersøkelsen undersøkte også virkningen på strømforbruk og tid når ARM-prosessoren og RISC-V-prosessoren var i dvale under inaktiv tid, der RISC-V-prosessoren kun ble vekt lenge nok til å utføre lasting og styre CNN-en. Her sammenlignet studien ytelse ved å bruke to forskjellige klokkekilder: MAX78000 sin interne hovedoscillator (IPO – internal primary oscillator) ved 100 MHz sammenlignet mot den langsommere interne sekundære oscillatoren (ISO – internal secondary oscillator) ved 60 MHz som har lavere strømforbruk. I dette resultatet så vi at en reduksjon i klokkefrekvensen dramatisk økte energiforbruket forbundet med både lasting og inferens på grunn av den lengre utførelsestiden som kreves for hver (Figur 9).

Figur 9: I KWS20-casestudien resulterte bruk av høyere klokkefrekvenser med RISC-V-prosessoren alene, for innlasting og CNN-styringsapplikasjon, i lavere strømforbruk på grunn av kortere innlastingstider og inferenstider. (Bildekilde: Analog Devices)

Analog Devices-teamet la merke til, basert på studien, at utviklere kunne oppnå rask inferens med minimalt strømforbruk ved å kjøre ved høyere klokkefrekvenser, spesielt med ARM-prosessoren med høy ytelse, ved å bruke MAX78000-strømdriftsmodusene på en fornuftig måte og bevare kjerner (kernels) i minnet for å unngå energitap under lengre innlastingstider.

For utviklere som lager sine egne edge-AI-løsninger, tilbyr Analog Devices et omfattende sett med MAX78000-utviklingsressurser, for eksempel MAX78000EVKIT-evalueringssettet og MAX78000FTHR-feather-kortet. I tillegg til en innebygd digital mikrofon, bevegelsessensorer, fargedisplay og flere tilkoblingsalternativer, inkluderer MAX78000EVKIT en strømovervåkningsfunksjon for å hjelpe utviklere med å optimalisere strømforbruket.

For programvareutvikling tilbyr Analog Devices sitt MAX78000 CNN-verktøysettlager dokumentasjon, utviklingsveiledninger, opplæringsvideoer og programvarekode som støtter evalueringssettet og feather-kortet.

Konklusjon

Analog Devices bygger på et effektivt undersystemfundament for prosessorer, og presenterer et sett med mikrokontrollere med svært lavt strømforbruk som integrerer funksjonene og egenskapene som er utviklet spesielt for å støtte de unike kravene til utrustninger som kroppsbårne enheter, høreapparater, sporing av ressurser, industrielle og medisinske sensorer og edge AI. Ved hjelp av disse mikrokontrollerne og støtteressursene kan utviklere raskt implementere konstruksjoner som oppfyller de spesialiserte behovene til diverse utrustninger med lavt strømforbruk.

Referanser:

1. Utvikling av strømoptimaliserte applikasjoner på MAX78000