Utilizzate un portafoglio di microcontroller a basso consumo per semplificare la progettazione dell'IoT sanitario e industriale

Gli sviluppatori di progetti a basso consumo per applicazioni industriali, sanitarie e di Internet delle cose (IoT) devono far fronte alla continua richiesta di soluzioni basate su microcontroller che offrano ampie funzionalità senza compromettere la potenza disponibile. Con l'avanzare dello sviluppo, rischiano spesso di superare le soglie di potenza massima per soddisfare requisiti funzionali specifici.

Questo articolo mostra come la gamma di microcontroller a bassissimo consumo di Analog Devices possa soddisfare questi requisiti.

Soddisfare i requisiti di applicazioni specializzate

Per rispondere efficacemente alle aspettative dei clienti, i progettisti devono soddisfare una serie di requisiti fondamentali di alte prestazioni e basso consumo energetico. In aree applicative diverse come la sanità, l'industria e l'IoT, questi requisiti hanno tipicamente dominato le decisioni di progettazione e guidato lo sviluppo di piattaforme hardware sostanzialmente indistinguibili. Di conseguenza, i progettisti possono applicare rapidamente l'esperienza di progettazione hardware e software acquisita in un'area applicativa per soddisfare le esigenze di base di un'altra.

Con l'aumento della domanda di prodotti sempre più sofisticati in questi settori, per i progettisti diventa sempre più impegnativo soddisfare le esigenze particolari di applicazioni specializzate senza sacrificare la capacità di soddisfare i requisiti fondamentali. I segmenti di applicazione hanno iniziato a differenziarsi nettamente, con requisiti unici di connettività, sicurezza e intelligenza artificiale (IA).

Sulla spinta di queste mutate esigenze, il concetto di piattaforma hardware comune si è evoluto per consentire ai progettisti di soddisfare i requisiti fondamentali di alte prestazioni e basso consumo energetico, affidandosi a un insieme di processori già noti, integrati da funzionalità specializzate.

Base del processore personalizzata per funzionalità specializzate

Costruiti attorno al core ARM® Cortex®-M4 a bassissimo consumo con unità in virgola mobile (FPU), i componenti del portafoglio di microcontroller a bassissimo consumo di Analog Devices offrono ai progettisti una piattaforma familiare in grado di soddisfare i requisiti di potenza e prestazioni.

Per soddisfare i requisiti unici di diverse aree applicative, Analog Devices personalizza questa base con capacità specializzate in quattro componenti del portafoglio, tra cui:

• MAX32655 è destinato alle applicazioni che richiedono connettività Bluetooth Low Energy (BLE) e una maggiore durata della batteria, fornendo al contempo memoria e prestazioni sufficienti.
• MAX32690 è destinato ad applicazioni che richiedono BLE, prestazioni elevate e una memoria estesa.
• MAX32675C è destinato ad applicazioni con requisiti di segnale misto necessari per i sensori industriali e medicali.
• MAX78000 soddisfa la domanda emergente di dispositivi edge intelligenti.

Problemi la connettività

Il microcontroller MAX32655 di Analog Devices integra un core ARM Cortex-M4 da 100 MHz con FPU, 512 kB di flash, 128 kB di memoria statica ad accesso casuale (SRAM) e 16 kB di cache delle istruzioni per fornire la combinazione efficace di prestazioni del processore e memoria di storage richiesta nelle tipiche applicazioni a basso consumo. Oltre a questo sottosistema di elaborazione, il dispositivo aggiunge una serie completa di blocchi funzionali per la sicurezza, la gestione dell'alimentazione, la temporizzazione e le periferiche digitali e analogiche tipicamente necessarie per i dispositivi di gestione delle risorse in movimento, i dispositivi indossabili e il monitoraggio sanitario (Figura 1).

Figura 1: Grazie all'ampia serie di periferiche integrate, il microcontroller MAX32655 supporta un'ampia gamma di applicazioni che richiedono connettività Bluetooth, elaborazione ad alte prestazioni e utilizzo ottimizzato dell'energia. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Per soddisfare i vari requisiti di connettività Bluetooth delle diverse applicazioni, MAX32655 fornisce hardware e software dedicati per supportare una serie completa di funzionalità Bluetooth 5.2. Oltre a una radio Bluetooth 5.2, il microcontroller integra un coprocessore RISC-V a 32 bit dedicato per gestire le attività di elaborazione Bluetooth critiche. Questo sottosistema Bluetooth soddisfa le esigenze emergenti in termini di prestazioni, supportando una modalità ad alto throughput da 2 Mbps e una modalità a lungo raggio con velocità di 125 kbps e 500 kbps. Due pin del dispositivo consentono agli sviluppatori di collegare semplicemente un'antenna off-chip nei progetti abilitati alla tecnologia Bluetooth. Completando la funzionalità Bluetooth 5.2 e fornendo il supporto alle applicazioni, lo stack runtime Bluetooth del dispositivo si estende al core ARM Cortex-M4 con FPU, RISC-V e radio (Figura 2).

Figura 2: In esecuzione sul core ARM Cortex-M4 di MAX32655 con FPU, RISC-V e radio, uno stack Bluetooth 5.2 completo supporta una serie di funzioni per la radiogoniometria, la comunicazione ad alta velocità e il funzionamento a lungo raggio. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Per le applicazioni che richiedono prestazioni elevate e requisiti di memoria, il microcontroller MAX32690 di Analog Devices offre un core ARM Cortex-M4 a 120 MHz con FPU e 3 MB di flash, 1 MB di SRAM e 16 kB di memoria cache. Oltre ai comparatori analogici e alle periferiche digitali di MAX32655, MAX32690 integra un'interfaccia bus HyperBus/Xccela per l'esecuzione ad alta velocità da flash e SRAM esterne quando i requisiti di memoria superano le risorse su chip. Come MAX32655, anche MAX32690 integra un processore RISC-V a 32 bit, disponibile per l'elaborazione autonoma e per il supporto dell'elaborazione Bluetooth.

Per aiutare gli sviluppatori a ottimizzare il consumo energetico, ciascuno dei quattro microcontroller menzionati in precedenza supporta diverse modalità operative a basso consumo. Nei modelli MAX32655 e MAX32690, le modalità a basso consumo includono:

• Sospensione, in cui il core ARM Cortex-M4 con FPU (CM4) e il RISC-V a 32 bit (RV32) sono in modalità di sospensione, ma le periferiche rimangono attive
• Modalità a basso consumo (LPM), in cui CM4 è in stato di sospensione con mantenimento dello stato mentre RV32 rimane attivo per spostare i dati dalle periferiche abilitate
• Modalità in micropotenza (UPM), in cui CM4, RV32 e alcuni pin mantengono lo stato, ma il timer watchdog, i comparatori analogici e l'UART a basso consumo rimangono disponibili per risvegliare il microcontroller
• Standby, in cui il clock in tempo reale rimane attivo e tutte le periferiche mantengono il loro stato
• Backup, in cui il clock in tempo reale rimane attivo e la memoria di sistema mantiene il suo stato

Inoltre, MAX32655 offre una modalità di spegnimento (PDM) per l'uso durante lo stoccaggio e la distribuzione dei prodotti finali. In modalità PDM, MAX32655 è spento, ma un monitor di tensione interno rimane operativo. Di conseguenza, gli utenti finali possono accendere rapidamente i prodotti basati su MAX32655 rimuovendo la linguetta protettiva della batteria o applicando un altro tipo di alimentazione al prodotto.

Queste modalità operative possono offrire un significativo risparmio energetico anche con i microcontroller a bassissimo consumo, spegnendo selettivamente i diversi blocchi hardware. Ad esempio, MAX32655 in modalità operativa attiva normale consuma solo 12,9 μA/MHz a 3,0 V. In modalità standby, mantiene il suo stato o spegne completamente diversi blocchi per ottenere un consumo energetico di soli 2,1 μA a 3,0 V, consentendo al dispositivo di riprendere il funzionamento in soli 14,7 μs (Figura 3).

Figura 3: Le diverse modalità di alimentazione del microcontroller MAX32655, come la modalità standby qui illustrata, possono mantenere lo stato o spegnere completamente diversi sottosistemi hardware per ridurre il consumo di energia senza compromettere la capacità operativa. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Oltre alle capacità operative a basso consumo, l'elevato livello di integrazione di questi dispositivi aiuta gli sviluppatori a ridurre la complessità del progetto e a soddisfare i requisiti di ingombro minimo. Ad esempio, l'alimentazione integrata a induttore singolo e uscita multipla (SIMO) di MAX32655 richiede una sola coppia induttore/condensatore. Di conseguenza, gli sviluppatori possono creare più facilmente progetti compatti alimentati da un'unica cella al litio per soddisfare i requisiti in applicazioni come la gestione delle risorse in movimento, i dispositivi indossabili, gli auricolari e altri prodotti simili con vincoli di spazio.

Per un progetto di auricolari stereo true wireless (TWS), ad esempio, gli sviluppatori possono implementare una soluzione efficace utilizzando MAX32655 con componenti aggiuntivi minimi oltre al codec e alla gestione dell'alimentazione della batteria. La combinazione di MAX32655 con questi dispositivi e un collegamento monofilare a due porte DS2488 fornisce un progetto completo per un auricolare TWS e la sua base di ricarica (Figura 4).

Figura 4: La funzionalità integrata del microcontroller MAX32655 consente di realizzare progetti con un ingombro e una distinta base minimi, richiedendo pochi dispositivi aggiuntivi oltre al codec, al dispositivo di gestione dell'alimentazione e a un dispositivo di interfaccia come DS2488 monofilare per implementare una soluzione completa di auricolari e base di ricarica TWS. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Per accelerare la valutazione e la prototipazione con questi microcontroller, gli sviluppatori possono usufruire di diverse risorse di sviluppo di Analog Devices, tra cui:

• Kit di valutazione MAX32655 (MAX32655EVKIT)
• Scheda feather MAX32655 (MAX32655FTHR)
• Kit di valutazione MAX32690 (MAX32690EVKIT)
• Piattaforma di sviluppo con fattore di forma Arduino MAX32690 (AD-APARD32690-SL)

Una soluzione più efficace per i requisiti di progettazione a segnale misto

Mentre i modelli MAX32655 e MAX32690 rispondono all'esigenza di prodotti compatti alimentati a batteria con funzionalità Bluetooth, il microcontroller a segnale misto a basso consumo MAX32675C di Analog Devices risponde ai requisiti specifici delle applicazioni di sensori medici e industriali.

MAX32675C offre un basso consumo energetico all'avvio e durante il funzionamento, oltre agli elevati livelli di integrazione sempre più richiesti in queste applicazioni. Combina il processore ARM Cortex-M4 a 12 MHz e l'FPU con 384 kB di flash, 160 kB di SRAM e 16 kB di cache, oltre a un front-end analogico (AFE) di precisione e un modem HART (Figura 5).

Figura 5: L'AFE e il modem HART integrati nel microcontroller MAX32675C forniscono i sottosistemi necessari per soddisfare i requisiti di ingombro ridotto e basso consumo dei sensori industriali e medici. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Comunicando con il processore tramite un'interfaccia periferica seriale (SPI) interna, l'AFE fornisce una serie di periferiche tipicamente necessarie nelle applicazioni di sensori industriali e medicali, tra cui un convertitore digitale/analogico (DAC) a 12 bit e due convertitori analogico/digitale (ADC) delta-sigma ad alta precisione che possono essere configurati per il funzionamento a 16 o 24 bit. Ogni ADC è dotato di un amplificatore a guadagno programmabile (PGA) a basso rumore dedicato da 1x a 128x, pilotato da un multiplexer di ingresso a 12 canali che può essere configurato per il funzionamento sbilanciato a 12 canali o differenziale a 6 canali.

MAX32675C è particolarmente adatto a soddisfare la domanda di strumenti industriali a basso consumo basati su sensori e trasmettitori da 4-20 mA. In effetti, questo microcontroller è stato progettato esplicitamente per non superare mai i limiti di potenza nelle applicazioni 4-20 mA, risolvendo un problema comune durante l'avvio in cui i microcontroller hanno avuto difficoltà a mantenere i limiti di potenza.

Per supportare un requisito essenziale di molti sistemi di controllo industriali esistenti, l'AFE fornisce un modem HART completo, semplificando l'implementazione di strumenti industriali da campo su un loop di corrente di 4-20 mA (Figura 6).

Figura 6: L'AFE del microcontroller MAX32675C include un modem HART dedicato per supportare gli strumenti da campo di 4-20 mA esistenti nelle tipiche applicazioni industriali. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Con MAX32675C, gli sviluppatori di applicazioni industriali possono facilmente configurare e controllare gli strumenti di campo attraverso la connessione SPI del modem HART al core ARM Cortex-M4.

Oltre alla documentazione e ad altre risorse di sviluppo, Analog Devices offre il kit di valutazione MAX32675EVKIT MAX32675C per accelerare i test e lo sviluppo dei prototipi.

Soddisfare i requisiti emergenti per Edge IA

Per creare applicazioni efficaci in un numero crescente di settori, gli sviluppatori devono implementare dispositivi edge che eseguano in modo efficiente gli algoritmi di IA per l'elaborazione intelligente delle serie temporali o il riconoscimento di oggetti, parole o volti. MAX78000 di Analog Devices è stato progettato specificamente per supportare queste funzionalità mantenendo il requisito fondamentale del basso consumo energetico.

Come i microcontroller a bassissimo consumo descritti in precedenza, MAX78000 (Figura 7) si basa su un core ARM Cortex-M4 con processore FPU, 512 kB di flash, 128 kB di SRAM e 16 kB di cache per soddisfare i requisiti di esecuzione delle applicazioni principali. Per supportare le soluzioni di intelligenza artificiale, MAX78000 aumenta il suo sottosistema di elaborazione con un paio di risorse aggiuntive, tra cui:

• Coprocessore RISC-V a 32 bit che fornisce al sistema funzionalità di elaborazione del segnale a bassissimo consumo energetico
• Un acceleratore integrato di rete neurale convoluzionale (CNN) basato su hardware per soddisfare la domanda emergente di dispositivi Edge IA

Figura 7: Oltre ai processori ARM Cortex-M4 con FPU e RISC-V a 32 bit, il microcontroller MAX78000 integra un acceleratore CNN per aumentare le prestazioni di inferenza nelle applicazioni IA. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

MAX78000 supporta le stesse modalità operative a basso consumo e la modalità di spegnimento descritte in precedenza per MAX32655, con il CNN che rimane disponibile attraverso le modalità di sospensione e di basso consumo, il mantenimento dello stato nelle modalità di micropotenza, standby e backup e una modalità di spegnimento per l'uso durante lo stoccaggio e la distribuzione dei prodotti finali.

Come per gli altri microcontroller qui trattati, l'elevato livello di integrazione di MAX78000 aiuta gli sviluppatori a soddisfare i requisiti di una distinta base e di un prodotto finale di dimensioni minime. Grazie all'ADC integrato e alle capacità di elaborazione del segnale, gli sviluppatori possono utilizzare MAX78000 con pochi componenti aggiuntivi per implementare rapidamente applicazioni di IA come l'individuazione di parole chiave (KWS) o l'identificazione di volti (FaceID).

Oltre a semplificare l'implementazione IA, la combinazione di più modalità di alimentazione, doppio processore e CNN basato su hardware consente agli sviluppatori di ottenere una velocità di inferenza elevata con un consumo energetico minimo. Gli ingegneri di Analog Devices hanno esaminato attentamente le prestazioni in uno studio di applicazioni ottimizzate per la potenza di MAX78000.¹

Nell'ambito di questo studio, il team di ingegneri ha misurato il consumo energetico e il tempo necessario per caricare i pesi del modello (kernel), caricare i dati di ingresso ed eseguire l'inferenza per le tipiche applicazioni di Edge IA. Ad esempio, in un case study di KWS con 20 parole chiave (KWS20), i risultati hanno mostrato che era possibile far funzionare il processore ARM di MAX78000 da solo per ridurre il tempo di caricamento e il consumo energetico in diverse modalità di funzionamento (Figura 8).

Figura 8: Un'applicazione del case study KWS20 ha dimostrato che una velocità di clock più elevata ha comportato un consumo energetico inferiore grazie a tempi di caricamento più brevi, in particolare quando è stato utilizzato solo il processore ARM. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Lo studio ha anche esaminato l'effetto sul consumo energetico e sul tempo quando il processore ARM e il processore RISC-V erano in sospensione durante il tempo di inattività, con il processore RISC-V che si riattivava solo per il tempo necessario a eseguire il caricamento e a gestire il CNN. In questo caso, lo studio ha confrontato le prestazioni utilizzando due diverse sorgenti di clock: l'oscillatore primario interno (IPO) di MAX78000 a 100 MHz e l'oscillatore secondario interno (ISO) a 60 MHz, meno potente ma più lento. In questo caso, una riduzione della frequenza di clock ha aumentato drasticamente il consumo energetico associato sia al caricamento che all'inferenza, a causa del maggiore tempo di completamento richiesto per ciascuno (Figura 9).

Figura 9: Nel case study KWS20, l'utilizzo di frequenze di clock più elevate con il solo processore RISC-V per il caricamento e l'applicazione di gestione CNN ha portato a un consumo energetico inferiore grazie a tempi di caricamento e inferenza più brevi. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Sulla base dello studio, il team di Analog Devices ha osservato che gli sviluppatori possono ottenere un'inferenza veloce con un consumo energetico minimo funzionando a velocità di clock più elevate, in particolare con il processore ARM ad alte prestazioni, impiegando un uso giudizioso delle modalità operative di alimentazione di MAX78000 e conservando i kernel in memoria per evitare la perdita di energia durante i tempi di caricamento prolungati.

Per gli sviluppatori che creano le proprie soluzioni di IA, Analog Devices offre una serie completa di risorse di sviluppo MAX78000, tra cui il kit di valutazione MAX78000EVKIT e la scheda MAX78000FTHR. Oltre al microfono digitale integrato, ai sensori di movimento, al display a colori e alle molteplici opzioni di connessione, MAX78000EVKIT include una funzione di monitoraggio dell'alimentazione che aiuta gli sviluppatori a ottimizzare il consumo energetico.

Per lo sviluppo del software, il repository dei set di strumenti CNN MAX78000 di Analog Devices offre documentazione, guide allo sviluppo, video di formazione e codice software a supporto del kit di valutazione e della scheda feather.

Conclusione

Basandosi su un efficiente sottosistema di processori, Analog Devices presenta una serie di microcontroller a bassissimo consumo che integrano caratteristiche e funzionalità progettate specificamente per supportare i requisiti unici di applicazioni quali dispositivi indossabili, di gestione delle risorse in movimento, sensori industriali e medicali e di Edge AI. Utilizzando questi microcontroller e le risorse di supporto, gli sviluppatori possono implementare rapidamente progetti che soddisfano le esigenze specifiche di diverse applicazioni a basso consumo.

Riferimento:

1. Sviluppo di applicazioni ottimizzate per la potenza su MAX78000