Kis fogyasztású mikrovezérlőkkel egyszerűsíthető az egészségügyi és az ipari dolgok internetére kapcsolódó készülékek tervezése

Az ipar, az egészségügy és a dolgok internete (Internet of Things, IoT) változatos felhasználási területeire készült kis fogyasztású készülékek fejlesztői folyamatosan olyan mikrovezérlő-alapú megoldások iránti kereslettel szembesülnek, amelyeknek kiterjedt funkciókat kell kínálniuk anélkül, hogy veszélyeztetnék a szűkös energiafelhasználási keretet. A fejlesztés előrehaladtával gyakran kockáztatják a felső fogyasztási küszöb átlépését a funkciókra vonatkozó egyedi követelmények teljesítése érdekében.

Ez a cikk azt mutatja be, hogy az Analog Devices rendkívül kis fogyasztású mikrovezérlőinek termékválasztéka hogyan képes megfelelni ezeknek a követelményeknek.

A felhasználási területek egyedi követelményeinek teljesítése

A tervezőknek teljesíteniük kell a nagy teljesítményű, kis fogyasztású termékekre vonatkozó alapvető követelményeket, hogy hatékonyan tudjanak megfelelni a vásárlói elvárásoknak. Az olyan nagyon eltérő felhasználási területeken, mint az egészségügy, az ipar és a dolgok internete, ezek az alapvető követelmények jellemzően meghatározóak a tervezési döntések esetében, és ezek mutatják az irányt a lényegüket tekintve megkülönböztethetetlen hardverplatformok fejlesztése terén. Ennek eredményeként a tervezők gyorsan hasznosíthatják az egyik felhasználási területen szerzett hardver- és szoftvertervezési tapasztalatokat egy másik felhasználási terület alapvető igényeinek kielégítése során.

Az ezeken a területeken az egyre kifinomultabb termékek iránti növekvő kereslet miatt egyre nagyobb kihívást jelent a tervezők számára, hogy anélkül feleljenek meg az egyes felhasználási területek különleges igényeinek, hogy feláldoznák az alapkövetelmények kielégítésének képességét. A felhasználási területek kezdenek élesen elkülönülni, egyedi csatlakozási, biztonsági és mesterséges intelligencia (MI vagy az angol artificial intelligence kifejezésből alkotott betűszóval AI) iránti követelményekkel.

A változó igények hatására kialakult egy olyan közös hardverplatformra vonatkozó elgondolás, amely lehetővé teszi a tervezők számára, hogy megfeleljenek a nagy teljesítményre és kis fogyasztásra vonatkozó alapkövetelményeknek, miközben egy ismerős processzorkészletre támaszkodnak, és azt a feladathoz szükséges képességekkel egészítik ki.

A feladathoz szükséges képességeknek megfelelőre alakított processzoralap

Az Analog Devices cégnek a rendkívül kis fogyasztású, lebegőpontos egységgel (FPU, floating point unit) kiegészített ARM® Cortex®-M4 processzor köré épülő, rendkívül kis fogyasztású mikrovezérlőkből álló termékválasztékának tagjai olyan ismerős platformot kínálnak a tervezőknek, amely képes megfelelni a fogyasztással és a teljesítménnyel szemben támasztott alapkövetelményeknek.

A különböző felhasználási területek egyedi követelményeinek kielégítése érdekében az Analog Devices ezt az alapot úgy szabja testre, hogy egyedi képességekkel ruházza fel a termékcsalád négy tagját:

• A MAX32655 olyan felhasználási területeket céloz meg, ahol BLE-csatlakozásra (BLE: Bluetooth Low Energy, kis fogyasztású Bluetooth) és hosszabb akkumulátor-üzemidőre van szükség elegendő memória és teljesítmény mellett.
• A MAX32690 változatot olyan felhasználási területekre szánták, melyek BLE-t, nagy teljesítményt és nagy memóriát igényelnek.
• A MAX32675C esetében az ipari és egészségügyi érzékelők szolgáltatta vegyes jeleket használó felhasználási területeket tartották szem előtt.
• A MAX78000 a helyi okoseszközök iránti növekvő kereslet kielégítésére alkalmas.

A csatlakozási lehetőségek kezelése

Az Analog Devices MAX32655 mikrovezérlő egy 100  MHz-es ARM Cortex-M4 processzort egyesít egy lebegőpontos egységgel, 512 kB flashmemóriával, 128 kB SRAM memóriával és 16 kB utasítás-gyorsítótárral, hogy a processzorteljesítménynek és a memóriatárhelynek a jellegzetes kis fogyasztású készülékekben szükséges hatékony kombinációját kínálja. Ezen a feldolgozó alrendszeren túl az eszköz a biztonság, az energiagazdálkodás, az időzítés, valamint a digitális és analóg perifériák átfogó funkcionális blokkjaival egészül ki, amelyekre jellemzően az eszközkövetésben, a viselhető eszközökben és a gyógyászati figyelőeszközökben van szükség (1. ábra).

1. ábra: A MAX32655 mikrovezérlő a beépített perifériák széles skálájával támogatja a Bluetooth-kapcsolatot, nagy teljesítményű feldolgozást és optimalizált energiafelhasználást igénylő felhasználási területek széles körét (ábra: Analog Devices)

A különböző felhasználási területek változatos Bluetooth-kapcsolati követelményeinek kielégítése érdekében a MAX32655 célirányos hardvert és szoftvert kínál a Bluetooth 5.2-funkciók teljes körű támogatásához. A Bluetooth 5.2 rádió mellett a mikrovezérlő tartalmaz egy 32 bites RISC-V társprocesszort is , amely az időzítéskritikus Bluetooth-jelfeldolgozási feladatokat kezeli. Ez a Bluetooth-alrendszer megfelel az újabb teljesítményigényeknek, mivel támogatja a 2 Mb/s-es nagy átviteli sebességű üzemmódot, valamint a 125 kb/s és az 500 kb/s átviteli sebességű nagy hatótávolságú üzemmódot is. Az eszköznek van két olyan lába, amely lehetővé teszi a fejlesztők számára, hogy a Bluetooth-kompatibilis készülékekben egyszerűen csatlakoztassanak egy külső antennát az IC-hez. Az eszköz futásidejű Bluetooth-protokollrétegei, amelyek kiegészítik a mikrovezérlő Bluetooth 5.2-funkcióit, és alkalmazástámogatást is nyújtanak, kiterjednek a lebegőpontos egységgel, a RISC-V társprocesszorral és rádióval kiegészített teljes ARM Cortex-M4 processzorra is (2. ábra).

2. ábra: A MAX32655 mikrovezérlő lebegőpontos egységgel, RISC-V társprocesszorral és rádióval kiegészített ARM Cortex-M4 processzorán futó teljes Bluetooth 5.2-protokollrétegek lehetővé teszik a rádiós irányméréshez (rádiópelengáció), a nagy átviteli teljesítményű kommunikációhoz és a nagy hatótávolságú működéshez szükséges összes funkciót (ábra: Analog Devices)

A nagy teljesítményű és memóriaigényű felhasználási területekre az Analog Devices MAX32690 mikrovezérlő egy 120 MHz-es ARM Cortex-M4 processzort kínál lebegőpontos egységgel, valamint 3 MB flashmemóriával, 1 MB SRAM memóriával és 16 kB gyorsítótárral. A MAX32655 mikrovezérlőben lévő analóg komparátorok és digitális perifériák mellett a MAX32690 tartalmaz egy HyperBus/Xccela sínillesztőt is a külső flash- és SRAM memóriából történő nagy sebességű programfuttatáshoz, ha a memóriaigény meghaladja az IC-n belüli erőforrásokat. A MAX32655 mikrovezérlőhöz hasonlóan a MAX32690 is tartalmaz egy 32 bites RISC-V processzort, amely önálló jelfeldolgozásra és a Bluetooth-jelfeldolgozás segítésére is alkalmas.

Hogy segítsen a fejlesztőknek optimalizálni a fogyasztást, mind a négy korábban említett mikrovezérlő többféle energiatakarékos üzemmódot tesz lehetővé. A MAX32655 és MAX32690 típus esetén az energiatakarékos üzemmódok a következők:

• Alvó üzemmód, amikor a lebegőpontos egységgel (CM4) és 32 bites RISC-V (RV32) társprocesszorral kiegészített ARM Cortex-M4 alvó üzemmódban van, de a perifériák bekapcsolva maradnak.
• Kis fogyasztású üzemmód (LPM, Low-Power Mode), ahol a CM4 alvó üzemmódban van, megőrizve az állapotokat, míg az RV32 aktív marad, hogy továbbítani tudja az engedélyezett perifériák adatait.
• Rendkívül kis fogyasztású üzemmód (Micro Power Mode, µPM), ahol a CM4, az RV32 és bizonyos lábak megtartják az állapotukat, de a „felügyeletidőzítő” (watchdog), az analóg komparátorok és a kis fogyasztású UART a mikrovezérlő felébresztése érdekében elérhetőek maradnak.
• Készenléti állapot, amikor a valós idejű óra bekapcsolva marad, és minden periféria megtartja az állapotát.
• Biztonsági készenlét, ahol a valós idejű óra bekapcsolva marad, és a rendszermemória megtartja az állapotát.

Ezenkívül a MAX32655 a végtermék adatainak tárolása és elosztása során történő használatra tervezett Power Down Mode (PDM, kikapcsolt üzemmód) üzemmódot is kínál. Lekapcsolt üzemmódban a MAX32655 nem kap áramellátást, de egy belső feszültségfigyelő továbbra is működik. Ennek eredményeképpen a végfelhasználók gyorsan bekapcsolhatják a MAX32655-alapú készülékeket a védő akkumulátorfület eltávolítva vagy a készülékre más módon áramot kapcsolva.

Ezek az üzemmódok a különböző hardverblokkok választható módon történő kikapcsolásával még a rendkívül kis fogyasztású mikrovezérlők esetében is jelentős energiamegtakarítást eredményezhetnek. Például a MAX32655 normál aktív üzemmódban 3,0 V feszültségen csak 12,9 μA/MHz áramot vesz fel. Készenléti üzemmódban megtartja az állapotát, vagy teljesen kikapcsol több blokkot, így 3,0 V-on mindössze 2,1 μA lesz a fogyasztása, miközben az eszköz mindössze 14,7 μs alatt képes újra elérni az üzemi állapotot (3. ábra).

3. ábra: A MAX32655 mikrovezérlő különböző áramellátási módjai, mint például az itt látható készenléti üzemmód, képesek megtartani az állapotot, vagy a fogyasztás csökkentése érdekében teljesen kikapcsolni a különböző hardveres alrendszereket, a működőképesség fenntartása mellett (ábra: Analog Devices)

A kis fogyasztással történő működés képessége mellett ezen eszközök nagy integráltsági foka segít a fejlesztőknek a készülékek bonyolultságának csökkentésében és a minimális helyigényre vonatkozó elvárások kielégítésében. Például a MAX32655 beépített egytekercses, többkimenetű (SIMO, single-inductor, multiple-output) kapcsolóüzemű tápegységéhez mindössze egy tekercs-kondenzátor párra van szükség. Ennek eredményeképpen a fejlesztők könnyebben készíthetnek egyetlen lítiumelemmel működő kis méretű készülékeket, hogy megfeleljenek a készülékméretre vonatkozó követelményeknek az olyan felhasználási területeken, mint az eszközkövetés, a viselhető eszközök, a hallókészülékek és más hasonló, helyszűkében lévő termékek.

Egy valódi vezeték nélküli sztereó (TWS, true wireless stereo) fülhallgató esetében például a fejlesztők a MAX32655 használatával jó hatásfokú készüléket hozhatnak létre, a kodeken és az akkumulátor energiagazdálkodásán felül minimális számú további alkatrészt használva. A MAX32655-nek az ezekkel az eszközökkel és egy DS2488 kétportos, 1-Wire protokollt használó csatoló-IC-vel való kombinálása lehetővé teszi egy valódi vezeték nélküli sztereó fülhallgató és annak töltőbölcsője teljes kialakítását (4. ábra).

4. ábra: A MAX32655 mikrovezérlő beépített funkciói lehetővé teszik olyan nagyon kis alapterületű és minimális számú kiegészítő alkatrészt használó készülékek létrehozását, amelyek a kodeken, az energiagazdálkodási eszközön és egy illesztőeszközön, például a DS2488 jelű, 1-Wire protokollos csatoló-IC-n kívül kevés további alkatrészt igényelnek egy teljes valódi vezeték nélküli sztereó fülhallgató és annak töltőbölcsője létrehozásához (ábra: Analog Devices)

Az ezekkel a mikrovezérlőkkel történő prototípuskészítés és a kiértékelés felgyorsítása érdekében a fejlesztők számos Analog Devices által kínált fejlesztőeszközt használhatnak, többek között az alábbiakat:

• MAX32655 fejlesztőkészlet (MAX32655EVKIT)
• MAX32655 tüskés csatlakozójú (feather board) fejlesztőkártya (MAX32655FTHR)
• MAX32690 fejlesztőkészlet (MAX32690EVKIT)
• MAX32690, Arduino-kártya méretű fejlesztőplatform (AD-APARD32690-SL)

Hatékonyabb megoldás a vegyes jeleket használó készülékek támasztotta követelményekhez

Míg a MAX32655 és a MAX32690 a kis méretű, akkumulátorról működő Bluetooth-kompatibilis termékek iránti igényt elégíti ki, addig az Analog Devices MAX32675C kis fogyasztású, vegyes jelű mikrovezérlő az egészségügyi és ipari érzékelők támasztotta különleges követelményeknek felel meg.

A MAX32675C indításkor és működés közben kis fogyasztást, valamint az ilyen felhasználási területeken egyre inkább megkövetelt nagy integráltsági fokot kínál. A 12 MHz-es ARM Cortex-M4 processzor és lebegőpontos egység mellé 384 kB flashmemória, 160 kB SRAM és 16 kB gyorsítótár, valamint egy pontos analóg bemeneti (AFE, analog front-end) áramkör és egy HART modem (Highway Addressable Remote Transducer, gyűjtősínen át címezhető távoli jelátalakító) társul (5. ábra).

5. ábra: A MAX32675C mikrovezérlő beépített analóg bemeneti áramköre és HART modemje azok az alrendszerek, amelyekkel ki lehet elégíteni az ipari és egészségügyi érzékelők kis méretre és kis fogyasztásra vonatkozó követelményeit (ábra: Analog Devices)

A processzorral belső soros perifériaillesztő felületen (SPI, serial peripheral interface) keresztül kommunikáló analóg bemeneti áramkör az ipari és egészségügyi érzékelőkben jellemzően szükséges perifériákkal való kapcsolatra szolgál, beleértve egy 12 bites digitális–analóg átalakítót (DAC, digital-to-analog converter) és két nagy pontosságú delta-szigma analóg–digitális átalakítót (ADC, analog-to-digital converter), amelyek 16 vagy 24 bites működésre állíthatók be. Mindegyik analóg–digitális átalakítóban található egy kifejezetten erre a célra szolgáló kis zajszintű, 1–128-szoros erősítés között állítható erősítésű erősítő (PGA, programmable gain amplifier), amelyet egy 12 csatornás bemeneti multiplexer vezérel. A multiplexer 12 csatornás egybetáplálású (single-ended) vagy 6 csatornás különbségi működésre állítható be.

A MAX32675C különösen alkalmas a 4–20 mA-es érzékelőkön és távadókon alapuló, kis fogyasztású helyi ipari műszerek iránti igények kielégítésére. Valójában ezt a mikrovezérlőt kifejezetten úgy tervezték, hogy a 4–20 mA-es eszközökben soha ne lépje túl a feszültségkorlátokat, elhárítva ezzel egy az indítás során gyakran jelentkező problémát, amikor is a mikrovezérlőknek nehézséget okozott a feszültségkorlátok betartása.

Hogy támogassa a sok meglévő ipari vezérlő- és szabályozórendszer működéséhez elengedhetetlen egyik követelményt, az analóg bemeneti áramkör tartalmaz egy teljes HART modemet, amely leegyszerűsíti a 4–20 mA-es áramhurkot használó helyi ipari műszerek használatát (6. ábra).

6. ábra: A MAX32675C mikrovezérlő analóg bemeneti áramköre a jellegzetes ipari felhasználási területeken használt 4–20 mA-es helyi ipari műszerek támogatása érdekében tartalmaz egy kifejezetten erre szolgáló HART modemet (ábra: Analog Devices)

A MAX32675C-vel az ipari felhasználási területekre dolgozó fejlesztők egyszerűen állíthatják be és vezérelhetik a helyi műszereket a HART modemnek az ARM Cortex-M4-gyel való SPI-kapcsolatán keresztül.

Az Analog Devices a MAX32675C mikrovezérlőhöz a dokumentáció és egyéb fejlesztési források mellett a MAX32675EVKIT fejlesztőkészletet kínálja a tesztelés és a prototípusfejlesztés felgyorsítására.

A helyi mesterséges intelligenciával szemben támasztott követelmények teljesítése

Ahhoz, hogy egyre több felhasználási területre lehessen jó hatásfokú készülékeket alkotni, a fejlesztőknek olyan helyi eszközöket kell létrehozniuk, amelyek hatékonyan futtatják az intelligens idősor-feldolgozásra, illetve a tárgyak, szavak vagy arcok felismerésére szolgáló mesterséges intelligenciás algoritmusokat. Az Analog Devices MAX78000 mikrovezérlőt kifejezetten arra tervezték, hogy támogassa ezeket a képességeket, miközben megtartja a kis fogyasztást mint alapkövetelményt.

A korábban ismertetett rendkívül kis fogyasztású mikrovezérlőkhöz hasonlóan a MAX78000 (7. ábra) is egy lebegőpontos egységgel ellátott ARM Cortex-M4-re épül, amelyet 512 kB flashmemória, 128 kB SRAM és 16 kB gyorsítótár egészít ki, hogy a mikrovezérlő teljesíteni tudja az alapvető alkalmazásfuttatási követelményeket. A helyi mesterséges intelligenciás megoldások támogatása érdekében a MAX78000 mikrovezérlőben néhány további eszközzel van bővítve a feldolgozó alrendszer, többek között az alábbiakkal:

• egy 32 bites RISC-V társprocesszor, amely a rendszert rendkívül kis fogyasztású jelfeldolgozási képességekkel ruházza fel
• beépített hardveres CNN-gyorsító (CNN: convolutional neural network – konvolúciós neurális hálózat) a helyi mesterséges intelligenciás készülékek iránti növekvő kereslet kielégítése érdekében

7. ábra: A MAX78000 mikrovezérlő a lebegőpontos egységgel ellátott ARM Cortex-M4 és a 32 bites RISC-V processzor mellett tartalmaz még egy CNN-gyorsítót is, hogy növelje a következtetési teljesítményt a helyi mesterséges intelligenciás készülékekben (ábra: Analog Devices)

A MAX78000 képes a MAX32655 esetében korábban ismertetett valamennyi energiatakarékos üzemmódra és a kikapcsolt üzemmódra, miközben a CNN továbbra is rendelkezésre áll alvó és energiatakarékos üzemmódban is, valamint van állapotmegőrzés rendkívül kis áramfelvétellel, van készenléti és biztonsági készenléti üzemmód, valamint van egy kikapcsolt üzemmód a végtermék adatainak tárolása és elosztása során történő használatra.

A többi itt tárgyalt mikrovezérlőhöz hasonlóan a MAX78000 nagy integráltsági foka segít a fejlesztőknek megfelelni a kevés kiegészítő alkatrészre és a végtermék méretére vonatkozó követelményeknek. Az eszköz beépített analóg–digitális jelátalakítási és jelfeldolgozó képességeinek köszönhetően a fejlesztők a MAX78000-et kevés kiegészítő alkatrésszel használhatják az olyan helyi mesterséges intelligenciás alkalmazások gyors megvalósításához, mint a kulcsszófelismerés (KWS, keyword spotting) és az arcazonosítás (FaceID).

A helyi mesterséges intelligenciás termékek megvalósításának egyszerűsítése mellett a MAX78000 több energiatakarékos üzemmódjának, két processzorának és hardveres CNN-jének kombinációja lehetővé teszi a fejlesztők számára, hogy nagy következtetési sebességet érjenek el minimális fogyasztás mellett. Az Analog Devices mérnökei alaposan megvizsgálták a MAX78000 optimalizált fogyasztású üzemmódjainak teljesítményét.¹

A mérnöki csapat a tanulmány részeként jellegzetes helyi mesterséges intelligenciás alkalmazásokat használva mérte a modellsúlyok (kernelek) és a bemeneti adatok betöltéséhez és a következtetések levonásához szükséges fogyasztást és időt. Például egy 20 kulcsszót tartalmazó kulcsszófelismeréses (KWS20) esettanulmányban az eredmények azt mutatták, hogy a MAX78000 mikrovezérlőt különböző energiatakarékos üzemmódokban futtatva csökkenthető a betöltési idő és a fogyasztás, ha az ARM processzort önmagában futtatják (8. ábra).

8. ábra: Egy 20 kulcsszót tartalmazó kulcsszófelismeréses (KWS20) esettanulmány azt mutatta, hogy a magasabb órajel kisebb fogyasztást eredményezett a rövidebb betöltési idők miatt, különösen akkor, ha csak az ARM processzort használták (táblázat: Analog Devices)

A tanulmány azt is vizsgálta, hogy milyen hatással van a fogyasztásra és az időre, ha az ARM processzor és a RISC-V processzor a tétlenség ideje alatt alvó üzemmódban van, és a RISC-V processzor csak annyi ideig ébred fel, amíg elvégzi a betöltést, és kezeli a CNN-t. A tanulmányban két különböző órajelforrást: a MAX78000 belső elsődleges oszcillátorának (IPO, internal primary oscillator) 100 MHz-es órajelét és a kisebb fogyasztású, de lassabb belső másodlagos oszcillátorának (ISO, internal secondary oscillator) 60 MHz-es órajelét használva hasonlították össze a teljesítményt. Ebben az eredményben az órajel-frekvencia csökkentése drámaian megnövelte mind a betöltéshez, mind a következtetés levonásához kapcsolódó fogyasztást, mivel mindkettőhöz hosszabb végrehajtási időre volt szükség (9. ábra).

9. ábra: A KWS20 esettanulmány azt mutatta, hogy amikor a RISC-V processzort csak betöltésre és a CNN-kezelő alkalmazás futtatására használták, a magasabb órajelek a rövidebb betöltési és következtetési idők miatt kisebb fogyasztást eredményeztek (ábra: Analog Devices)

A tanulmány alapján az Analog Devices csapata megjegyezte, hogy a fejlesztők gyors következtetést érhetnek el minimális fogyasztás mellett, ha magasabb órajeleket használnak, különösen a nagy teljesítményű ARM processzor esetében, ha megfontoltan használják a MAX78000 energiatakarékos üzemmódjait, és ha a kerneleket a memóriában tartják, hogy elkerüljék az energiaveszteséget a hosszabb betöltési idők alatt.

Az Analog Devices a saját helyi mesterséges intelligenciás megoldásokat létrehozó fejlesztők számára többféle fejlesztőeszközt kínál a MAX78000 mikrovezérlőhöz, beleértve a MAX78000EVKIT fejlesztőkészletet és a MAX78000FTHR tüskés csatlakozójú fejlesztőkártyát. A MAX78000EVKIT a kártyára épített digitális mikrofon, a mozgásérzékelők, a színes kijelző és a többféle csatlakozási lehetőség mellett tartalmaz egy energiafigyelő funkciót is, amely segít a fejlesztőknek optimalizálni a fogyasztást.

A szoftverfejlesztéshez az Analog Devices MAX78000 CNN-eszköztárában dokumentációk, fejlesztési útmutatók, oktatóvideók, valamint a fejlesztőkészlet és a tüskés csatlakozójú fejlesztőkártya használatát segítő szoftverkód található.

Összegzés

Az Analog Devices egy jó hatásfokú processzoralrendszer kínálta alapokra építve olyan rendkívül kis fogyasztású mikrovezérlőket mutat be, amelyek beépítve tartalmazzák a kifejezetten az olyan felhasználási területek egyedi követelményeinek teljesítésére tervezett funkciókat és képességeket, mint a viselhető eszközök, a hallókészülékek, az eszközkövetés, az ipari és egészségügyi érzékelők és a helyi mesterséges intelligencia. Ezek a mikrovezérlők és az azok használatát segítő eszközök és források segítségével a fejlesztők gyorsan alkothatják meg a különféle felhasználási területek egyedi igényeire szabott kis fogyasztású készülékeiket.

Felhasznált forrásanyag:

1. Developing Power-optimized Applications on the MAX78000 (A MAX78000 mikrovezérlőre épülő, optimalizált fogyasztású készülékek fejlesztése)