Wykorzystanie mikrokontrolerów niskiej mocy w projektowaniu elektroniki medycznej i przemysłowym Internecie Rzeczy

Spełnienie wymagań zastosowań specjalistycznych

Aby skutecznie reagować na oczekiwania klientów, projektanci muszą spełnić podstawowy zestaw wymagań dotyczących wysokich parametrów działania i niskiego poboru mocy. W tak zróżnicowanych obszarach zastosowań, jak opieka zdrowotna, przemysł i Internet rzeczy (IoT), te podstawowe wymagania zwykle dominowały w decyzjach projektowych i kierowały rozwojem platform sprzętowych, które są zasadniczo nie do odróżnienia. Dzięki temu projektanci mogą szybko wykorzystać zdobyte w jednym obszarze zastosowań doświadczenie w zakresie projektowania sprzętu i oprogramowania, aby zaspokoić podstawowe potrzeby innego obszaru.

Rosnące zapotrzebowanie na coraz bardziej zaawansowane produkty we wspomnianych dziedzinach sprawia, że dla projektantów coraz większym wyzwaniem staje się sprostanie szczególnym potrzebom specjalistycznych zastosowań bez poświęcania zdolności do spełnienia podstawowych wymagań. Segmenty zastosowań zaczęły się wyraźniej różnić między sobą dzięki charakterystycznym wymaganiom w zakresie łączności, zabezpieczeń i sztucznej inteligencji (AI).

Na skutek tych zmieniających się potrzeb, koncepcja wspólnej platformy sprzętowej ewoluowała, aby umożliwić projektantom spełnienie podstawowych wymagań w zakresie wysokich parametrów działania i niskiej mocy przy jednoczesnym wykorzystaniu znanego zestawu procesorów, uzupełnionego o wyspecjalizowane funkcje.

Podstawa procesorowa dostosowana do specjalistycznych możliwości

Zbudowane w oparciu o procesory ultraniskiej mocy Arm® Cortex®-M4 z jednostką zmiennoprzecinkową (FPU), urządzenia należące do gamy mikrokontrolerów ultraniskiej mocy firmy Analog Devices, oferują projektantom dobrze znaną platformę, która jest w stanie spełnić podstawowe wymagania w zakresie mocy i parametrów działania.

Aby sprostać unikalnym wymaganiom różnych obszarów zastosowań, firma Analog Devices oferuje cztery specjalizowane produkty z tego portfolio:

• Urządzenie MAX32655 jest przeznaczone do zastosowań wymagających łączności Bluetooth Low Energy (BLE) i wydłużonego czasu pracy baterii, przy jednoczesnym zapewnieniu wystarczającej ilości pamięci i wydajności.
• Urządzenie MAX32690 jest przeznaczone do zastosowań wymagających łączności BLE, wysokich parametrów działania i dużej ilości pamięci.
• Urządzenie MAX32675C jest przeznaczone do zastosowań wymagających sygnałów mieszanych w czujnikach przemysłowych i medycznych.
• Urządzenie MAX78000 zaspokaja rosnący popyt na inteligentne urządzenia brzegowe.

Rozwiązania dla łączności

Mikrokontroler MAX32655 firmy Analog Devices zawiera procesor Arm Cortex-M4 o częstotliwości 100MHz z jednostką zmiennoprzecinkową (FPU), 512kB pamięci flash, 128kB statycznej pamięci o dostępie swobodnym (SRAM) oraz 16kB pamięci podręcznej na instrukcje, zapewniając efektywną kombinację procesora i pojemności pamięci wymaganą w typowych zastosowaniach o niskim poborze mocy. Poza tym podsystemem przetwarzania, urządzenie posiada również obszerny zestaw bloków funkcjonalnych na potrzeby zabezpieczeń, zarządzania zasilaniem, synchronizacji czasu oraz cyfrowych i analogowych peryferiów wymaganych zwykle w urządzeniach do śledzenia aktywów, urządzeniach ubieralnych i urządzeniach do monitorowania w ramach opieki zdrowotnej (ilustracja 1).

Ilustracja 1: Dzięki rozbudowanemu zestawowi zintegrowanych peryferiów, mikrokontroler MAX32655 obsługuje szeroką gamę zastosowań wymagających łączności Bluetooth, wysokowydajnego przetwarzania i zoptymalizowanego wykorzystania energii. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Aby spełnić różnorodne wymagania dotyczące łączności Bluetooth w różnych zastosowaniach, urządzenie MAX32655 wyposażono w dedykowany sprzęt i oprogramowanie obsługujące pełny zestaw funkcji Bluetooth 5.2. Obok radia Bluetooth 5.2, mikrokontroler integruje w sobie dedykowany 32-bitowy koprocesor RISC-V do obsługi krytycznych dla synchronizacji zadań przetwarzania Bluetooth. Omawiany podsystem Bluetooth zaspokaja rosnące wymagania w zakresie parametrów działania, obsługując tryb wysokiej przepustowości 2Mbit/s oraz tryb dalekiego zasięgu z prędkościami 125kbit/s i 500kbit/s. Dwa wtyki urządzenia pozwalają deweloperom po prostu podłączyć antenę pozaczipową w projektach wykorzystujących łączność Bluetooth. Elementem dopełniającym działanie Bluetooth 5.2 i zapewniającym obsługę aplikacji jest stos wykonawczy Bluetooth urządzenia, który obejmuje procesor Arm Cortex-M4 z jednostką zmiennoprzecinkową (FPU), RISC-V i radiem (ilustracja 2).

Ilustracja 2: Pełny stos Bluetooth 5.2, działający na procesorze Arm Cortex-M4 urządzenia MAX32655 z jednostką zmiennoprzecinkową (FPU), RISC-V i radiem, obsługuje pełny zestaw funkcji do radionamierzania, komunikacji o wysokiej przepustowości i pracy na duże odległości. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

W przypadku zastosowań wymagających wysokich parametrów działania i pamięci, mikrokontroler MAX32690 firmy Analog Devices oferuje procesor Arm Cortex-M4 120MHz z jednostką zmiennoprzecinkową (FPU) oraz 3MB pamięci flash, 1MB pamięci SRAM i 16kB pamięci podręcznej. Układ MAX32690, oprócz analogowych komparatorów i cyfrowych peryferiów, które można znaleźć w urządzeniu MAX32655, zawiera również interfejs magistrali HyperBus/Xccela umożliwiający szybkie wykonywanie operacji z zewnętrznej pamięci flash i SRAM, gdy zapotrzebowanie na pamięć przekracza zasoby mikroukładu. Podobnie jak urządzenie MAX32655, urządzenie MAX32690 zawiera 32-bitowy procesor RISC-V, który jest przeznaczony do autonomicznego przetwarzania i obsługi przetwarzania Bluetooth.

Aby pomóc deweloperom w optymalizacji poboru mocy, każdy z czterech wspomnianych wcześniej mikrokontrolerów posiada kilka trybów pracy niskiej mocy. W urządzeniach MAX32655 i MAX32690 dostępne są następujące tryby niskiej mocy:

• Uśpienie, w którym procesor Arm Cortex-M4 z jednostką zmiennoprzecinkową (FPU) (CM4) i 32-bitowym procesorem RISC-V (RV32) są w trybie uśpienia, ale peryferia pozostają włączone
• Tryb niskiej mocy (LPM), w którym CM4 znajduje się w stanie uśpienia z zachowaniem stanu, podczas gdy RV32 pozostaje aktywny, aby umożliwić przenoszenie danych z włączonych peryferiów
• Tryb mikromocowy (UPM), w którym CM4, RV32 i niektóre wtyki zachowują stan, ale czasowy układ nadzorujący, komparatory analogowe i uniwersalny asynchroniczny nadajniko-odbiornik niskiej mocy (LPUART) pozostają dostępne, aby wybudzić mikrokontroler
• Tryb czuwania, w którym zegar czasu rzeczywistego pozostaje włączony, a wszystkie peryferia zachowują stan
• Tryb rezerwowy, w którym zegar czasu rzeczywistego pozostaje włączony, a pamięć systemowa zachowuje swój stan

Ponadto urządzenie MAX32655 wyposażono w tryb wyłączenia zasilania (PDM) przeznaczony do użycia podczas magazynowania i dystrybucji produktu końcowego. W trybie PDM urządzenie MAX32655 jest wyłączone, ale wewnętrzny monitor napięcia nadal działa. Dzięki temu użytkownicy końcowi mogą szybko uruchomić produkty oparte na urządzeniu MAX32655, usuwając zabezpieczenie baterii lub zasilając produkt w inny sposób.

Opisane tryby pracy mogą oferować znaczne oszczędności energii nawet w przypadku mikrokontrolerów ultraniskiej mocy poprzez selektywne wyłączanie różnych bloków sprzętowych. Na przykład w normalnym, aktywnym trybie pracy przy napięciu 3,0V urządzenie MAX32655 zużywa tylko 12,9μA/MHz. W trybie czuwania zachowuje swój stan lub całkowicie wyłącza kilka bloków, aby uzyskać pobór mocy zaledwie 2,1μA przy napięciu 3,0V, jednocześnie umożliwiając wznowienie pracy w ciągu zaledwie 14,7μs (ilustracja 3).

Ilustracja 3: Różne tryby zasilania mikrokontrolera MAX32655, takie jak pokazany tutaj tryb czuwania, mogą utrzymać stan lub całkowicie wyłączyć różne podsystemy sprzętowe w celu zmniejszenia poboru mocy przy zachowaniu zdolności operacyjnej. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

W redukcji złożoności projektów i spełnieniu wymagań dotyczących minimalnej zajmowanej powierzchni pomaga nie tylko działanie z niską mocą, ale też wysoki poziom integracji omawianych urządzeń. Na przykład zintegrowany zasilacz impulsowy MAX32655 z pojedynczą cewką i wieloma wyjściami (SIMO) wymaga tylko jednej pary cewki indukcyjnej i kondensatora. W rezultacie deweloperzy mogą łatwiej tworzyć kompaktowe projekty zasilane pojedynczą baterią litową, aby spełnić wymagania dotyczące obudów w takich zastosowaniach, jak śledzenie zasobów, urządzenia ubieralne, urządzenia głosowe hearable i tym podobne produkty, w których przestrzeń jest na wagę złota.

Na przykład w przypadku konstrukcji słuchawek dousznych TWS (True Wireless Stereo) deweloperzy mogą wdrożyć skuteczne rozwiązanie, wykorzystując urządzenie MAX32655 z minimalną liczbą dodatkowych komponentów poza kodekiem i systemem zarządzania zasilaniem bateryjnym. Połączenie mikrokontrolera MAX32655 z wymienionymi urządzeniami oraz 1-przewodowym łączem dwuportowym DS2488 skutkuje otrzymaniem kompletnej konstrukcji dla słuchawek dousznych TWS wraz ze stacją ładowania (ilustracja 4).

Ilustracja 4: Zintegrowane funkcje mikrokontrolera MAX32655 pozwalają na stworzenie kompletnych słuchawek dousznych TWS ze stacją ładującą jako rozwiązania o niewielkiej zajmowanej powierzchni i minimalnym wykazie materiałów, które wymaga niewielu dodatkowych urządzeń poza kodekiem i urządzeniem zarządzania zasilaniem , jak na przykład 1-Wire DS2488 (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Aby przyspieszyć ewaluację i prototypowanie przy użyciu omawianych mikrokontrolerów, deweloperzy mogą skorzystać z wielu zasobów rozwojowych firmy Analog Devices, takich jak:

• Zestaw ewaluacyjny MAX32655 (MAX32655EVKIT)
• Płytka Feather MAX32655 (MAX32655FTHR)
• Zestaw ewaluacyjny MAX32690 (MAX32690EVKIT)
• Platforma rozwojowa klasy Arduino MAX32690 (AD-APARD32690-SL)

Skuteczniejsze rozwiązanie na potrzeby projektów wykorzystujących sygnały mieszane

Podczas gdy urządzenia MAX32655 i MAX32690 zaspokajają zapotrzebowanie na kompaktowe urządzenia z zasilaniem bateryjnym i obsługą Bluetooth, mikrokontroler sygnałów mieszanych niskiej mocy MAX32675C firmy Analog Devices spełnia specjalne wymagania w dziedzinie czujników medycznych i przemysłowych.

Urządzenie MAX32675C charakteryzuje się niskim poborem mocy podczas uruchamiania i w czasie pracy, a także wysokimi poziomami integracji, które są coraz częściej wymagane w tych zastosowaniach. Łączy ono w sobie procesor Arm Cortex-M4 12MHz i jednostkę zmiennoprzecinkową (FPU) z 384kB pamięci flash, 160kB pamięci SRAM i 16kB pamięci podręcznej, a także precyzyjny analogowy układ front-end (AFE) i modem HART (ilustracja 5).

Ilustracja 5: zintegrowany analogowy układ front-end (AFE) oraz modem HART mikrokontrolera MAX32675C stanowią podsystemy niezbędne do spełnienia wymagań czujników przemysłowych i medycznych w zakresie zajmowania małej powierzchni i niskiego poboru mocy. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Komunikując się z procesorem przez wewnętrzny szeregowy interfejs urządzeń peryferyjnych (SPI), analogowy układ front-end (AFE) zawiera zestaw peryferiów wymaganych zwykle w zastosowaniach czujników przemysłowych i medycznych, w tym 12-bitowy przetwornik cyfrowo-analogowy (DAC) oraz dwa precyzyjne przetworniki analogowo-cyfrowe (ADC) delta-sigma, które można skonfigurować do pracy w trybie 16- lub 24-bitowym. Każdy przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC) posiada dedykowany wzmacniacz niskoszumowy z programowanym wzmocnieniem (PGA) od 1x do 128x, sterowany przez 12-kanałowy multiplekser wejściowy, który można skonfigurować do pracy 12-kanałowej jednostronnej lub 6-kanałowej różnicowej.

Urządzenie MAX32675C szczególnie dobrze zaspokaja zapotrzebowanie na przemysłowe przyrządy polowe niskiej mocy bazujące na czujnikach i nadajnikach 4-20mA. W rzeczywistości mikrokontroler ten został specjalnie zaprojektowany tak, aby nigdy nie przekraczać ograniczeń mocy w zastosowaniach 4-20mA, co rozwiązuje powszechny problem podczas uruchamiania, kiedy to mikrokontrolery mają trudności z utrzymaniem wartości granicznych mocy.

Aby spełnić podstawowe wymagania wielu istniejących przemysłowych systemów sterowania, analogowy układ front-end (AFE) zawiera kompletny modem HART, co upraszcza wdrażanie przemysłowych przyrządów polowych z wykorzystaniem pętli prądowej 4-20mA (ilustracja 6).

Ilustracja 6: analogowy układ front-end (AFE) mikrokontrolera MAX32675C zawiera dedykowany modem HART do obsługi istniejących przyrządów polowych 4-20mA w typowych zastosowaniach przemysłowych. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Dzięki urządzeniu MAX32675C deweloperzy rozwiązań przemysłowych mogą z łatwością konfigurować przyrządy polowe i sterować nimi za pośrednictwem połączenia SPI modemu HART z procesorem Arm Cortex-M4.

Oprócz dokumentacji i innych zasobów rozwojowych, firma Analog Devices oferuje zestaw ewaluacyjny MAX32675CMAX32675EVKIT, który przyspiesza testowanie i opracowywanie prototypów.

Spełnienie rosnących wymagań w dziedzinie sztucznej inteligencji brzegowej

Aby tworzyć efektywne rozwiązania w coraz większej liczbie dziedzin, deweloperzy muszą wdrażać urządzenia brzegowe, które sprawnie wykonują algorytmy sztucznej inteligencji w celu inteligentnego przetwarzania serii czasowych lub rozpoznawania obiektów, słów lub twarzy. Urządzenie MAX78000 firmy Analog Devices zostało zaprojektowane specjalnie z myślą o tych możliwościach przy jednoczesnym spełnieniu podstawowego wymogu niskiego poboru mocy.

Podobnie jak opisane wcześniej mikrokontrolery ultraniskiej mocy, układ MAX78000 (ilustracja 7) opiera się na rdzeniu Arm Cortex-M4 z procesorem zmiennoprzecinkowym (FPU), 512kB pamięci flash, 128kB pamięci SRAM i 16kB pamięci podręcznej, aby sprostać podstawowym wymaganiom w zakresie uruchamiania aplikacji. Na potrzeby obsługi rozwiązań z obszaru sztucznej inteligencji brzegowej podsystem przetwarzania urządzenia MAX78000 rozbudowano o dwa dodatkowe zasoby, w tym:

• 32-bitowy koprocesor RISC-V, który zapewnia systemowi możliwości przetwarzania sygnałów przy ultraniskim poborze mocy
• Zintegrowany sprzętowy akcelerator konwolucyjnej sieci neuronowej (CNN) odpowiadający na rosnące zapotrzebowanie na urządzenia sztucznej brzegowej

Ilustracja 7: oprócz procesora Arm Cortex-M4 z jednostką zmiennoprzecinkową (FPU) i 32-bitowego procesora RISC-V, mikrokontroler MAX78000 zawiera akcelerator konwolucyjnej sieci neuronowej (CNN) w celu zwiększenia wydajności wnioskowania w zastosowaniach sztucznej inteligencji brzegowej. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Urządzenie MAX78000 obsługuje te same tryby pracy niskiej mocy oraz tryb wyłączenia, które opisano wcześniej dla urządzenia MAX32655, przy czym konwolucyjna sieć neuronowa (CNN) pozostaje dostępna w trybach uśpienia i niskiej mocy, utrzymania stanu w trybach mikromocowych, czuwania i rezerwowego oraz w trybie wyłączenia przeznaczonego do użycia podczas składowania i dystrybucji produktów końcowych.

Podobnie jak w przypadku innych omawianych tutaj mikrokontrolerów, wysoki poziom integracji urządzenia MAX78000 pomaga deweloperom spełnić wymagania w zakresie minimalnego wykazu materiałów (BOM) i rozmiaru produktu końcowego. Dzięki zintegrowanemu przetwornikowi analogowo-cyfrowemu (ADC) i możliwościom przetwarzania sygnałów, deweloperzy mogą wykorzystać urządzenie MAX78000 z kilkoma dodatkowymi komponentami do szybkiego wdrożenia brzegowych zastosowań sztucznej inteligencji, takich jak wychwytywanie słów kluczowych (KWS) czy identyfikacja twarzy (FaceID).

Oprócz uproszczenia implementacji sztucznej inteligencji brzegowej, połączenie wielu trybów zasilania, dwóch procesorów i sprzętowej konwolucyjnej sieci neuronowej (CNN) w urządzeniu MAX78000 pozwala deweloperom uzyskać wysoką prędkość wnioskowania przy minimalnym poborze mocy. Inżynierowie z firmy Analog Devices dokładnie przeanalizowali parametry działania w zastosowaniach urządzenia MAX78000 zoptymalizowanych pod kątem zasilania.1

W ramach tych badań zespół inżynierów zmierzył zużycie energii i czas ładowania wag (jąder) modeli, ładowania danych wejściowych i wnioskowania dla typowych zastosowań sztucznej inteligencji brzegowej. Na przykład w studium przypadku KWS z 20 słowami kluczowymi (KWS20) wyniki pokazały, że deweloperzy mogą uruchamiać sam procesor Arm, aby skrócić czas ładowania i zużycie energii podczas pracy w różnych trybach zasilania urządzenia MAX78000 (ilustracja 8).

Ilustracja 8: studium przypadku KWS20 wykazuje, że wyższa prędkość zegara skutkuje niższym zużyciem energii ze względu na krótsze czasy ładowania, szczególnie gdy używany był tylko procesor Arm. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

W badaniu przeanalizowano również wpływ na zużycie energii i czas, gdy procesor Arm i procesor RISC-V były uśpione w czasie bezczynności, przy czym procesor RISC-V wybudzał się tylko na czas wystarczający, aby wykonać ładowanie i zarządzać konwolucyjną siecią neuronową (CNN). W niniejszym badaniu porównano parametry działania układu przy użyciu dwóch różnych źródeł zegara: wewnętrznego oscylatora głównego (IPO) urządzenia MAX78000 działającego z częstotliwością 100MHz oraz wolniejszego wewnętrznego oscylatora wtórnego (ISO) niższej mocy działającego z częstotliwością 60MHz. W rezultacie zmniejszenie częstotliwości zegara radykalnie zwiększyło zużycie energii związane zarówno z ładowaniem, jak i wnioskowaniem ze względu na dłuższy czas wymagany dla każdej z tych operacji (ilustracja 9).

Ilustracja 9: w studium przypadku KWS20 użycie wyższych częstotliwości zegara z samym procesorem RISC-V do ładowania i zarządzania konwolucyjną siecią neuronową (CNN) skutkowało niższym zużyciem energii ze względu na krótsze czasy ładowania i wnioskowania. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Na podstawie przeprowadzonych badań zespół firmy Analog Devices zauważył, że deweloperzy mogą uzyskać szybkie wnioskowanie przy minimalnym zużyciu energii, pracując z wyższymi częstotliwościami taktowania, szczególnie przy użyciu wysokowydajnego procesora Arm, wykorzystując rozsądne tryby pracy układu MAX78000 i zachowując jądra w pamięci, aby uniknąć strat energii podczas długich czasów ładowania.

Deweloperom tworzącym własne rozwiązania sztucznej inteligencji brzegowej firma Analog Devices oferuje obszerny zestaw zasobów rozwojowych MAX78000, w tym zestaw ewaluacyjny MAX78000EVKIT oraz płytkę Feather MAX78000FTHR. Oprócz wbudowanego mikrofonu cyfrowego, czujników ruchu, kolorowego wyświetlacza i wielu opcji połączeń, zestaw MAX78000EVKIT zawiera funkcję monitorowania mocy, która pomaga deweloperom optymalizować zużycie energii.

Na potrzeby rozwoju oprogramowania można skorzystać z repozytorium zestawu narzędzi CNN MAX78000 firmy Analog Devices, które zawiera dokumentację, przewodniki rozwojowe, filmy szkoleniowe i kod oprogramowania do zestawu ewaluacyjnego i płytki Feather.

Podsumowanie

Opierając się na wydajnych podstawach podsystemów procesorowych, firma Analog Devices przedstawia zestaw mikrokontrolerów ultraniskiej mocy, które łączą w sobie funkcje i możliwości zaprojektowane specjalnie do obsługi unikalnych wymagań zastosowań, takich jak urządzenia ubieralne, urządzenia głosowe hearable, śledzenie aktywów, czujniki przemysłowe i medyczne oraz sztuczna inteligencja brzegowa. Korzystając z tych mikrokontrolerów i zasobów pomocniczych, deweloperzy mogą szybko wdrażać projekty, które spełniają wyspecjalizowane potrzeby różnorodnych zastosowań niskiej mocy.

Źródło: Wykorzystanie asortymentu mikrokontrolerów niskiej mocy w celu uproszczenia projektowania w opiece zdrowotnej i przemysłowym Internecie rzeczy

Kontakt w Polsce: poland.support@digikey.pl

Autor: Rolf Horn

Rolf Horn, Applications Engineer at DigiKey, has been in the European Technical Support group since 2014 with primary responsibility for answering any Development and Engineering related questions from final customers in EMEA, as well as writing and proof-reading German articles and blogs on DK’s TechForum and maker.io platforms. Prior to DigiKey, he worked at several manufacturers in the semiconductor area with focus on embedded FPGA, Microcontroller and Processor systems for Industrial and Automotive Applications. Rolf holds a degree in electrical and electronics engineering from the university of applied sciences in Munich, Bavaria and started his professional career at a local Electronics Products Distributor as System-Solutions Architect to share his steadily growing knowledge and expertise as Trusted Advisor.

Hobbies: spending time with family + friends, travelling in our VW-California transporter and motorbiking on a 1988 BMW GS 100.

Zapraszamy na TEK.day Wrocław, 6 marca 2025. Zapisz się tutaj!