Gebruik van low-power microcontrollers om ontwerpen voor gezondheidszorg en Industrial IoT te vereenvoudigen

Ontwikkelaars van low-power ontwerpen voor industriële toepassingen, toepassingen voor de gezondheidszorg en diverse IoT-toepassingen (Internet of Things) worden voortdurend geconfronteerd met de vraag naar op microcontroller gebaseerde oplossingen met uitgebreide functionaliteit zonder afbreuk te doen aan het stroomverbruik. Naarmate de ontwikkeling vordert, dreigen ze vaak het maximale stroomverbruik te overschrijden om te voldoen aan gespecialiseerde functionele vereisten.

Dit artikel laat zien hoe het assortiment microcontrollers voor ultralaag stroomverbruik van Analog Devices aan deze eisen kan voldoen.

De vereisten van gespecialiseerde toepassingen

Ontwerpers moeten voldoen aan een kernset van vereisten voor hoge prestaties en laag stroomverbruik om effectief in te spelen op de verwachtingen van de klant. In diverse toepassingsgebieden zoals gezondheidszorg, industrie en IoT, domineren deze kernvereisten doorgaans de ontwerpbeslissingen. Dit heeft geleid tot de ontwikkeling van hardwareplatforms die in wezen niet van elkaar te onderscheiden zijn. Het resultaat is dat ontwerpers de hardware- en software-ontwerpervaring die zij opdoen in het ene toepassingsgebied, snel kunnen gebruiken om te voldoen aan de basisbehoeften van een ander toepassingsgebied.

Met de stijgende vraag naar steeds geavanceerdere producten in deze gebieden wordt het voor ontwerpers een grotere uitdaging om aan de specifieke eisen van gespecialiseerde toepassingen te voldoen zonder dat dit ten koste gaat van de kernvereisten. Toepassingssegmenten verschillen sterk, met unieke vereisten op het gebied van connectiviteit, beveiliging en kunstmatige intelligentie (AI).

Gedreven door deze veranderende behoeften is het concept van een gemeenschappelijk hardwareplatform geëvolueerd. Zo kunnen ontwerpers aan de kernvereisten voor hoge prestaties en laag stroomverbruik voldoen en tegelijkertijd gebruikmaken van een vertrouwde processorset met gespecialiseerde mogelijkheden.

Processorbasis op maat voor gespecialiseerde mogelijkheden

De ultra-low-power microcontrollers van Analog Devices zijn ontworpen rond de ultra-low-power M4 van Arm® Cortex® met een floating point unit (FPU). Deze microcontrollers bieden ontwerpers een vertrouwd platform dat kan voldoen aan de kernvereisten voor stroomverbruik en prestaties.

Om te voldoen aan de unieke vereisten van verschillende toepassingsgebieden, biedt Analog Devices gespecialiseerde mogelijkheden in vier microcontrollers, waaronder:

• De MAX32655 richt zich op toepassingen die Bluetooth Low Energy (BLE)-connectiviteit en een langere batterijlevensduur vereisen en biedt toch voldoende geheugen en prestaties.
• De MAX32690 richt zich op toepassingen die BLE, robuuste prestaties en een uitgebreid geheugen vereisen.
• De MAX32675C richt zich op toepassingen met gemengde signaalvereisten die nodig zijn voor industriële en medische sensoren.
• De MAX78000 voldoet aan de opkomende vraag naar intelligente randapparaten.

Connectiviteit

De MAX32655-microcontroller van Analog Devices integreert een Arm Cortex-M4 van 100 megahertz (MHz) met FPU, 512 kilobyte (kB) flash, 128 kB statisch random-access geheugen (SRAM) en 16 kB instructiecache voor een effectieve combinatie van processorprestaties en geheugenopslag die vereist is in typische low-power toepassingen. Naast dit verwerkingssubsysteem voegt het component een uitgebreide set functionele blokken toe voor beveiliging, stroombeheer, timing en digitale en analoge peripherals die doorgaans nodig is in apparatuur voor het traceren van bedrijfsmiddelen, wearables en bewakingsapparatuur voor de gezondheidszorg (afbeelding 1).

Afbeelding 1: Dankzij een uitgebreide set geïntegreerde peripherals ondersteunt de MAX32655-microcontroller een breed scala aan toepassingen die Bluetooth-connectiviteit, krachtige verwerking en geoptimaliseerd stroomverbruik vereisen. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Om te voldoen aan de diverse Bluetooth-connectiviteitseisen van verschillende toepassingen, biedt de MAX32655 speciale hardware en software voor ondersteuning van een complete set Bluetooth 5.2-functies. Naast een Bluetooth 5.2-radio bevat de microcontroller een speciale 32-bits RISC-V-coprocessor voor timing-kritische Bluetooth-verwerkingstaken. Dit Bluetooth-subsysteem voldoet aan nieuwe prestatie-eisen en ondersteunt een hoge doorvoer van 2 megabit per seconde (Mb/s) en een langeafstandsmodus met snelheden van 125 kilobit per seconde (kb/s) en 500 kbit/s. Dankzij twee pennen kunnen ontwikkelaars eenvoudig een off-chip antenne aansluiten in ontwerpen die Bluetooth ondersteunen. Om de Bluetooth 5.2-functionaliteit af te ronden en applicatie-ondersteuning te bieden, strekt de run-time Bluetooth stack van het component zich uit over de Arm Cortex-M4 met FPU, RISC-V en radio (afbeelding 2).

Afbeelding 2: De volledige Bluetooth 5.2-stack draait op de Arm Cortex-M4 met FPU, RISC-V en radio van de MAX32655 en ondersteunt een complete set functies voor richtingsbepaling, communicatie met hoge doorvoer en lange afstand. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Voor toepassingen met robuuste prestaties en geheugenvereisten biedt de MAX32690-microcontroller van Analog Devices een Arm Cortex-M4 van 120 MHz met FPU samen met 3 MB flash, 1 MB SRAM en 16 kB cachegeheugen. Naast de analoge comparators en digitale peripherals in de MAX32655 is in de MAX32690 een HyperBus/Xccela-businterface geïntegreerd voor snelle uitvoering vanaf externe flash en SRAM wanneer de geheugenvereisten de on-chipbronnen overschrijden. Net als de MAX32655 bevat de MAX32690 een 32-bits RISC-V-processor, die beschikbaar is voor standalone verwerking en ondersteuning voor Bluetooth-verwerking.

Om ontwikkelaars te helpen het stroomverbruik te optimaliseren, ondersteunt elk van de vier eerder genoemde microcontrollers verschillende energiezuinige bedrijfsmodi. In de MAX32655 en MAX32690 omvatten de volgende spaarstanden:

• Slaapstand, waarbij de Arm Cortex-M4 met FPU (CM4) en 32-bits RISC-V (RV32) in slaapstand staan, maar de peripherals aan blijven.
• Low-Power Mode (LPM), waarbij de CM4 in de slaapstand staat met behoud van status terwijl de RV32 actief blijft om gegevens van ingeschakelde peripherals te verplaatsen.
• Micro Power Mode (UPM), waarbij de CM4, RV32 en bepaalde pennen hun status behouden, maar een watchdogtimer, analoge comparators en low-power UART beschikbaar blijven om de microcontroller te wekken.
• Stand-by, waarbij de real-time klok aan blijft en alle peripherals hun status behouden.
• Back-up, waarbij de real-time klok aan blijft en het systeemgeheugen zijn status behoudt.

Daarnaast biedt de MAX32655 een Power Down Mode (PDM) die is ontworpen voor gebruik tijdens de opslag en distributie van eindproducten. In PDM-modus wordt de MAX32655 uitgeschakeld, maar blijft een interne spanningsmonitor operationeel. Hierdoor kunnen eindgebruikers MAX32655-producten eenvoudig inschakelen door een beschermend batterijlipje te verwijderen of het product op een andere manier van stroom te voorzien.

Deze bedrijfsmodi kunnen zelfs bij ultra-low-power microcontrollers aanzienlijke energiebesparingen opleveren door verschillende hardwareblokken selectief uit te schakelen. Zo verbruikt de MAX32655 in normale actieve bedrijfsmodus slechts 12,9 microampère per megahertz (μA/MHz) bij 3,0 volt. In stand-by behoudt hij zijn status of schakelt hij verschillende blokken volledig uit om een stroomverbruik van slechts 2,1 μA bij 3,0 volt te bereiken, terwijl het component de werking in slechts 14,7 microseconden (μs) kan hervatten (afbeelding 3).

Afbeelding 3: De verschillende spaarstanden van de MAX32655-microcontroller, zoals de hier getoonde stand-bymodus, kunnen de status van verschillende hardwaresubsystemen behouden of volledig uitschakelen om het stroomverbruik te verminderen met behoud van de operationele capaciteit. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Samen met de energiezuinige werking helpt het hoge integratieniveau van deze componenten ontwikkelaars om de complexiteit van het ontwerp te verminderen en te voldoen aan de vereisten voor een minimale voetafdruk. Zo vereist de geïntegreerde single-inductor multiple-output (SIMO) schakelende voeding van de MAX32655 slechts één inductor/condensatorpaar. Hierdoor kunnen ontwikkelaars eenvoudiger compacte ontwerpen maken die worden aangedreven door een enkele lithiumcel om te voldoen aan de behuizingseisen in toepassingen zoals het volgen van bedrijfsmiddelen, wearables, hearables en vergelijkbare producten met beperkte ruimte.

Voor een ontwerp van oordopjes met true wireless stereo (TWS) kunnen ontwikkelaars bijvoorbeeld een effectieve oplossing implementeren met de MAX32655 met minimale extra componenten behalve een codec en batterijvoeding. De combinatie van een MAX32655 met deze componenten en een DS2488 1-draads link met dubbele poort levert een compleet ontwerp op voor een TWS-oordopje en het bijbehorende oplaadstation (afbeelding 4).

Afbeelding 4: De geïntegreerde functionaliteit van de MAX32655-microcontroller maakt ontwerpen met een minimale voetafdruk en kleine materiaallijst mogelijk. Behalve een codec, een component voor energiebeheer en een interfaceapparaat zoals de DS2488 1-draads, zijn er slechts weinig extra componenten nodig om een complete TWS-oplossing voor oordopjes en oplaadstations te implementeren. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Om evaluatie en prototyping met deze microcontrollers te versnellen, kunnen ontwikkelaars gebruikmaken van meerdere ontwikkeltools van Analog Devices, waaronder:

• MAX32655-evaluatieset (MAX32655EVKIT)
• MAX32655-featherboard (MAX32655FTHR)
• MAX32690-evaluatieset (MAX32690EVKIT)
• MAX32690 Arduino-ontwikkelingsplatform met vormfactor (AD-APARD32690-SL)

Een effectievere oplossing voor mixed-signal ontwerpvereisten

Terwijl de MAX32655 en MAX32690 voorzien in de behoefte aan compacte Bluetooth-producten met batterijvoeding, kan met de low-power, mixed-signal MAX32675C-microcontroller van Analog Devices worden voldaan aan de speciale vereisten voor medische en industriële sensortoepassingen.

De MAX32675C biedt een laag stroomverbruik bij het opstarten en tijdens gebruik, samen met de hoge integratieniveaus die steeds vaker vereist zijn in deze toepassingen. Hij combineert de 12 MHz Arm Cortex-M4 processor en FPU met 384 kB flash, 160 kB SRAM en 16 kB cachegeheugen, evenals een precisie analoge front-end (AFE) en HART-modem (afbeelding 5).

Afbeelding 5: De geïntegreerde AFE en HART-modem van de MAX32675C-microcontroller biedt de subsystemen die nodig zijn om te voldoen aan de vereisten voor een kleine voetafdruk en een laag stroomverbruik in industriële en medische sensoren. (Bron afbeelding: Analog Devices)

De AFE communiceert met de processor via een interne seriële periferie-interface (SPI) en biedt een reeks peripherals die gewoonlijk nodig zijn in industriële en medische sensortoepassingen, waaronder een 12-bits digitaal-naar-analoog omzetter (DAC) en dubbele hoge-precisie delta-sigma analoog-naar-digitaal omzetters (ADC’s) die kunnen worden geconfigureerd voor 16 bit of 24 bit. Elke ADC heeft een speciale 1x tot 128x programmeerbare versterker met lage ruis (programmable gain amplifier of PGA) die wordt aangestuurd door een 12-kanaals ingangsmultiplexer welke kan worden geconfigureerd voor 12-kanaals enkelkanaals of 6-kanaals differentiële werking.

De MAX32675C is bijzonder geschikt voor industriële veldinstrumenten met laag stroomverbruik op basis van 4-20 milliampère (mA) sensoren en transmitters. In feite is deze microcontroller expliciet ontworpen om nooit de stroombeperkingen in 4-20mA-toepassingen te overschrijden. Hiermee wordt een veelvoorkomend probleem tijdens het opstarten opgelost, waarbij microcontrollers moeite hadden om de stroombeperkingen te handhaven.

Om een essentiële vereiste van veel bestaande industriële besturingssystemen te ondersteunen, biedt de AFE een complete HART-modem, die de implementatie van industriële veldinstrumenten via een 4-20mA-stroomlus vereenvoudigt (afbeelding 6).

Afbeelding 6: De AFE van de MAX32675C-microcontroller bevat een speciale HART-modem ter ondersteuning van bestaande 4-20mA-veldinstrumenten in typische industriële toepassingen. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Met de MAX32675C kunnen ontwikkelaars van industriële toepassingen eenvoudig veldinstrumenten configureren en aansturen via de SPI-verbinding van de HART-modem met de Arm Cortex-M4.

Samen met documentatie en andere ontwikkeltools biedt Analog Devices de MAX32675C-evaluatieset (MAX32675EVKIT) om het testen en de ontwikkeling van prototypes te versnellen.

Opkomende vereisten voor edge-AI

Om effectieve toepassingen te bouwen op een groeiend aantal gebieden, moeten ontwikkelaars peripherals implementeren die AI-algoritmen efficiënt uitvoeren voor intelligente verwerking van tijdreeksen of herkenning van objecten, woorden of gezichten. De MAX78000 van Analog Devices is speciaal ontworpen om deze mogelijkheden te ondersteunen met behoud van de fundamentele vereiste voor laag stroomverbruik.

Net als de eerder beschreven ultra-low-power microcontrollers is de MAX78000 (afbeelding 7) gebaseerd op een Arm Cortex-M4 met een FPU-processor, 512 kB flash, 128 kB SRAM en 16 kB cachegeheugen om te voldoen aan de kernvereisten voor het uitvoeren van toepassingen. De MAX78000 breidt zijn verwerkingssubsysteem uit met een paar extra bronnen om edge-AI-oplossingen te ondersteunen, waaronder:

• een 32-bits RISC-V-coprocessor die het systeem voorziet van signaalverwerkingsmogelijkheden met ultralaag stroomverbruik,
• een geïntegreerde op hardware gebaseerde versneller voor convolutionele neurale netwerken (CNN) om te voldoen aan de opkomende vraag naar edge-AI-apparaten.

Afbeelding 7: Samen met de Arm Cortex-M4 met FPU en 32-bits RISC-V-processors integreert de MAX78000-microcontroller een CNN-accelerator om de inferentieprestaties in edge-AI-randtoepassingen te verbeteren. (Bron afbeelding: Analog Devices)

De MAX78000 ondersteunt dezelfde energiezuinige bedrijfsmodi en uitschakelmodus die eerder zijn beschreven voor de MAX32655, waarbij de CNN beschikbaar blijft via slaap- en spaarmodi, statusbehoud in micro-voeding, modi voor stand-by en back-up en een uitschakelmodus voor gebruik tijdens opslag en distributie van eindproducten.

Net als bij de andere microcontrollers die hier worden besproken, helpt het hoge integratieniveau van de MAX78000 ontwikkelaars bij de vereisten voor een minimale stuklijst (BOM) en klein eindproduct. Dankzij de geïntegreerde ADC en signaalverwerkingsmogelijkheden kunnen ontwikkelaars de MAX78000 met weinig extra componenten gebruiken om snel edge-AI-toepassingen te implementeren, zoals keyword spotting (KWS) of gezichtsidentificatie (FaceID).

Naast het vereenvoudigen van edge-AI-implementatie, stelt de combinatie van meerdere voedingsmodi, dubbele processors en hardwarematige CNN van de MAX78000 ontwikkelaars in staat om snelle inferentiesnelheden te bereiken met minimaal stroomverbruik. Ingenieurs van Analog Devices hebben de prestaties nauwkeurig onderzocht in een studie naar toepassingen met geoptimaliseerd stroomverbruik op de MAX78000.¹

Als onderdeel van deze studie heeft het technische team het stroomverbruik en de tijd gemeten voor het laden van modelgewichten (kernels), het laden van invoergegevens en het uitvoeren van inferentie voor typische edge-AI-toepassingen. In een casestudy van KWS met 20 sleutelwoorden (KWS20) toonden de resultaten bijvoorbeeld aan dat ontwikkelaars de Arm-processor alleen konden gebruiken om de laadtijd en het stroomverbruik te verminderen terwijl deze in verschillende energiegebruiksmodi van MAX78000 draaide (afbeelding 8).

Afbeelding 8: Een KWS20-casestudy toonde aan dat een hogere kloksnelheid resulteerde in een lager stroomverbruik door kortere laadtijden, vooral wanneer alleen de Arm-processor werd gebruikt. (Bron afbeelding: Analog Devices)

In de studie werd ook het effect op het stroomverbruik en de tijd onderzocht wanneer de Arm-processor en RISC-V-processor inactief waren, waarbij de RISC-V-processor alleen lang genoeg wakker werd om te laden en de CNN te beheren. In deze studie werden de prestaties vergeleken met twee verschillende klokbronnen: de interne primaire oscillator (IPO) van de MAX78000 op 100 MHz en de minder krachtige maar langzamere interne secundaire oscillator (ISO) op 60 MHz. In dit resultaat zorgde een verlaging van de klokfrequentie voor een drastische toename van het stroomverbruik voor zowel laden als inferentie door de langere voltooiingstijd die voor beide nodig is (afbeelding 9).

Afbeelding 9: In de KWS20-casestudy resulteerde het gebruik van hogere klokfrequenties met alleen de RISC-V-processor voor het laden en de CNN-beheertoepassing in een lager stroomverbruik door kortere laad- en inferentietijden. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Dankzij deze studie leerde het team van Analog Devices dat ontwikkelaars snelle inferentie met minimaal stroomverbruik kunnen bereiken door met hogere kloksnelheden te werken, met name met de krachtige Arm-processor, door verstandig gebruik te maken van de energiebesparende bedrijfsmodi van de MAX78000 en door kernels in het geheugen te bewaren om energieverlies tijdens lange laadtijden te voorkomen.

Voor ontwikkelaars die hun eigen edge-AI-oplossingen creëren, biedt Analog Devices een uitgebreide set MAX78000-ontwikkeltools, waaronder de MAX78000EVKIT-evaluatieset en het MAX78000FTHR-featherboard. Naast een ingebouwde digitale microfoon, bewegingssensoren, kleurenscherm en meerdere aansluitmogelijkheden bevat de MAX78000EVKIT een energiemonitorfunctie om ontwikkelaars te helpen het stroomverbruik te optimaliseren.

Voor softwareontwikkeling biedt de CNN-toolset voor de MAX78000 van Analog Devices documentatie, ontwikkelingsgidsen, trainingsvideo’s en softwarecode ter ondersteuning van de evaluatiekit en het featherboard.

Conclusie

Voortbouwend op een efficiënt processorsubsysteem presenteert Analog Devices een set ultra-low-power microcontrollers met functies en mogelijkheden die speciaal zijn ontworpen om de unieke vereisten van toepassingen zoals wearables, hearables, asset tracking, industriële en medische sensoren en edge-AI te ondersteunen. Met behulp van deze microcontrollers en ondersteunende tools kunnen ontwikkelaars snel ontwerpen implementeren die voldoen aan de speciale behoeften van diverse low-power toepassingen.

Referentie:

1. Developing Power-optimized Applications on the MAX78000