Verwenden Sie ein Portfolio von Mikrocontrollern mit niedrigem Stromverbrauch, um das Design im Gesundheitswesen und im industriellen IoT zu vereinfachen

Entwickler von energiesparenden Designs für Industrie-, Gesundheitspflege- und diverse IoT-Anwendungen (Internet der Dinge) sehen sich mit einer anhaltenden Nachfrage nach Mikrocontroller-basierten Lösungen konfrontiert, die umfangreiche Funktionen bieten, ohne das knappe Energiebudget zu gefährden. Im weiteren Verlauf der Entwicklung besteht häufig die Gefahr, dass sie maximale Leistungsgrenzen überschreiten, um spezielle funktionale Anforderungen zu erfüllen.

Dieser Artikel zeigt, wie das Portfolio der Ultra-Low-Power-Mikrocontroller von Analog Devices diese Anforderungen erfüllen kann.

Erfüllung der Anforderungen von Spezialanwendungen

Um den Erwartungen der Kunden gerecht zu werden, müssen Entwickler eine Reihe von Anforderungen an hohe Leistung und geringen Stromverbrauch erfüllen. In so unterschiedlichen Anwendungsbereichen wie dem Gesundheitswesen, der Industrie und dem Internet der Dinge (IoT) haben diese Kernanforderungen in der Regel die Designentscheidungen bestimmt und die Entwicklung von Hardwareplattformen geleitet, die sich im Wesentlichen nicht voneinander unterscheiden. Auf diese Weise können die Entwickler die in einem Anwendungsbereich gewonnene Erfahrung im Hardware- und Softwaredesign schnell auf die grundlegenden Anforderungen eines anderen Bereichs übertragen.

Mit der steigenden Nachfrage nach immer anspruchsvolleren Produkten in diesen Bereichen wird es für die Entwickler immer schwieriger, die besonderen Anforderungen spezieller Anwendungen zu erfüllen, ohne dabei Abstriche bei der Erfüllung der Kernanforderungen zu machen. Die Anwendungssegmente haben begonnen, sich stark zu differenzieren, mit einzigartigen Anforderungen an Vernetzung, Sicherheit und künstliche Intelligenz (KI).

Aufgrund dieser veränderten Anforderungen hat sich das Konzept einer gemeinsamen Hardwareplattform entwickelt, die es den Entwicklern ermöglicht, die Kernanforderungen an hohe Leistung und geringen Stromverbrauch zu erfüllen und sich dabei auf einen vertrauten Prozessorsatz zu stützen, der durch spezielle Funktionen erweitert wird.

Prozessorfundament, zugeschnitten für spezielle Fähigkeiten

Die Mitglieder des Portfolios an Ultra-Low-Power-Mikrocontrollern von Analog Devices, die auf dem stromsparenden Arm®-Cortex®-M4 mit einer Fließkommaeinheit (FPU) basieren, bieten Entwicklern eine vertraute Plattform, die die Anforderungen an Stromverbrauch und Leistung erfüllt.

Um die einzigartigen Anforderungen verschiedener Anwendungsbereiche zu erfüllen, schneidet Analog Devices diese Grundlage mit spezialisierten Fähigkeiten in vier Portfoliomitgliedern zu:

• Der MAX32655 zielt auf Anwendungen ab, die Vernetzung über Bluetooth Low Energy (BLE) und eine längere Akkulaufzeit erfordern und gleichzeitig ausreichend Speicher und Leistung bieten.
• Der MAX32690 zielt auf Anwendungen ab, die BLE, robuste Leistung und einen umfangreichen Speicher erfordern.
• Der MAX32675C zielt auf Anwendungen mit Mischsignal-Anforderungen ab, die für industrielle und medizinische Sensoren benötigt werden.
• Der MAX78000 erfüllt die wachsende Nachfrage nach intelligenten Edge-Geräten.

Adressierung der Vernetzung

Der Mikrocontroller MAX32655 von Analog Devices integriert einen Arm-Cortex-M4 mit 100 Megahertz (MHz) und eine FPU, 512 Kilobyte (KByte) Flash, 128 KByte statischen Direktzugriffsspeicher (SRAM) und 16 KByte Befehls-Cache, um die effektive Kombination aus Prozessorleistung und Speicherkapazität zu bieten, die in typischen Low-Power-Anwendungen erforderlich ist. Über dieses Verarbeitungssubsystem hinaus verfügt das Gerät über einen umfassenden Satz von Funktionsblöcken für Sicherheit, Energieverwaltung, Timing sowie digitale und analoge Peripheriegeräte, die typischerweise für die Verfolgung von Vermögenswerten, Wearables und Überwachungsgeräte im Gesundheitswesen benötigt werden (Abbildung 1).

Abbildung 1: Mit seiner umfangreichen integrierten Peripherie unterstützt der Mikrocontroller MAX32655 ein breites Spektrum von Anwendungen, die Bluetooth-Vernetzung, leistungsstarke Verarbeitung und optimierte Energienutzung erfordern. (Bildquelle: Analog Devices)

Um die vielfältigen Anforderungen verschiedener Anwendungen an die Bluetooth-Vernetzung zu erfüllen, bietet der MAX32655 spezielle Hardware und Software, die alle Bluetooth-5.2-Funktionen unterstützen. Neben einer Bluetooth-5.2-Funkkomponente verfügt der Mikrocontroller über einen dedizierten 32-Bit-RISC-V-Coprozessor, der zeitkritische Bluetooth-Verarbeitungsaufgaben übernimmt. Dieses Bluetooth-Subsystem erfüllt neue Leistungsanforderungen und unterstützt einen Hochdurchsatzmodus mit 2 Megabit pro Sekunde (Mbit/s) sowie einen Langstreckenmodus mit Raten von 125 Kilobit pro Sekunde (Kbit/s) und 500 Kbit/s. Zwei Gerätepins ermöglichen Entwicklern den einfachen Anschluss einer Off-Chip-Antenne in Bluetooth-fähigen Designs. Der Laufzeit-Bluetooth-Stack des Geräts, der die Bluetooth-5.2-Funktionalität vervollständigt und Anwendungsunterstützung bietet, erstreckt sich über den Arm-Cortex-M4 mit FPU, RISC-V und Funk (Abbildung 2).

Abbildung 2: Auf dem Arm-Cortex-M4 des MAX32655 mit FPU, RISC-V und Funkkomponente läuft ein vollständiger Bluetooth-5.2-Stack, der alle Funktionen für die Peilung, die Kommunikation mit hohem Durchsatz und den Betrieb mit großer Reichweite unterstützt. (Bildquelle: Analog Devices)

Für Anwendungen mit hohen Leistungs- und Speicheranforderungen bietet der Mikrocontroller MAX32690 von Analog Devices einen Arm-Cortex-M4 mit 120 MHz und FPU sowie 3 MB Flash, 1 MB SRAM und 16 KB Cache-Speicher. Zusätzlich zu den analogen Komparatoren und der digitalen Peripherie des MAX32655 verfügt der MAX32690 über eine HyperBus/Xccela-Bus-Schnittstelle für die Highspeed-Ausführung von externem Flash und SRAM, wenn die Speicheranforderungen die On-Chip-Ressourcen übersteigen. Wie der MAX32655 verfügt auch der MAX32690 über einen 32-Bit-RISC-V-Prozessor, der für die Standalone-Verarbeitung und die Unterstützung der Bluetooth-Verarbeitung zur Verfügung steht.

Um den Entwicklern bei der Optimierung des Stromverbrauchs zu helfen, unterstützt jeder der vier oben genannten Mikrocontroller mehrere stromsparende Betriebsmodi. Beim MAX32655 und MAX32690 gibt es folgende Stromsparmodi:

• Sleep (Ruhezustand), bei dem sich der Arm-Cortex-M4 mit FPU (CM4) und der 32-Bit-RISC-V (RV32) im Ruhezustand befinden, die Peripheriekomponenten aber eingeschaltet bleiben
• Low-Power Mode (LPM), bei dem sich der CM4 im Ruhezustand befindet und den Status beibehält, während der RV32 aktiv bleibt, um Daten von aktivierten Peripheriekomponenten zu übertragen
• Micro Power Mode (UPM), bei dem CM4, RV32 und bestimmte Pins ihren Zustand beibehalten, aber ein Watchdog-Timer, analoge Komparatoren und ein stromsparender UART zum Aufwecken des Mikrocontrollers verfügbar bleiben
• Standby, wobei die Echtzeituhr eingeschaltet bleibt und alle Peripheriekomponenten ihren Zustand beibehalten
• Backup, bei dem die Echtzeituhr eingeschaltet bleibt und der Systemspeicher seinen Zustand beibehält

Darüber hinaus bietet der MAX32655 einen Power Down Mode (PDM), der für den Einsatz während der Lagerung und Verteilung von Endprodukten entwickelt wurde. Im PDM-Modus ist der MAX32655 ausgeschaltet, aber ein interner Spannungsmonitor bleibt in Betrieb. Daher können Endanwender MAX32655-basierte Produkte schnell einschalten, indem sie eine schützende Batterielasche entfernen oder das Produkt auf andere Weise mit Strom versorgen.

Diese Betriebsarten können selbst bei Ultra-Low-Power-Mikrocontrollern durch selektives Abschalten verschiedener Hardwareblöcke erhebliche Energieeinsparungen ermöglichen. So verbraucht der MAX32655 im normalen aktiven Betriebsmodus nur 12,9 Mikroampere pro Megahertz (μA/MHz) bei 3,0 Volt. Im Standby-Modus behält er seinen Zustand bei oder schaltet mehrere Blöcke vollständig ab, um einen Stromverbrauch von nur 2,1 μA bei 3,0 Volt zu erreichen, während das Gerät den Betrieb in nur 14,7 Mikrosekunden (μs) wieder aufnehmen kann (Abbildung 3).

Abbildung 3: Die verschiedenen Stromversorgungsmodi des MAX32655-Mikrocontrollers, wie z. B. der hier gezeigte Standby-Modus, können den Zustand verschiedener Hardware-Subsysteme beibehalten oder diese komplett abschalten, um den Stromverbrauch zu senken und gleichzeitig die Betriebsfähigkeit zu erhalten. (Bildquelle: Analog Devices)

Neben den stromsparenden Betriebsfunktionen hilft der hohe Integrationsgrad dieser Komponenten den Entwicklern, die Designkomplexität zu reduzieren und die Anforderungen an einen minimalen Platzbedarf zu erfüllen. Das integrierte SIMO-Schaltnetzteil (Single-Inductor Multiple-Output) des MAX32655 benötigt zum Beispiel nur ein einziges Induktivität/Kondensator-Paar. Dadurch können Entwickler leichter kompakte Designs entwerfen, die mit einer einzigen Lithiumzelle betrieben werden, um die Anforderungen an das Gehäuse für Anwendungen wie Bestandsüberwachung, Wearables, Hearables und ähnliche platzbeschränkte Produkte zu erfüllen.

Für ein echtes Wireless-Stereo-Design (TWS) beispielsweise können Entwickler mit dem MAX32655 eine effektive Lösung mit minimalen zusätzlichen Komponenten jenseits eines Codecs und eines Batterie-Energiemanagements implementieren. Die Kombination eines MAX32655 mit diesen Bausteinen und einem 1-Draht-Dual-Port-Link DS2488 ergibt ein komplettes Design für einen TWS-Ohrhörer und seine Ladestation (Abbildung 4).

Abbildung 4: Die integrierte Funktionalität des Mikrocontrollers MAX32655 ermöglicht Designs mit minimalem Platzbedarf und minimaler Stückliste. Neben einem Codec, einem Energiemanagement-Baustein und einem 1-Draht-Schnittstellenbaustein wie dem DS2488 sind nur wenige zusätzliche Bausteine erforderlich, um eine komplette TWS-Ohrhörer- und Ladestation zu implementieren. (Bildquelle: Analog Devices)

Um die Evaluierung und das Prototyping mit diesen Mikrocontrollern zu beschleunigen, können Entwickler die Vorteile mehrerer Entwicklungsressourcen von Analog Devices nutzen, darunter:

• MAX32655-Evaluierungskit (MAX32655EVKIT)
• MAX32655-Feather-Board (MAX32655FTHR)
• MAX32690-Evaluierungskit (MAX32690EVKIT)
• MAX32690-Entwicklungsplattform im Arduino-Format (AD-APARD32690-SL)

Eine effektivere Lösung für Mischsignal-Designanforderungen

Während der MAX32655 und der MAX32690 den Bedarf an kompakten, batteriebetriebenen Bluetooth-fähigen Produkten abdecken, ist der stromsparende Mischsignal-Mikrocontroller MAX32675C von Analog Devices auf die speziellen Anforderungen von medizinischen und industriellen Sensoranwendungen ausgerichtet.

Der MAX32675C bietet einen geringen Stromverbrauch beim Einschalten und während der Laufzeit sowie ein hohes Maß an Integration, wie es in diesen Anwendungen zunehmend erforderlich ist. Er kombiniert seinen 12-MHz-Arm-Cortex-M4-Prozessor und die FPU mit 384 KByte Flash, 160 KByte SRAM und 16 KByte Cache sowie einem analogen Präzisions-Frontend (AFE) und einem HART-Modem (Abbildung 5).

Abbildung 5: Das integrierte AFE und das HART-Modem des Mikrocontrollers MAX32675C bieten die Subsysteme, die erforderlich sind, um die Anforderungen an einen kleinen Footprint und einen geringen Stromverbrauch in industriellen und medizinischen Sensoren zu erfüllen. (Bildquelle: Analog Devices)

Das AFE kommuniziert mit dem Prozessor über eine interne serielle Peripherieschnittstelle (SPI) und bietet eine Reihe von Peripheriekomponenten, die typischerweise in industriellen und medizinischen Sensoranwendungen benötigt werden, darunter einen 12-Bit-Digital/Analog-Wandler (DAC) und zwei hochpräzise Delta-Sigma-Analog/Digital-Wandler (ADCs), die für 16- oder 24-Bit-Betrieb konfiguriert werden können. Jeder ADC verfügt über einen dedizierten rauscharmen programmierbaren Verstärker (PGA, Verstärkung von 1x bis 128x), der von einem 12-Kanal-Eingangsmultiplexer angesteuert wird, der für einen referenzbezogen Betrieb mit 12 Kanälen oder einen 6-Kanal-Differenzbetrieb konfiguriert werden kann.

Der MAX32675C ist besonders gut geeignet, um die Nachfrage nach industriellen Feldinstrumenten mit geringem Stromverbrauch zu befriedigen, die auf Sensoren und Transmittern für 4 bis 20 Milliampere (mA) basieren. Tatsächlich ist dieser Mikrocontroller explizit so konzipiert, dass er in Anwendungen für 4 bis 20 mA niemals die Leistungsbegrenzungen überschreitet. Damit wird ein häufiges Problem bei der Inbetriebnahme gelöst, bei dem Mikrocontroller Schwierigkeiten hatten, die Leistungsbegrenzungen einzuhalten.

Um eine wesentliche Anforderung vieler bestehender industrieller Steuersysteme zu unterstützen, bietet das AFE ein komplettes HART-Modem, das die Implementierung von industriellen Feldinstrumenten über eine Stromschleife für 4 bis 20 mA vereinfacht (Abbildung 6).

Abbildung 6: Das AFE des Mikrocontrollers MAX32675C enthält ein dediziertes HART-Modem zur Unterstützung vorhandener Feldgeräte für 4 bis 20 mA in typischen Industrieanwendungen. (Bildquelle: Analog Devices)

Mit dem MAX32675C können Entwickler industrieller Anwendungen Feldgeräte über die SPI-Verbindung des HART-Modems zum Arm-Cortex-M4 einfach konfigurieren und steuern.

Neben der Dokumentation und anderen Entwicklungsressourcen bietet Analog Devices das MAX32675C-Evaluierungskit MAX32675EVKIT an, um die Tests und die Entwicklung von Prototypen zu beschleunigen.

Erfüllung neuer Anforderungen für Edge AI

Um effektive Anwendungen in einer wachsenden Zahl von Bereichen zu entwickeln, müssen Entwickler Edge-Geräte implementieren, die KI-Algorithmen für die intelligente Verarbeitung von Zeitreihen oder die Erkennung von Objekten, Wörtern oder Gesichtern effizient ausführen. Der MAX78000 von Analog Devices wurde speziell dafür entwickelt, diese Fähigkeiten zu unterstützen und gleichzeitig die grundlegende Anforderung an einen niedrigen Stromverbrauch zu erfüllen.

Wie die zuvor beschriebenen Ultra-Low-Power-Mikrocontroller basiert der MAX78000 (Abbildung 7) auf einem Arm-Cortex-M4 mit einem FPU-Prozessor, 512 KByte Flash, 128 KByte SRAM und 16 KByte Cache, um die Kernanforderungen an die Anwendungsausführung zu erfüllen. Zur Unterstützung von Edge-AI-Lösungen erweitert der MAX78000 sein Verarbeitungssubsystem um zwei zusätzliche Ressourcen, darunter:

• Ein 32-Bit-RISC-V-Coprozessor, der das System mit Signalverarbeitungsfunktionen mit extrem niedrigem Stromverbrauch ausstattet
• Ein integrierter hardwarebasierter CNN-Beschleuniger (Convolutional Neural Network), um die steigende Nachfrage nach Edge-AI-Geräten zu decken

Abbildung 7: Neben dem Arm-Cortex-M4 mit FPU und 32-Bit-RISC-V-Prozessoren ist in den Mikrocontroller MAX78000 ein CNN-Beschleuniger integriert, der die Inferenzleistung in Edge-AI-Anwendungen erhöht. (Bildquelle: Analog Devices)

Der MAX78000 unterstützt dieselben stromsparenden Betriebsmodi und den Power-Down-Modus, die bereits für den MAX32655 beschrieben wurden. Der CNN bleibt im Sleep- und Low-Power-Modus verfügbar, behält seinen Zustand im Micro-Power-, Standby- und Backup-Modus bei und verfügt über einen Power-Down-Modus für den Einsatz während der Lagerung und Verteilung von Endprodukten.

Wie bei den anderen hier besprochenen Mikrocontrollern hilft der hohe Integrationsgrad des MAX78000 den Entwicklern, die Anforderungen an eine minimale Stückliste (BOM) und Endproduktgröße zu erfüllen. Mit dem integrierten ADC und den Signalverarbeitungsfunktionen des Bausteins können Entwickler den MAX78000 mit nur wenigen zusätzlichen Komponenten verwenden, um KI-Anwendungen wie Schlüsselworterkennung (KWS) oder Gesichtserkennung (FaceID) schnell zu implementieren.

Neben der Vereinfachung der Edge-AI-Implementierung ermöglicht die Kombination aus mehreren Stromversorgungsmodi, Dualprozessoren und hardwarebasiertem CNN des MAX78000 Entwicklern eine schnelle Inferenzgeschwindigkeit bei minimalem Stromverbrauch. Die Ingenieure von Analog Devices haben in einer Studie über stromverbrauchsoptimierte Anwendungen mit dem MAX78000 die Leistung genau untersucht.¹

Im Rahmen dieser Studie hat das Entwicklungsteam den Energieverbrauch und die Zeit für das Laden von Modellgewichten (Kernels), das Laden von Eingabedaten und die Durchführung von Schlussfolgerungen für typische Edge-AI-Anwendungen gemessen. In einer Fallstudie zu KWS mit 20 Schlüsselwörtern (KWS20) zeigten die Ergebnisse beispielsweise, dass die Entwickler den Arm-Prozessor allein betreiben können, um die Ladezeit und den Energieverbrauch zu reduzieren, während er in verschiedenen MAX78000-Stromversorgungsmodi läuft (Abbildung 8).

Abbildung 8: Eine KWS20-Fallstudienanwendung zeigte, dass eine höhere Taktfrequenz zu einem geringeren Energieverbrauch aufgrund kürzerer Ladezeiten führte, insbesondere wenn nur der Arm-Prozessor verwendet wurde. (Bildquelle: Analog Devices)

Die Studie untersuchte auch die Auswirkungen auf den Energieverbrauch und die Zeit, wenn der Arm-Prozessor und der RISC-V-Prozessor während der Leerlaufzeit schliefen, wobei der RISC-V-Prozessor nur so lange aufgeweckt wurde, bis er geladen und das CNN verwaltet wurde. In dieser Studie wurde die Leistung mit zwei verschiedenen Taktquellen verglichen: dem internen primären Oszillator (IPO) des MAX78000 mit 100 MHz und dem energiesparenden, aber langsameren internen sekundären Oszillator (ISO) mit 60 MHz. Bei diesem Ergebnis führte eine Verringerung der Taktfrequenz zu einem drastischen Anstieg des Energieverbrauchs sowohl beim Laden als auch bei der Inferenz, da für beide Vorgänge mehr Zeit benötigt wurde (Abbildung 9).

Abbildung 9: In der KWS20-Fallstudie führte die Verwendung höherer Taktfrequenzen mit dem RISC-V-Prozessor allein für die Lade- und CNN-Verwaltungsanwendung zu einem geringeren Energieverbrauch aufgrund kürzerer Lade- und Inferenzzeiten. (Bildquelle: Analog Devices)

Auf der Grundlage ihrer Studie stellte das Team von Analog Devices fest, dass Entwickler eine schnelle Inferenz bei minimalem Stromverbrauch erreichen können, wenn sie mit höheren Taktraten arbeiten, insbesondere mit dem leistungsstarken Arm-Prozessor, wenn sie die Stromsparmodi des MAX78000 sinnvoll nutzen und wenn sie Kernel im Speicher halten, um Energieverluste während langer Ladezeiten zu vermeiden.

Für Entwickler, die ihre eigenen KI-Lösungen entwickeln, bietet Analog Devices ein umfassendes Set an MAX78000-Entwicklungsressourcen an, darunter das Evaluierungskit MAX78000EVKIT und das Feather-Board MAX78000FTHR. Neben einem integrierten digitalen Mikrofon, Bewegungssensoren, einem Farbdisplay und mehreren Anschlussmöglichkeiten verfügt das MAX78000EVKIT über eine Stromüberwachungsfunktion, mit der Entwickler den Stromverbrauch optimieren können.

Für die Softwareentwicklung bietet das MAX78000 CNN-Toolset-Repository von Analog Devices Dokumentation, Entwicklungsleitfäden, Schulungsvideos und Softwarecode zur Unterstützung des Evaluierungskits und des Feather-Boards.

Fazit

Auf der Grundlage eines effizienten Prozessor-Subsystems präsentiert Analog Devices eine Reihe von Ultra-Low-Power-Mikrocontrollern, die speziell für die besonderen Anforderungen von Anwendungen wie Wearables, Hearables, Bestandsüberwachung, industrielle und medizinische Sensoren sowie Edge AI entwickelt wurden. Mit diesen Mikrocontrollern und unterstützenden Ressourcen können Entwickler schnell Designs implementieren, die die speziellen Anforderungen verschiedener energiesparender Anwendungen erfüllen.

Referenz:

1. Developing Power-optimized Applications on the MAX78000