Utilice una cartera de microcontroladores de bajo consumo para simplificar el diseño del IoT sanitario e industrial.

Los desarrolladores de diseños de bajo consumo para aplicaciones industriales, sanitarias y de Internet de las cosas (IoT) se enfrentan a una demanda continua de soluciones basadas en microcontroladores que ofrezcan una amplia funcionalidad sin comprometer los ajustados presupuestos de energía. A medida que avanza el desarrollo, con frecuencia corren el riesgo de superar los umbrales máximos de potencia para satisfacer requisitos funcionales especializados.

Este artículo muestra cómo la cartera de microcontroladores de consumo ultrabajo de Analog Devices puede satisfacer estos requisitos.

Cumplimiento de los requisitos de aplicaciones especializadas

Los diseñadores deben satisfacer un núcleo de requisitos de alto rendimiento y bajo consumo para responder eficazmente a las expectativas de los clientes. En áreas de aplicación tan diversas como la sanidad, la industria y el IoT, estos requisitos básicos han dominado normalmente las decisiones de diseño y han guiado el desarrollo de plataformas de hardware que son esencialmente indistinguibles. Como resultado, los diseñadores pueden aplicar rápidamente la experiencia en diseño de hardware y software adquirida en un área de aplicación para resolver las necesidades básicas de otra.

Con el aumento de la demanda de productos cada vez más sofisticados en estos ámbitos, para los diseñadores es más difícil satisfacer las demandas particulares de aplicaciones especializadas sin sacrificar su capacidad de satisfacer los requisitos básicos. Los segmentos de aplicaciones han empezado a diferenciarse claramente, con requisitos únicos de conectividad, seguridad e inteligencia artificial (IA).

Impulsado por estas necesidades cambiantes, el concepto de plataforma de hardware común ha evolucionado para permitir a los diseñadores satisfacer los requisitos básicos de alto rendimiento y bajo consumo, al tiempo que se apoyan en un conjunto de procesadores conocido, ampliado con funciones especializadas.

Base de procesadores a medida para funciones especializadas

Los miembros de la cartera de microcontroladores de consumo ultrabajo de Analog Devices, construidos en torno al procesador Arm® Cortex®-M4 de consumo ultrabajo con una unidad de punto flotante (FPU), ofrecen a los diseñadores una plataforma familiar capaz de satisfacer los requisitos de consumo y rendimiento del núcleo.

Para satisfacer los requisitos exclusivos de las diferentes áreas de aplicación, Analog Devices adapta esta base con capacidades especializadas en cuatro miembros de la cartera, que incluyen:

• El MAX32655 se dirige a aplicaciones que requieren conectividad bluetooth de baja energía (BLE) y una mayor duración de la batería, al tiempo que proporciona suficiente memoria y rendimiento.
• El MAX32690 se dirige a aplicaciones que requieren BLE, un rendimiento robusto y una amplia memoria.
• El MAX32675C se dirige a aplicaciones con requisitos de señal mixta necesarios para sensores industriales y médicos.
• El MAX78000 satisface la demanda emergente de dispositivos de borde inteligentes.

Conectividad

El microcontrolador MAX32655 de Analog Devices integra un Arm Cortex-M4 de 100 megahercios (MHz) con FPU, flash de 512 kilobytes (Kbytes), memoria estática de acceso aleatorio (SRAM) de 128 Kbytes y caché de instrucciones de 16 Kbytes para proporcionar la combinación eficaz de rendimiento del procesador y almacenamiento en memoria que requieren las aplicaciones típicas de bajo consumo. Además de este subsistema de procesamiento, el dispositivo añade un completo juego de bloques funcionales para la seguridad, la gestión de la alimentación, la temporización y los periféricos digitales y analógicos que suelen necesitarse en los dispositivos de seguimiento de activos, wearables y de control sanitario (Figura 1).

Figura 1: Con su amplio conjunto de periféricos integrados, el microcontrolador MAX32655 admite una amplia matriz de aplicaciones que requieren conectividad Bluetooth, procesamiento de alto rendimiento y utilización optimizada de la energía. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Para satisfacer los variados requisitos de conectividad Bluetooth de las distintas aplicaciones, MAX32655 proporciona hardware y software dedicados para admitir un conjunto completo de características Bluetooth 5.2. Junto con una radio Bluetooth 5.2, el microcontrolador integra un coprocesador RISC-V de 32 bits dedicado a gestionar las tareas de procesamiento de Bluetooth críticas para el tiempo. Este subsistema Bluetooth satisface las demandas de rendimiento emergentes, ya que admite un modo de alto rendimiento de 2 megabits por segundo (Mbits/s) y un modo de largo alcance con tasas de 125 kilobits por segundo (Kbits/s) y 500 Kbits/s. Dos pines de dispositivo permiten a los desarrolladores conectar de forma sencilla una antena fuera del chip en diseños con Bluetooth. Para completar su funcionalidad Bluetooth 5.2 y ofrecer compatibilidad con aplicaciones, la pila Bluetooth en tiempo de ejecución del dispositivo se extiende a través de Arm Cortex-M4 con FPU, RISC-V y radio (Figura 2).

Figura 2: Al funcionar con el ARM® Cortex®-M4 del MAX32655 con FPU, RISC-V y radio, una pila Bluetooth 5.2 completa admite un completo juego de características para la radiogoniometría, la comunicación de alta tasa de producción y el funcionamiento de largo alcance. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Para aplicaciones con grandes requisitos de rendimiento y memoria, el microcontrolador MAX32690 de Analog Devices ofrece un Arm Cortex-M4 de 120 MHz con FPU junto con una flash de 3 Mbytes, SRAM de 1 Mbyte y memoria caché de 16 Kbytes. Además de los comparadores analógicos y los periféricos digitales del MAX32655, el MAX32690 integra una interfaz de bus HyperBus/Xccela para la ejecución a alta velocidad desde flash y SRAM externas cuando los requisitos de memoria superan los recursos en chip. Al igual que el MAX32655, el MAX32690 integra un procesador RISC-V de 32 bits, disponible para procesamiento autónomo y soporte de procesamiento Bluetooth.

Para ayudar a los desarrolladores a optimizar el consumo de energía, cada uno de los cuatro microcontroladores mencionados admite varios modos de funcionamiento de bajo consumo. En los MAX32655 y MAX32690, los modos de bajo consumo incluyen:

• Reposo, en el que el ARM Cortex-M4 con FPU (CM4) y el RISC-V de 32 bits (RV32) están en modo de reposo, pero los periféricos permanecen encendidos.
• Modo de bajo consumo (LPM), en el que el CM4 está en estado de reposo con retención de estado mientras el RV32 permanece activo para mover los datos de los periféricos habilitados.
• Modo Micro Power (UPM), donde el CM4, RV32, y ciertos pines retienen el estado, pero un temporizador de vigilancia, comparadores analógicos y UART de baja potencia permanecen disponibles para despertar al microcontrolador.
• Modo de espera, en el que el reloj de tiempo real permanece activado y todos los periféricos conservan el estado.
• Copia de seguridad, en la que el reloj de tiempo real permanece encendido y la memoria del sistema conserva su estado.

Además, el MAX32655 ofrece un modo de pérdida de potencia (PDM) diseñado para su uso durante el almacenamiento y la distribución del producto final. En el modo PDM, el MAX32655 está apagado, pero sigue funcionando un monitor de voltaje interno. Como resultado, los usuarios finales pueden encender rápidamente los productos basados en MAX32655 retirando una lengüeta protectora de la batería o aplicando alimentación al producto.

Estos modos de funcionamiento pueden ofrecer un importante ahorro de energía, incluso con microcontroladores de consumo ultrabajo, al apagar selectivamente distintos bloques de hardware. Por ejemplo, el MAX32655 en modo de funcionamiento activo normal consume solo 12.9 Microamperios por megahercio (μA/MHz) a 3.0 voltios. En modo en espera, conserva su estado o apaga completamente varios bloques para lograr un consumo de energía de solo 2.1 μA a 3.0 voltios, al tiempo que permite al dispositivo reanudar el funcionamiento en solo 14.7 microsegundos (μs) (figura 3).

Figura 3: Los diferentes modos de alimentación del microcontrolador MAX32655, como el modo en espera que se muestra aquí, pueden retener el estado o apagar completamente diferentes subsistemas de hardware para reducir el consumo de energía y mantener al mismo tiempo la capacidad operativa. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Además de su bajo consumo, el alto nivel de integración de estos dispositivos ayuda a los desarrolladores a reducir la complejidad del diseño y a cumplir los requisitos de un espacio mínimo. Por ejemplo, la fuente de alimentación de modo de conmutación SIMO (single-inductor multiple-output) integrada del MAX32655 sólo requiere un par inductor/capacitor. Como resultado, los desarrolladores pueden crear más fácilmente diseños compactos alimentados por una sola pila de litio para cumplir los requisitos de embalaje en aplicaciones como el seguimiento de activos, dispositivos para llevar puestos, dispositivos para oír y productos similares con limitaciones de espacio.

Para un diseño de auriculares estéreo inalámbricos (TWS), por ejemplo, los desarrolladores pueden implementar una solución eficaz utilizando el MAX32655 con un mínimo de componentes adicionales más allá de un códec y la gestión de la alimentación de la batería. La combinación de un MAX32655 con estos dispositivos y un enlace de doble puerto DS2488 de 1 cable proporciona un diseño completo para un auricular TWS y su base de carga (Figura 4).

Figura 4: La funcionalidad integrada del microcontrolador MAX32655 permite diseños con una huella y una lista de materiales mínimas, que requieren pocos dispositivos adicionales más allá de un códec, un dispositivo de gestión de energía y un dispositivo de interfaz como el DS2488 1-wire para implementar una solución completa de auriculares TWS y base de carga. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

Para acelerar la evaluación y la creación de prototipos con estos microcontroladores, los desarrolladores pueden aprovechar los múltiples recursos de desarrollo de Analog Devices, entre los que se incluyen:

• Kit de evaluación MAX32655 (MAX32655EVKIT)
• Placa feather MAX32655 (MAX32655FTHR)
• Kit de evaluación MAX32690 (MAX32690EVKIT)
• Plataforma de desarrollo con factor de forma ArduinoMAX32690 (AD-APARD32690-SL)

Una solución más eficaz para los requisitos de diseño de señal mixta

Mientras que los modelos MAX32655 y MAX32690 responden a la necesidad de productos compactos con capacidad Bluetooth alimentados por batería, el microcontrolador de señal mixta de bajo consumo MAX32675C de Analog Devices responde a los requisitos especializados de las aplicaciones de sensores médicos e industriales.

El MAX32675C ofrece un bajo consumo de energía en el arranque y durante el tiempo de funcionamiento, junto con los altos niveles de integración cada vez más necesarios en estas aplicaciones. Combina su procesador Arm Cortex-M4 a 12 MHz y FPU con 384 Kbytes de Flash, 160 Kbytes de SRAM y 16 Kbytes de caché, así como un front-end analógico de precisión (AFE) y un módem HART (Figura 5).

Figura 5: El AFE integrado del microcontrolador MAX32675C y el módem HART proporcionan los subsistemas necesarios para cumplir los requisitos de tamaño reducido y bajo consumo de los sensores industriales y médicos. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

El AFE, que se comunica con el procesador a través de una interfaz periférica serial (SPI) interna, proporciona un conjunto de periféricos típicamente necesarios en aplicaciones de sensores industriales y médicos, incluido un convertidor de digital a analógico (DAC) de 12 bits y convertidores de analógico a digital (ADC) duales delta-sigma de alta precisión que pueden configurarse para un funcionamiento de 16 o 24 bits. Cada ADC tiene un amplificador de ganancia programable (PGA) dedicado de 1x a 128x de bajo ruido accionado por un multiplexor de entrada de 12 canales que puede configurarse para un funcionamiento monofásico de 12 canales o diferencial de 6 canales.

El MAX32675C es especialmente adecuado para satisfacer la demanda de instrumentos de campo industriales de baja potencia basados en sensores y transmisores de 4-20 miliamperios (mA). De hecho, este microcontrolador está explícitamente diseñado para no superar nunca las restricciones de potencia en aplicaciones de 4-20 mA, lo que resuelve un problema habitual durante el arranque en el que los microcontroladores han tenido dificultades para mantener los límites de potencia.

Para dar soporte a un requisito esencial de muchos sistemas de control industrial existentes, el AFE proporciona un módem HART completo, simplificando la implementación de instrumentos de campo industriales sobre un bucle de corriente de 4-20 mA (Figura 6).

Figura 6: El AFE del microcontrolador MAX32675C incluye un módem HART dedicado para admitir instrumentos de campo de 4-20 mA existentes en aplicaciones industriales típicas. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

Con el MAX32675C, los desarrolladores de aplicaciones industriales pueden configurar y controlar fácilmente instrumentos de campo a través de la conexión SPI del módem HART al Arm Cortex-M4.

Junto con la documentación y otros recursos de desarrollo, Analog Devices ofrece el kit de evaluación MAX32675EVKIT MAX32675C para ayudar a acelerar las pruebas y el desarrollo de prototipos.

Cumplimiento de los requisitos emergentes para la IA periférica

Para crear aplicaciones eficaces en un número cada vez mayor de ámbitos, los desarrolladores deben implantar dispositivos de vanguardia que ejecuten con eficacia algoritmos de IA para el procesamiento inteligente de series temporales o el reconocimiento de objetos, palabras o rostros. El MAX78000 de Analog Devices está diseñado específicamente para soportar estas capacidades manteniendo el requisito fundamental de bajo consumo de energía.

Al igual que los microcontroladores de consumo ultrabajo descritos anteriormente, el MAX78000 (Figura 7) se basa en un Arm Cortex-M4 con un procesador FPU, una flash de 512 Kbytes, una SRAM de 128 Kbytes y caché de 16 Kbytes para satisfacer los requisitos de ejecución de aplicaciones básicas. Para respaldar las soluciones de inteligencia artificial de vanguardia, el MAX78000 aumenta su subsistema de procesamiento con un par de recursos adicionales, entre los que se incluyen:

• Coprocesador RISC-V de 32 bits que proporciona al sistema funciones de procesamiento de señales de consumo ultrabajo.
• Un acelerador integrado de redes neuronales convolucionales (CNN) basado en hardware para satisfacer la demanda emergente de dispositivos de IA de vanguardia.

Figura 7: Junto con sus procesadores ARM Cortex-M4 con FPU y RISC-V de 32 bits, el microcontrolador MAX78000 integra un acelerador de CNN para elevar el rendimiento de la inferencia en aplicaciones de IA de vanguardia. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

El MAX78000 admite los mismos modos de funcionamiento de bajo consumo y modo de apagado descritos anteriormente para el MAX32655, con la CNN disponible a través de los modos de suspensión y bajo consumo, retención de estado en los modos de microalimentación, espera y copia de seguridad, y un modo de apagado para su uso durante el almacenamiento y distribución del producto final.

Al igual que el resto de microcontroladores analizados aquí, el alto nivel de integración del MAX78000 ayuda a los desarrolladores a cumplir los requisitos de una lista de materiales (BOM) y un tamaño de producto final mínimos. Gracias a las funciones integradas de ADC y procesamiento de señales del dispositivo, los desarrolladores pueden utilizar el MAX78000 con pocos componentes adicionales para implantar rápidamente aplicaciones de IA de vanguardia como la detección de palabras clave (KWS) o la identificación facial (FaceID).

Además de simplificar la implementación de la IA en los bordes, la combinación de múltiples modos de alimentación, procesadores duales y CNN basada en hardware del MAX78000 permite a los desarrolladores alcanzar una velocidad de inferencia rápida con un consumo de energía mínimo. Los ingenieros de Analog Devices examinaron de cerca el rendimiento en un estudio de aplicaciones de consumo optimizado en el MAX78000.¹

Como parte de este estudio, el equipo de ingeniería midió el consumo de energía y el tiempo de carga de los pesos del modelo (kernels), la carga de los datos de entrada y la realización de inferencias para aplicaciones típicas de IA de borde. Por ejemplo, en un estudio de caso de KWS con 20 palabras clave (KWS20), los resultados mostraron que los desarrolladores podían ejecutar el procesador Arm solo para reducir el tiempo de carga y el consumo de energía mientras se ejecutaba en diferentes modos de operación de energía MAX78000 (Figura 8).

Figura 8: Una aplicación del estudio de caso KWS20 demostró que una mayor velocidad de reloj se traducía en un menor consumo de energía debido a los menores tiempos de carga, sobre todo cuando sólo se utilizaba el procesador Arm. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

El estudio también examinó el efecto sobre el consumo de energía y el tiempo cuando el procesador Arm y el procesador RISC-V estaban en reposo durante el tiempo de inactividad, con el procesador RISC-V despierto sólo el tiempo suficiente para realizar la carga y gestionar la CNN. Aquí, el estudio comparó el rendimiento utilizando dos fuentes de reloj diferentes: el oscilador primario interno (IPO) del MAX78000 a 100 MHz frente al oscilador secundario interno (ISO) de menor potencia pero más lento a 60 MHz. En este resultado, una reducción de la frecuencia de reloj aumentó drásticamente el consumo de energía asociado tanto a la carga como a la inferencia, debido al mayor tiempo de finalización necesario para cada una (Figura 9).

Figura 9: En el estudio de caso de KWS20, el uso de frecuencias de reloj más altas con el procesador RISC-V solo para la carga y la aplicación de gestión de CNN se tradujo en un menor consumo de energía debido a la reducción de los tiempos de carga e inferencia. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Basándose en su estudio, el equipo de Analog Devices observó que los desarrolladores podían lograr una inferencia rápida con un consumo de energía mínimo funcionando a frecuencias de reloj más altas, en particular con el procesador Arm de alto rendimiento, empleando juiciosamente los modos de funcionamiento energético del MAX78000 y reteniendo los núcleos en la memoria para evitar la pérdida de energía durante los tiempos de carga prolongados.

Para los desarrolladores que crean sus propias soluciones de inteligencia artificial de vanguardia, Analog Devices ofrece un completo conjunto de recursos de desarrollo MAX78000, incluido su kit de evaluación MAX78000EVKIT y la placa feather board MAX78000FTHR. Además de un micrófono digital integrado, sensores de movimiento, pantalla en color y múltiples opciones de conexión, el MAX78000EVKIT incluye una función de monitorización de la alimentación para ayudar a los desarrolladores a optimizar el consumo de energía.

Para el desarrollo de software, el repositorio del conjunto de herramientas MAX78000 CNN de Analog Devices ofrece documentación, guías de desarrollo, videos de formación y código de software compatible con el kit de evaluación y la placa feather board.

Conclusión:

Sobre la base de un subsistema de procesador eficiente, Analog Devices presenta un conjunto de microcontroladores de consumo ultrabajo que integra las características y capacidades diseñadas específicamente para dar soporte a los requisitos únicos de aplicaciones como dispositivos de vestir, dispositivos auditivos, seguimiento de activos, sensores industriales y médicos, y edge AI. Con estos microcontroladores y recursos de apoyo, los desarrolladores pueden implantar rápidamente diseños que satisfagan las necesidades especializadas de diversas aplicaciones de bajo consumo.

Referencia:

1. Desarrollo de aplicaciones con potencia optimizada en el MAX78000