Use um portfólio de microcontroladores de baixa potência para simplificar o projeto de IoT industrial e de saúde

Os desenvolvedores de projetos de baixa potência para aplicações industriais, de saúde e diversas aplicações da Internet das Coisas (IoT) enfrentam uma demanda contínua por soluções baseadas em microcontroladores que ofereçam ampla funcionalidade sem comprometer os balanços apertados de energia. À medida que o desenvolvimento avança, eles frequentemente correm o risco de ultrapassar os limites máximos de potência para atender a requisitos funcionais especializados.

Este artigo mostra como o portfólio de microcontroladores de baixíssima potência da Analog Devices pode atender a esses requisitos.

Atendendo aos requisitos das aplicações especializadas

Os projetistas devem atender a um conjunto básico de requisitos de alto desempenho e baixo consumo de energia para responder de forma eficaz às expectativas dos clientes. Em áreas de aplicação tão diversas como saúde, industrial e IoT, esses requisitos essenciais geralmente dominam as decisões de projeto e orientam o desenvolvimento de plataformas de hardware que são essencialmente indistinguíveis. Como resultado, os projetistas podem aplicar rapidamente a experiência de projeto de hardware e software adquirida em uma área de aplicação para atender às necessidades básicas de outra.

Com a crescente demanda por produtos cada vez mais sofisticados nessas áreas, é mais desafiador para os projetistas atender às demandas específicas de aplicações especializadas sem sacrificar sua capacidade de satisfazer os requisitos essenciais. Os segmentos de aplicações começaram a se diferenciar nitidamente, com requisitos exclusivos de conectividade, segurança e inteligência artificial (IA).

Impulsionado por essas necessidades em constante mudança, o conceito de uma plataforma de hardware comum evoluiu para permitir que os projetistas atendam aos principais requisitos de alto desempenho e baixa potência, contando com um conjunto de processadores conhecidos e ampliado por recursos especializados.

Base do processador adaptada para recursos especializados

Construídos com base no Arm® Cortex®-M4 de baixíssima potência com uma unidade de ponto flutuante (FPU), os membros do portfólio de microcontroladores de baixíssima potência da Analog Devices oferecem aos projetistas uma plataforma familiar, capaz de atender aos requisitos de potência e desempenho do núcleo.

Para satisfazer os requisitos exclusivos de diferentes áreas de aplicação, a Analog Devices adapta essa base com recursos especializados em quatro membros do portfólio, incluindo:

• O MAX32655 é voltado para aplicações que exigem conectividade Bluetooth Low Energy (BLE) e vida útil prolongada da bateria, além de fornecer memória e desempenho suficientes.
• O MAX32690 é voltado para aplicações que exigem BLE, desempenho robusto e memória extensa.
• O MAX32675C é voltado para aplicações com requisitos de sinais mistos necessários para sensores industriais e médicos.
• O MAX78000 atende à demanda emergente por dispositivos inteligentes de borda.

Abordagem da conectividade

O microcontrolador MAX32655 da Analog Devices integra um Arm Cortex-M4 de 100 megahertz (MHz) com FPU, 512 quilobytes (Kbytes) de flash, 128 Kbytes de memória estática de acesso aleatório (SRAM) e 16 Kbytes de cache de instruções para fornecer a combinação eficaz de desempenho do processador e armazenamento de memória necessária em aplicações típicas de baixa potência. Além desse subsistema de processamento, o dispositivo acrescenta um conjunto abrangente de blocos funcionais para a segurança, o gerenciamento de energia, a temporização e os periféricos digitais e analógicos, normalmente necessários em dispositivos de rastreamento de ativos, vestíveis e de monitoramento de saúde (Figura 1).

Figura 1: Com seu amplo conjunto de periféricos integrados, o microcontrolador MAX32655 suporta uma ampla gama de aplicações que exigem conectividade Bluetooth, processamento de alto desempenho e utilização otimizada de energia. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Para atender aos diversos requisitos de conectividade Bluetooth de diferentes aplicações, o MAX32655 oferece hardware e software dedicados para suportar um conjunto completo de recursos do Bluetooth 5.2. Aliado a um rádio Bluetooth 5.2, o microcontrolador integra um coprocessador RISC-V de 32 bits, dedicado para lidar com tarefas de processamento de Bluetooth de temporização crítica. Esse subsistema Bluetooth atende às demandas emergentes de desempenho, suportando o modo de alta taxa de transferência de 2 megabits por segundo (Mbits/s) e um modo de longo alcance com taxas de 125 quilobits por segundo (Kbits/s) e 500 Kbits/s. Dois pinos do dispositivo permitem que os desenvolvedores conectem simplesmente uma antena fora do chip em projetos habilitados para Bluetooth. Completando a funcionalidade do Bluetooth 5.2 e fornecendo suporte a aplicações, a pilha Bluetooth em tempo de execução do dispositivo se estende pelo Arm Cortex-M4 com FPU, RISC-V e rádio (Figura 2).

Figura 2: Executado no Arm Cortex-M4 do MAX32655 com FPU, RISC-V e rádio, uma pilha Bluetooth 5.2 completa suporta um conjunto completo de recursos para localização de direção, comunicação de alta taxa de transferência e operação de longo alcance. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Para aplicações com desempenho robusto e requisitos de memória, o microcontrolador MAX32690 da Analog Devices oferece um Arm Cortex-M4 de 120 MHz com FPU, além de 3 Mbytes de flash, 1 Mbyte de SRAM e 16 Kbytes de memória cache. Além dos comparadores analógicos e dos periféricos digitais do MAX32655, o MAX32690 integra uma interface de barramento HyperBus/Xccela para execução em alta velocidade a partir de flash externo e SRAM, quando os requisitos de memória excederem os recursos no chip. Assim como o MAX32655, o MAX32690 integra um processador RISC-V de 32 bits, que está disponível para processamento autônomo e suporte ao processamento Bluetooth.

Para ajudar os desenvolvedores a otimizar o consumo de energia, cada um dos quatro microcontroladores mencionados anteriormente suporta vários modos operacionais de baixa potência. No MAX32655 e no MAX32690, os modos de baixa potência incluem:

• Suspensão, em que o Arm Cortex-M4 com FPU (CM4) e o RISC-V de 32 bits (RV32) estão no modo de suspensão, mas os periféricos permanecem ligados
• Modo de baixa potência (LPM), em que o CM4 está em estado de suspensão com retenção de estado, enquanto o RV32 permanece ativo para mover dados de periféricos habilitados
• Modo de microalimentação (UPM), em que o CM4, o RV32 e determinados pinos mantêm o estado, mas um temporizador watchdog, comparadores analógicos e UART de baixa potência permanecem disponíveis para despertar o microcontrolador
• Em espera, em que o relógio de tempo real permanece ligado e todos os periféricos mantêm o estado
• Backup, em que o relógio de tempo real permanece ligado e a memória do sistema mantém seu estado

Além disso, o MAX32655 oferece um modo de desligamento (PDM), projetado para uso durante o armazenamento e a distribuição do produto final. No modo PDM, o MAX32655 é desligado, mas um monitor de tensão interno permanece operacional. Como resultado, os usuários finais podem ligar rapidamente os produtos baseados no MAX32655, removendo uma aba protetora da bateria ou aplicando energia ao produto.

Esses modos operacionais podem oferecer uma economia significativa de energia, mesmo com microcontroladores de baixíssima potência, desligando seletivamente diferentes blocos de hardware. Por exemplo, o MAX32655 no modo de operação ativo normal consome apenas 12,9 microampères por megahertz (μA/MHz) a 3,0 volts. No modo de espera, ele mantém seu estado ou desliga completamente vários blocos para atingir um consumo de potência de apenas 2,1 μA a 3,0 volts, permitindo que o dispositivo retome a operação em apenas 14,7 microssegundos (μs) (Figura 3).

Figura 3: Os diferentes modos de energia do microcontrolador MAX32655, como o modo de espera mostrado aqui, podem reter o estado ou desligar completamente diferentes subsistemas de hardware para reduzir o consumo de energia e, ao mesmo tempo, manter a capacidade operacional. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Com seus recursos operacionais de baixa potência, o alto nível de integração desses dispositivos ajuda os desenvolvedores a reduzir a complexidade do projeto e a atender aos requisitos de uma pegada mínima. Por exemplo, a fonte de alimentação chaveada integrada SIMO (um indutor, várias saídas) do MAX32655 requer apenas um único par indutor/capacitor. Como resultado, os desenvolvedores podem criar com mais facilidade projetos compactos alimentados por uma única célula de lítio para atender aos requisitos de empacotamento em aplicações como rastreamento de ativos, vestíveis, aparelhos auditivos e produtos similares com restrições de espaço.

Para um projeto de minifone de ouvido verdadeiramente estéreo sem fio (TWS), por exemplo, os desenvolvedores podem implementar uma solução eficaz, usando o MAX32655 com o mínimo de componentes adicionais além de um codec e gerenciamento de energia da bateria. A combinação de um MAX32655 com esses dispositivos e um link de porta dupla de 1 fio DS2488 fornece um projeto completo para um minifone de ouvido TWS e sua base de carregamento (Figura 4).

Figura 4: A funcionalidade integrada do microcontrolador MAX32655 permite projetos com uma pegada e uma lista de materiais mínimos, exigindo poucos dispositivos adicionais além de um codec, um dispositivo de gerenciamento de energia e um dispositivo de interface como o DS2488 de 1 fio para implementar uma solução completa de minifone de ouvido e base de carregamento TWS. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Para acelerar a avaliação e a criação de protótipos com esses microcontroladores, os desenvolvedores podem tirar proveito de vários recursos de desenvolvimento da Analog Devices, incluindo:

• Kit de avaliação do MAX32655(MAX32655EVKIT)
• Placa Feather MAX32655(MAX32655FTHR)
• Kit de avaliação do MAX32690(MAX32690EVKIT)
• Plataforma de desenvolvimento de fator de forma do Arduino MAX32690 (AD-APARD32690-SL)

Uma solução mais eficaz para os requisitos de projeto de sinal misto

Enquanto o MAX32655 e o MAX32690 atendem à necessidade de produtos compactos com capacidade para Bluetooth alimentados por bateria, o microcontrolador de sinal misto de baixa potência MAX32675C da Analog Devices atende aos requisitos especializados para aplicações de sensores médicos e industriais.

O MAX32675C oferece baixo consumo de energia na partida e durante o tempo de funcionamento, com os altos níveis de integração cada vez mais exigidos nessas aplicações. Ele combina seu processador Arm Cortex-M4 de 12 MHz e FPU com 384 Kbytes de flash, 160 Kbytes de SRAM e 16 Kbytes de cache, bem como um front-end analógico de precisão (AFE) e um modem HART (Figura 5).

Figura 5: O AFE e o modem HART integrados do microcontrolador MAX32675C fornecem os subsistemas necessários para atender aos requisitos de pegada reduzida e baixa potência em sensores industriais e médicos. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Comunicando-se com o processador por meio de uma interface periférica serial (SPI) interna, o AFE fornece um conjunto de periféricos normalmente necessários em aplicações de sensores industriais e médicos, incluindo um conversor digital-analógico (DAC) de 12 bits e conversores analógico-digitais (ADCs) duplos delta-sigma de alta precisão que podem ser configurados para operação de 16 ou 24 bits. Cada ADC tem um amplificador de ganho programável (PGA) dedicado de 1x a 128x de baixo ruído, acionado por um multiplexador de entrada de 12 canais que pode ser configurado para operação de 12 canais com terminação simples ou 6 canais diferenciais.

O MAX32675C é particularmente adequado para atender à demanda por instrumentos de campo industriais de baixa potência, baseados em sensores e transmissores de 4-20 miliamperes (mA). De fato, esse microcontrolador foi explicitamente projetado para nunca exceder as restrições de energia em aplicações de 4-20 mA, resolvendo um problema comum durante a partida, em que os microcontroladores têm dificuldade em manter os limites de energia.

Para dar suporte a um requisito essencial de muitos sistemas de controle industrial existentes, o AFE fornece um modem HART completo, simplificando a implementação de instrumentos de campo industriais em uma malha de corrente de 4-20 mA (Figura 6).

Figura 6: O AFE do microcontrolador MAX32675C inclui um modem HART dedicado para dar suporte aos instrumentos de campo de 4-20 mA existentes em aplicações industriais típicas. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Com o MAX32675C, os desenvolvedores de aplicações industriais podem configurar e controlar facilmente os instrumentos de campo por meio da conexão SPI do modem HART com o Arm Cortex-M4.

Aliada a documentação e outros recursos de desenvolvimento, a Analog Devices oferece o kit de avaliação MAX32675EVKIT MAX32675C para ajudar a acelerar os testes e o desenvolvimento de protótipos.

Atendendo aos requisitos emergentes para IA de borda

Para criar aplicações eficazes em uma gama crescente de áreas, os desenvolvedores devem implementar dispositivos de borda que executem com eficiência algoritmos de IA para processamento inteligente de séries temporais ou reconhecimento de objetos, palavras ou rostos. O MAX78000 da Analog Devices foi projetado especificamente para suportar esses recursos e, ao mesmo tempo, manter o requisito fundamental de baixa potência.

Como os microcontroladores de baixíssima potência descritos anteriormente, o MAX78000 (Figura 7) baseia-se em um Arm Cortex-M4 com um processador FPU, 512 Kbytes de flash, 128 Kbytes de SRAM e 16 Kbytes de cache para atender aos requisitos de execução da aplicação principal. Para dar suporte a soluções de IA de borda, o MAX78000 aumenta seu subsistema de processamento com um par de recursos adicionais, incluindo:

• Um coprocessador RISC-V de 32 bits que fornece ao sistema recursos de processamento de sinais com baixíssimo consumo de energia
• Um acelerador de rede neural convolucional (CNN) baseado em hardware integrado para atender à demanda emergente por dispositivos de IA de borda

Figura 7: Junto com seu Arm Cortex-M4 com FPU e processadores RISC-V de 32 bits, o microcontrolador MAX78000 integra um acelerador CNN para aumentar o desempenho da inferência em aplicações de IA de borda. (Fonte da imagem: Analog Devices)

O MAX78000 suporta os mesmos modos de operação de baixa potência e o modo de desligamento descritos anteriormente para o MAX32655, com a CNN permanecendo disponível nos modos de suspensão e de baixa potência, retenção de estado nos modos de microalimentação, espera e backup, e um modo de desligamento para uso durante o armazenamento e a distribuição do produto final.

Assim como os outros microcontroladores discutidos aqui, o alto nível de integração do MAX78000 ajuda os desenvolvedores a atender aos requisitos de uma lista de materiais (BOM) mínima e do tamanho do produto final. Com o ADC integrado do dispositivo e os recursos de processamento de sinais, os desenvolvedores podem usar o MAX78000 com poucos componentes adicionais para implementar rapidamente aplicações de IA de borda, como detecção de palavras-chave (KWS) ou identificação facial (FaceID).

Além de simplificar a implementação da IA de borda, a combinação de vários modos de energia, processadores duplos e CNN baseada em hardware do MAX78000 permite que os desenvolvedores obtenham uma velocidade de inferência rápida com consumo mínimo de energia. Os engenheiros da Analog Devices examinaram atentamente o desempenho em um estudo de aplicações com otimização de energia no MAX78000.¹

Como parte desse estudo, a equipe de engenharia mediu o consumo de energia e o tempo para carregar pesos de modelos (kernels), carregar dados de entrada e realizar inferência para aplicações típicas de IA de borda. Por exemplo, em um estudo de caso do KWS com 20 palavras-chave (KWS20), os resultados mostraram que os desenvolvedores poderiam executar o processador Arm sozinho para reduzir o tempo de carregamento e o consumo de energia durante a execução em diferentes modos de operação de energia do MAX78000 (Figura 8).

Figura 8: Uma aplicação de estudo de caso do KWS20 mostrou que uma velocidade de clock mais alta resultou em menor consumo de energia, devido a tempos de carregamento mais curtos, especialmente quando apenas o processador Arm foi usado. (Fonte da imagem: Analog Devices)

O estudo também examinou o efeito sobre o consumo de energia e o tempo em que o processador Arm e o processador RISC-V ficaram inativos durante o tempo ocioso, com o processador RISC-V despertando apenas o tempo suficiente para executar o carregamento e gerenciar a CNN. Aqui, o estudo comparou o desempenho usando duas fontes de clock diferentes: o oscilador primário interno (IPO) do MAX78000 a 100 MHz versus o oscilador secundário interno (ISO) de menor potência, porém mais lento, a 60 MHz. Nesse resultado, uma redução na frequência do clock aumentou drasticamente o consumo de energia associado ao carregamento e à inferência, devido ao maior tempo de conclusão necessário para cada um (Figura 9).

Figura 9: No estudo de caso do KWS20, o uso de frequências de clock mais altas com o processador RISC-V sozinho para a aplicação de carregamento e gerenciamento da CNN resultou em menor consumo de energia, devido aos tempos mais curtos de carregamento e inferência. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Com base em seu estudo, a equipe da Analog Devices observou que os desenvolvedores poderiam obter inferência rápida com consumo mínimo de energia executando taxas de clock mais altas, especialmente com o processador Arm de alto desempenho, empregando o uso criterioso dos modos de operação de energia do MAX78000 e retendo kernels na memória para evitar a perda de energia durante tempos de carregamento prolongados.

Para os desenvolvedores que criam suas próprias soluções de IA de borda, a Analog Devices oferece um conjunto abrangente de recursos de desenvolvimento do MAX78000, incluindo o kit de avaliação MAX78000EVKIT e a placa Feather MAX78000FTHR. Além de um microfone digital integrado, sensores de movimento, tela colorida e várias opções de conexão, o MAX78000EVKIT inclui um recurso de monitor de energia para ajudar os desenvolvedores a otimizar o consumo de energia.

Para o desenvolvimento de software, o repositório de conjunto de ferramentas CNN do MAX78000 da Analog Devices oferece documentação, guias de desenvolvimento, vídeos de treinamento e código de software que suportam o kit de avaliação e a placa Feather.

Conclusão

Com base em um eficiente subsistema de processador, a Analog Devices apresenta um conjunto de microcontroladores de baixíssima potência que integra os recursos e capacidades projetados especificamente para suportar os requisitos exclusivos de aplicações como vestíveis, aparelhos auditivos, rastreamento de ativos, sensores industriais e médicos, além de IA de borda. Usando esses microcontroladores e recursos de suporte, os desenvolvedores podem implementar rapidamente projetos que atendam às necessidades especializadas de diversas aplicações de baixa potência.

Referência:

1. Desenvolvimento de aplicações com otimização de energia no MAX78000 (em inglês)