利用低功耗微控制器产品组合简化医疗保健和工业物联网设计

来源：Digikey
作者：Stephen Evanczuk

工业、医疗保健和各种物联网 (IoT) 应用的低功耗设计开发人员面临着对基于微控制器的解决方案的持续需求，这些解决方案既要提供丰富的功能，又不能影响紧张的功耗预算。随着开发的进行，为了满足专门的功能要求，他们经常要冒险跨越最大功率阈值。

本文介绍了 Analog Devices 的超低功耗微控制器产品组合如何满足这些要求。

满足专业应用的要求

设计人员必须满足一系列高性能、低功耗的核心要求，才能有效响应客户的期望。在医疗保健、工业和物联网等各种应用领域，这些核心要求通常主导着设计决策，并指导着硬件平台的开发，而这些平台基本上没有区别。因此，设计人员可以快速运用在一个应用领域获得的硬件和软件设计经验，以此来满足另一个应用领域的基本需求。

随着这些领域对日益复杂产品的需求不断增长，设计人员既需要满足专业应用的特殊要求，又不能牺牲满足核心要求的能力，这变得愈发艰难。应用细分市场已开始急剧分化，对连接性、安全性和人工智能 (AI) 提出了独特的要求。

在这些不断变化的需求的推动下，通用硬件平台的概念得以发展，使设计人员依靠增强了专用功能的熟悉处理器集就能够满足高性能和低功耗的核心要求。

为专用功能定制的处理器基础平台

Analog Devices 的超低功耗微控制器产品组合以带浮点单元 (FPU) 的超低功耗 Arm®Cortex®-M4 为核心，为设计人员提供了一个能够满足核心功耗和性能要求的熟悉平台。

为了满足不同应用领域的独特要求，Analog Devices 利用产品组合中四个成员的专用功能定制了这一基础平台，其中包括：

· MAX32655：主要面向需要低功耗蓝牙 (BLE) 连接和更长电池续航时间的应用，同时提供足够的内存和性能。
· MAX32690：主要面向需要 BLE、强大性能和大容量内存的应用。
· MAX32675C：主要面向需要工业和医疗传感器所需的混合信号的应用。
· MAX78000：可满足对智能边缘设备的新兴需求。

解决连接问题

Analog Devices 的 MAX32655 微控制器集成了带 FPU 的 100 MHz Arm Cortex-M4、512 KB 闪存、128 KB 静态随机存取存储器 (SRAM) 和 16 KB 指令缓存，提供典型低功耗应用所需的处理器性能和存储器的有效组合。除了此处理子系统外，该器件还增加了一整套功能模块，用于提供资产跟踪设备、可穿戴设备和医疗保健监测设备通常需要的安全功能、电源管理功能、定时功能以及数字和模拟外设（图 1）。


图 1：MAX32655 微控制器集成了大量外设，可支持需要蓝牙连接、高性能处理和优化功耗的各种应用。（图片来源：Analog Devices）

为了满足不同应用的各种蓝牙连接要求，MAX32655 提供了专用的硬件和软件，以支持全套蓝牙 5.2 功能。除了蓝牙 5.2 无线电外，该微控制器还集成了一个专用的 32 位 RISC-V 协处理器，用于处理时序关键型蓝牙处理任务。该蓝牙子系统可满足新出现的性能需求，支持 2 MB/s 的高吞吐量模式以及速率为 125 KB/s 和 500 KB/s 的远距离模式。两个器件引脚让开发人员可在支持蓝牙的设计中轻松连接片外天线。为了完善蓝牙 5.2 功能并提供应用支持，该器件的运行时蓝牙协议栈可扩展至带 FPU 的 Arm Cortex-M4、RISC-V 和无线电（图 2）。


图 2：在 MAX32655 带 FPU 的 Arm Cortex-M4、RISC-V 和无线电上运行的完整蓝牙 5.2 协议栈支持全套测向、高吞吐量通信和远距离操作功能。（图片来源：Analog Devices）

Analog Devices 的 MAX32690 微控制器提供 120 Mhz 带 FPU 的 Arm Cortex-M4 以及 3 MB 闪存、1 MB SRAM 和 16 KB 缓存，适用于需要强大性能和大内存的应用。除了 MAX32655 中的模拟比较器和数字外设外，MAX32690 还集成了一个 HyperBus/Xccela 总线接口，以便在内存要求超过片上资源时从外部闪存和 SRAM 高速执行任务。与 MAX32655 一样，MAX32690 也集成了一个 32 位 RISC-V 处理器，可用于独立处理并支持蓝牙处理。

为了帮助开发人员优化功耗，上文提到的四款微控制器都支持多种低功耗工作模式。在 MAX32655 和 MAX32690 中，低功耗模式包括：

· 睡眠模式：带 FPU 的 Arm Cortex-M4 (CM4) 和 32 位 RISC-V (RV32) 处于睡眠模式，但外设仍保持开启状态
· 低功耗模式 (LPM)：CM4 处于睡眠状态，并保持状态不变，而 RV32 则保持活动状态，以便从启用的外设移动数据
· 微功耗模式 (UPM)：CM4、RV32 和某些引脚保持其状态，但看门狗定时器、模拟比较器和低功耗 UART 仍可用于唤醒微控制器
· 待机模式：实时时钟保持开启状态，所有外设均保持其状态
· 备份模式：实时时钟保持开启状态，系统内存保持其状态

此外，MAX32655 还提供专为最终产品的储存与配送而设计的掉电模式 (PDM)。在 PDM 模式下，MAX32655 断电，但内部电压监视器则保持工作状态。因此，最终用户只需取下电池保护片或向产品供电，即可快速使基于 MAX32655 的产品通电。

即使对于超低功耗微控制器，这些工作模式也可以通过选择性地关闭不同的硬件模块来提供显著的节能效果。例如，在正常活动工作模式下，MAX32655 在 3.0 V 电压下的功耗仅为 12.9 μA/MHz。在待机模式下，该器件可保持其状态或完全关闭多个模块的电源，从而实现 3.0 V 电压下仅 2.1 μA 的功耗，同时能够在仅 14.7 μs 的时间内恢复工作（图 3）。


图 3：MAX32655 微控制器的不同电源模式（例如此处显示的待机模式）可保持其状态或完全关闭不同硬件子系统的电源，从而在维持运行能力的同时降低功耗。（图片来源：Analog Devices）

除了能以低功耗运行外，这些器件的高度集成还有助于开发人员降低设计复杂性，并满足最小封装要求。例如，MAX32655 的集成式单电感多输出 (SIMO) 开关模式电源只需要一对电感器/电容器。因此，开发人员可以更轻松地创建由单个锂电池供电的紧凑型设计，以满足资产跟踪设备、可穿戴设备、耳戴式设备和类似空间受限产品等应用的封装要求。

例如，对于真无线立体声 (TWS) 耳塞设计，开发人员可以使用 MAX32655 提供有效的解决方案，除编解码器和电池电源管理器件外，所需的其他元器件极少。将 MAX32655 与这些器件和 DS2488 单线双端口链路相结合，即可提供 TWS 耳塞及其充电座的完整设计（图 4）。


图 4：MAX32655 微控制器的集成功能可使设计的占用面积和物料清单最小化，除了编解码器、电源管理器件和 DS2488 单线链路等接口器件外，几乎不需要其他器件就能提供完整的 TWS 耳塞及充电座解决方案。（图片来源：Analog Devices）

为了加快这些微控制器的评估和原型开发，开发人员可以利用 Analog Devices 提供的多种开发资源，包括：

· MAX32655 评估套件 (MAX32655EVKIT)
· MAX32655 Feather 板 (MAX32655FTHR)
· MAX32690 评估套件 (MAX32690EVKIT)
· MAX32690 Arduino 外形尺寸开发平台 (AD-APARD32690-SL)

满足混合信号设计要求的高效解决方案

MAX32655 和 MAX32690 可满足紧凑型电池供电蓝牙产品的需求，而 Analog Devices 的 MAX32675C 低功耗混合信号微控制器则可满足医疗和工业传感器应用的专业要求。

MAX32675C 在启动和运行时功耗低，集成度高，可满足这些应用日益增长的需求。该器件结合了 12 MHz Arm Cortex-M4 处理器和 FPU 与 384 KB 闪存、160 KB SRAM 和 16 KB 缓存以及精密模拟前端 (AFE) 和 HART 调制解调器（图 5）。


图 5：MAX32675C 微控制器的集成 AFE 和 HART 调制解调器提供所需的子系统，可满足工业和医疗传感器对小尺寸和低功耗的要求。（图片来源：Analog Devices）

AFE 通过内部串行外设接口 (SPI) 与处理器通信，提供了一套工业和医疗传感器应用所需的典型外设，包括一个 12 位数模转换器 (DAC)，以及两个可配置为 16 位或 24 位运算的高精度三角积分模数转换器 (ADC)。每个 ADC 都有一个专用的 1 倍至 128 倍低噪声可编程增益放大器 (PGA)，由一个 12 通道输入多路复用器驱动，可配置为 12 通道单端或 6 通道差分运行。

MAX32675C 尤其适用于满足基于 4-20 mA 传感器和发射器的低功耗工业现场仪表的需求。事实上，这款微控制器明确设计为在 4-20 mA 应用中绝不会超过功率限制，从而解决了微控制器在启动过程中难以维持功率限制的常见问题。

为了支持众多现有工业控制系统的基本要求，AFE 提供了完整的 HART 调制解调器，从而简化了通过 4-20 mA 电流回路实施工业现场仪表的过程（图 6）。


图 6：MAX32675C 微控制器的 AFE 包括一个专用的 HART 调制解调器，可支持典型工业应用中现有的 4-20 mA 现场仪表。（图片来源：Analog Devices）

借助 MAX32675C，工业应用开发人员可以通过 HART 调制解调器与 Arm Cortex-M4 的 SPI 连接，轻松配置和控制现场仪表。

除了说明文档和其他开发资源，Analog Devices 还提供了 MAX32675EVKIT MAX32675C 评估套件，以帮助加快测试和原型开发。

满足边缘 AI 的新兴要求

为了在越来越多的领域构建有效的应用，开发人员必须实施边缘设备，以高效执行 AI 算法，实现智能时间序列处理或者物体、文字或人脸识别。Analog Devices 的 MAX78000 专门用于支持这些功能，同时仍满足基本的低功耗要求。

与上文介绍的超低功耗微控制器一样，MAX78000（图 7）基于带 FPU 的 Arm Cortex-M4 处理器、512 KB 闪存、128 KB SRAM 和 16 KB 缓存，可满足核心应用执行要求。为了支持边缘 AI 解决方案，MAX78000 利用一对额外资源增强了其处理子系统，包括：

· 32 位 RISC-V 协处理器，为系统提供超低功耗信号处理能力
· 基于硬件的集成式卷积神经网络 (CNN) 加速器，满足边缘 AI 设备的新兴需求


图 7：除了带 FPU 的 Arm Cortex-M4 和 32 位 RISC-V 处理器外，MAX78000 微控制器还集成了 CNN 加速器，以提高边缘 AI 应用的推理性能。（图片来源：Analog Devices）

与上文介绍的 MAX32655 一样，MAX78000 也支持低功耗工作模式和掉电模式，通过睡眠和低功耗模式使 CNN 保持可用状态，在微功耗、待机和备份模式下保持状态，并且可在最终产品的储存和配送期间使用掉电模式。

与本文讨论的其他微控制器相同，MAX78000 的高度集成有助于开发人员满足物料清单 (BOM) 和最终产品尺寸最小化的要求。利用该器件的集成 ADC 和信号处理功能，开发人员只需使用 MAX78000 以及少量其他元器件，就能快速实现边缘 AI 应用，例如关键字识别 (KWS) 或人脸识别 (FaceID)。

除了简化边缘 AI 的实现过程外，MAX78000 还结合了多种电源模式、双处理器和基于硬件的 CNN，让开发人员能够以最小的功耗实现快速推理。Analog Devices 的工程师在 MAX78000 的功耗优化应用研究中仔细检查了其性能。1

作为该研究的一部分，工程团队测量了典型边缘 AI 应用在加载模型权重（内核）、加载输入数据和执行推理时的能耗和时间。例如，在一项包含 20 个关键字的 KWS (KWS20) 案例研究中，结果显示开发人员可以单独运行 Arm 处理器，以减少加载时间和能耗，同时在不同的 MAX78000 电源工作模式下运行（图 8）。


图 8：KWS20 案例研究应用表明，时钟速度越快，加载时间就越短，能耗就越低，尤其是在仅使用 Arm 处理器的情况下。（图片来源：Analog Devices）

该研究还考察了 Arm 处理器和 RISC-V 处理器在空闲时间处于睡眠状态时对能耗和时间的影响，其中 RISC-V 处理器仅在执行加载和管理 CNN 时才唤醒。在此，研究还比较了使用两种不同时钟源的性能：100 MHz 下的 MAX78000 内部主振荡器 (IPO) 与 60 MHz 下功耗较低但速度较慢的内部辅助振荡器 (ISO)。结果表明，由于加载和推理各自所需的完成时间较长，时钟频率的降低显著增加了加载和推理的能耗（图 9）。


图 9：在 KWS20 案例研究中，由于加载和推理时间较短，仅使用 RISC-V 处理器的较高时钟频率进行加载和 CNN 管理应用可降低能耗。（图片来源：Analog Devices）

根据他们的研究，Analog Devices 团队指出，开发人员可以通过以更高的时钟速率运行（尤其是使用高性能 Arm 处理器时）、合理使用 MAX78000 的低功耗工作模式以及将内核保留在内存中以避免加载时间延长导致损失能量，最终以最低的功耗实现快速推理。

对于创建自己的边缘 AI 解决方案的开发人员，Analog Devices 提供了一整套 MAX78000 开发资源，包括 MAX78000EVKIT 评估套件和 MAX78000FTHR Feather 板。除了板载数字麦克风、运动传感器、彩色显示屏和多种连接选项外，MAX78000EVKIT 还具有电源监测功能，可帮助开发人员优化功耗。

在软件开发方面，Analog Devices 的 MAX78000 CNN 工具存储集库提供了支持评估套件和 Feather 板的说明文档、开发指南、培训视频和软件代码。

结语

在高效处理器子系统的基础上，Analog Devices 推出了一系列超低功耗微控制器，这些器件集成了专为满足可穿戴设备、耳戴式设备、资产跟踪设备、工业和医疗传感器以及边缘 AI 等应用的独特要求而设计的特性和功能。利用这些微控制器和支持资源，开发人员可以快速实现满足各种低功耗应用专业需求的设计。