השתמש בסל מוצרי מיקרו-בקר‏ הספק-נמוך כדי לפשט תכני מכשור רפואי ו-IoT תעשייתי

מפתחים של תכני הספק-נמוך עבור יישומי תעשייה, מכשור רפואי ואינטרנט של דברים (IoT) מגוונים מתמודדים עם ביקוש מתמשך לפתרונות מבוססי מיקרו-בקר המציעים פונקציונליות נרחבת מבלי להתפשר על תקציבי הספק מצומצמים. ככל שהפיתוח מתקדם הם מסתכנים לעתים קרובות בחציית ספי הספק מרביים כדי לספק דרישות פונקציונליות מיוחדות.

מאמר זה מציג כיצד סל המוצרים של מיקרו-בקרי הספק-אולטרה-נמוך מבית Analog Devices יכול לספק דרישות אלו.

עמידה בדרישות של יישומים מיוחדים

מתכננים חייבים לספק סט דרישות ליבה של ביצועים-עיליים וצריכת-הספק נמוכה כדי להענות ביעילות לציפיות לקוחות. בתחומי יישומים מגוונים כמו מכשור רפואי, תעשייה ו-IoT, דרישות ליבה אלו שלטו בדרך כלל בהחלטות תכנון והנחו את הפיתוח של‏ פלטפורמות חומרה שבעיקרן לא ניתן להבדיל ביניהן. כתוצאה מכך, מתכננים יכולים ליישם במהירות ניסיון בתכנון חומרה ותוכנה שהושג בתחום יישום אחד כדי לענות על הצרכים הבסיסיים של תחום יישום אחר.

עם הביקוש הגובר למוצרים מתוחכמים יותר ויותר בתחומים אלה,‏ מאתגר יותר למתכננים לעמוד בדרישות הספציפיות של יישומים מיוחדים מבלי להקריב את יכולתם לספק את דרישות הליבה. מגזרי היישומים החלו להיבדל בחדות, עם דרישות קישוריות, אבטחה ובינה מלאכותית (AI) מיוחדות.

מונע על ידי צרכים משתנים אלה, הרעיון של פלטפורמת חומרה משותפת התפתח כדי לאפשר למתכננים לעמוד בדרישות הליבה לביצועים עיליים והספק נמוך תוך הסתמכות על סט מעבדים מוכר המורחב ביכולות מיוחדות.

בסיס מעבד מותאם ליכולות מיוחדות

בנויים סביב ה-Arm® Cortex®-M4 הספק-אולטרה-נמוך עם יחידת נקודה צפה (FPU), חברי סל מוצרי המיקרו-בקרים בעלי ההספק האולטרה-נמוך של Analog Devices מציעים למתכננים פלטפורמה מוכרת המסוגלת לעמוד בדרישות הליבה של הספק וביצועים.

כדי לספק את הדרישות הייחודיות של תחומי יישום שונים, Analog Devices‏ מתאימה את הבסיס הזה עם יכולות מיוחדות בארבעה חברי סל המוצרים, כולל:

• ה-MAX32655 מכוון ליישומים הדורשים קישוריות Bluetooth Low Energy‏ (BLE)‏ וחיי סוללה ארוכים יותר תוך אספקת מספיק זיכרון וביצועים.
• ה-MAX32690 מכוון ליישומים הדורשים BLE‏, ביצועים איתנים וזיכרון נרחב.
• ה-MAX32675C מכוון ליישומים עם דרישות אותות מעורבים הנחוצים עבור חיישנים תעשייתיים ורפואיים.
• ה-MAX78000‏ עונה על הביקוש המתעורר להתקני קצה חכמים.

טיפול בקישוריות

מיקרו-בקר MAX32655 של Analog Devices משלב Arm Cortex-M4 ‏100 מגה-הרץ (MHz) עם FPU,‏ 512 קילו-בייט (Kbytes) זיכרון Flash,‏ ‎128 Kbytes זיכרון סטטי בעל גישה אקראית (SRAM) ו-‎16 Kbytes מטמון הוראות (instruction cache) כדי לספק את השילוב היעיל של ביצועי מעבד ואחסון זיכרון הדרושים ביישומי הספק-נמוך אופייניים. מעבר לתת-מערכת עיבוד זו, ההתקן מוסיף קבוצה מקיפה של בלוקים פונקציונליים עבור האבטחה, ניהול ההספק, התזמון והרכיבים ההיקפיים הדיגיטליים והאנלוגיים הדרושים בדרך כלל בהתקנים לבישים, מעקב נכסים וניטור בריאותי (איור 1).

איור 1‏: עם הסט הנרחב של רכיבים היקפיים משולבים שלו, מיקרו-בקר ה-MAX32655 תומך במערך‏ רחב של‏ יישומים הדורשים קישוריות Bluetooth‏, עיבוד ביצועים-עיליים וניצול אופטימלי של צריכת הספק. (מקור תמונה: Analog Devices)

כדי לעמוד בדרישות הקישוריות Bluetooth השונות של יישומים שונים, ה-MAX32655 מספק חומרה ותוכנה ייעודיות כדי לתמוך במערך שלם של מאפייני Bluetooth 5.2. יחד עם רדיו Bluetooth 5.2, המיקרו-בקר משלב מעבד-עזר RISC-V ייעודי 32‎-bit כדי לטפל במשימות עיבוד Bluetooth קריטיות לתזמון. תת-מערכת Bluetooth זו עונה על דרישות ביצועים מתפתחות, תומכת במצב עבודה תפוקה-גבוהה של 2 מגה-ביט לשנייה (Mbits/s) ומצב עבודה טווח-גדול עם קצבים של 125 קילו-ביט לשנייה (Kbits/s) ו-500‎ Kbits/s. שני פיני התקן מאפשרים למפתחים לחבר פשוט אנטנה מחוץ לשבב בתכנים מאופשרי Bluetooth‏. השלמת הפונקציונליות Bluetooth 5.2 שלו והענקת תמיכה ביישומים, מחסנית ה- Bluetooth זמן-ריצה של ההתקן משתרעת על פני ה-Arm Cortex-M4‏ עם FPU,‏ RISC-V‏ ורדיו (איור 2‏).

איור 2‏: מחסנית Bluetooth 5.2‏ שלמה הרצה על ה-ARM Cortex-M4 עם FPU,‏ RISC-V ורדיו של MAX32655 תומכת בסט שלם של‏ מאפיינים למציאת כיוון, תקשורת תפוקה-גבוהה ועבודה בטווח-גדול. (מקור תמונה: Analog Devices)

עבור יישומים עם דרישות ביצועים איתנים וזיכרון, מיקרו-בקר MAX32690 של Analog Devices‏ מציע‏ ‎120 MHz Arm Cortex-M4‏ עם FPU יחד עם ‎3 Mbytes‏ זיכרון Flash‏, Mbyte‏ 1‏ זיכרון SRAM‏ ו-‎16 Kbytes זיכרון מטמון (Cache). בנוסף למשוונים האנלוגיים וציוד היקפי דיגיטלי ב-MAX32655, ה-MAX32690 משלב ממשק אפיק HyperBus/Xccela עבור ביצועי מהירות-גבוהה מ-Flash ו-SRAM חיצוניים כשדרישות לזיכרון עולות על משאבי השבב. כמו ה-MAX32655, ה-MAX32690 משלב מעבד ‎32-bit RISC-V, שזמין עבור עיבוד עצמאי ותמיכה בעיבוד Bluetooth.

כדי לסייע למפתחים למטב את צריכת ההספק, כל אחד מארבעת המיקרו-בקרים שהוזכרו קודם לכן תומך במספר מצבי עבודה בהספק נמוך. ב-MAX32655 ו-MAX32690, מצבי העבודה בהספק נמוך כוללים:

• מצב שינה, בו ה-Arm Cortex-M4‏ עם FPU‏ (CM4‏) ו-32‎-bit RISC-V‏ (RV32) נמצאים במצב שינה, אך הרכיבים ההיקפיים נשארים במצב מופעל
• מצב הספק-נמוך (LPM‏), שבו ה-CM4‏ נמצא במצב‏ שינה עם שמירה על המצב בעוד ה-RV32 נשאר אקטיבי כדי להעביר נתונים מרכיבים היקפיים מאופשרים
• מצב Micro Power‏‏ (UPM), שבו ה-CM4‏, ‏RV32 ופינים מסוימים שומרים על המצב, אך‏ קוצב-זמן watchdog, משוונים אנלוגיים ו-UART הספק-נמוך ‏נשארים זמינים כדי להעיר את המיקרו-בקר
• מצב המתנה, שבו שעון הזמן-אמת נשאר מופעל, וכל הרכיבים ההיקפיים שומרים על המצב
• מצב גיבוי, שבו שעון הזמן-אמת נשאר מופעל, וזיכרון המערכת שומר על מצבו

נוסף לכך, ה-MAX32655 מציע מצב‏ כבוי‏ (PDM), שמיועד לשימוש במהלך אחסון והפצה של מוצר סופי. במצב PDM, ה-MAX32655‏ מכובה, אבל מנטר מתח פנימי נשאר פעיל. כתוצאה מכך, משתמשי קצה יכולים להפעיל במהירות מוצרים מבוססי Max32655 על-ידי הסרת לשונית של הגנת סוללה או אחרת, החלת מתח על המוצר.

מצבי הפעלה אלה יכולים להציע חיסכון הספק משמעותי אפילו במיקרו-בקרים בעלי הספק-אולטרה-נמוך על-ידי כיבוי סלקטיבי של בלוקי חומרה שונים. לדוגמה, ה-MAX32655 במצב עבודה פעיל, נורמלי, צורך רק 12.9 מיקרו-אמפר למגה-הרץ (μA/MHz‏) ב-3.0 וולט. במצב המתנה, הוא שומר על מצבו או מכבה לחלוטין כמה בלוקים כדי להשיג צריכת הספק של‏ ‎2.1 μA בלבד ב-3.0 וולט, תוך מתן אפשרות להתקן לחדש את פעולתו תוך 14.7 מיקרו-שניות (μs‏) בלבד (איור 3‏).

איור 3: מצבי צריכת הספק שונים של מיקרו-בקר MAX32655, כמו מצב המתנה המוצג כאן, יכול לשמור על המצב או לכבות לחלוטין תת-מערכות חומרה שונות כדי להפחית צריכת הספק תוך שמירה על יכולת תפעולית. (מקור תמונה: Analog Devices)

יחד עם יכולות ההפעלה שלהם בהספק נמוך, רמת האינטגרציה הגבוהה של התקנים אלה מסייעת למפתחים להפחית את מורכבות התכנון ולעמוד בדרישות לחתימת-שטח מינימלית. לדוגמה, ספק-הכוח הממותג המשולב משרן-יחיד יציאות-מרובות (SIMO) של ה-MAX32655 דורש משרן אחד/זוג קבלים בלבד. כתוצאה מכך, מפתחים יכולים ליצור בקלות רבה יותר תכנים קומפקטיים המופעלים על ידי תא ליתיום יחיד כדי לעמוד בדרישות המארז ביישומים כגון מעקב נכסים, התקנים לבישים, מכשירי שמיעה ומוצרים דומים המוגבלים במקום.

לדוגמה, עבור תכנון אוזנית סטריאו אלחוטית‏ אמיתית (TWS), מפתחים יכולים ליישם פתרון יעיל תוך שימוש ב-MAX32655 עם מספר מינימלי של רכיבים נוספים מעבר למקודד/מפענח וניהול צריכת הספק סוללה. שילוב של‏ MAX32655 עם התקנים אלה וקישור חוט-אחד שתי-יציאות‏ DS2488 מספק‏ תכן שלם לאוזנית‏ TWS ולעריסת הטעינה שלה (איור 4‏).

איור 4‏: הפונקציונליות המשולבת של המיקרו-בקר MAX32655 מאפשרת תכנים ‏עם חתימת-שטח ומפרט חומרים (BOM) מינימליים, הדורשים מספר קטן של התקנים נוספים מעבר למקודד/מפענח, התקן‏ ניהול הספק והתקן ממשק כגון ה-DS2488 חוט-יחיד כדי לממש פתרון אוזנית TWS שלם ועריסת טעינה. (מקור תמונה: Analog Devices)

כדי להאיץ הערכה ואב טיפוס עם מיקרו-בקרים אלה, מפתחים יכולים לנצל משאבי פיתוח מרובים של Analog Devices, כולל:

• ‏‏ערכת הערכה MAX32655 ‏(MAX32655EVKIT)
• לוח Feather‏ MAX32655 ‏(MAX32655FTHR)‏
• ‏‏ערכת הערכה MAX32690 ‏(MAX32690EVKIT)
• פלטפורמת פיתוח גורם-צורה Arduino‏ MAX32690‏ (AD-APARD32690-SL)‏

פתרון יעיל יותר לדרישות תכנון אותות מעורבים

בעוד ה-MAX32655 ו-MAX32690 עונים על הצורך במוצרים קומפקטיים מוזני סוללה עם יכולת Bluetooth, מיקרו-בקר לאותות מעורבים בהספק נמוך MAX32675C של Analog Devices עונה על הדרישות המיוחדות עבור יישומי חיישנים רפואיים ותעשייתיים.

ה-MAX32675C מציע צריכת הספק נמוכה בהפעלה ובמהלך עבודה, ביחד עם רמות האינטגרציה הגבוהות‏ הנדרשות יותר ויותר ביישומים אלה. הוא משלב את מעבד ה-‎12 MHz Arm Cortex-M4‏ ו-FPU שלו עם ‎384 Kbytes‏ של‏ זיכרון Flash‏, ‎160 Kbytes‏ של‏ SRAM‏ ו-‎16 Kbytes של‏ מטמון (Cache)‏, כמו גם קצה-קדמי אנלוגי (AFE)‏ מדויק ומודם HART (איור 5‏).

איור 5‏: AFE‏ ומודם HART משולבים של מיקרו-בקר MAX32675C מספקים את התת-המערכות הדרושות כדי לעמוד בדרישות לחתימת-שטח קטנה והספק נמוך בחיישנים תעשייתיים ורפואיים. (מקור תמונה: Analog Devices)

ה-AFE, שמתקשר עם המעבד דרך ממשק היקפי טורי (SPI) פנימי, מספק סט רכיבים היקפיים הדרושים בדרך כלל ביישומי חיישן תעשייתי ורפואי, כולל ממיר דיגיטלי-לאנלוגי (DAC)‏ ‎12-bit, ושני ממירים אנלוגי-לדיגיטלי (ADCs) דלתא-סיגמא דיוק-גבוה שניתנים להגדרת תצורה לעבודה ב-‎16-bit או ‎24-bit. לכל ADC יש מגבר הגבר ניתן לתכנות (PGA) רעש-נמוך‏ x1‏ עד x128‏ הנדחף על ידי מרבב כניסה 12-ערוצים, שניתן להגדרת תצורה לעבוד ב-12-ערוצים קצה-יחיד או 6-ערוצים הפרשיים.

ה-MAX32675C‏ מתאים במיוחד כדי לענות על הביקוש למכשירי שדה תעשייתיים בהספק נמוך המבוססים על חיישנים ומשדרים 20-‏4‏ מילי-אמפר (mA‏‏). למעשה, מיקרו-בקר זה מתוכנן במפורש לא לחרוג לעולם ממגבלות הספק ביישומי 4‎-20‎ mA, לפתור בעיה נפוצה במהלך הפעלה היכן שמיקרו-בקרים התקשו לשמור על מגבלות הספק.

כדי לתמוך בדרישה חיונית של מערכות בקרה תעשייתיות קיימות רבות, ה-AFE מספק מודם HART שלם, בכך מפשט את היישום של מכשירי שדה תעשייתיים על פני חוג זרם של ‎4-20 mA (איור 6).

איור 6: ה-AFE של מיקרו-בקר MAX32675C כולל מודם HART ייעודי כדי לתמוך במכשירי שדה ‎4-20 mA קיימים ביישומים תעשייתיים אופייניים. (מקור תמונה: Analog Devices)

באמצעות ה-MAX32675C, מפתחי יישומים תעשייתיים יכולים להגדיר תצורה ולשלוט בקלות על מכשירי שדה דרך חיבור ה-SPI של מודם HART ל-Arm Cortex-M4.

ביחד עם תיעוד ומשאבי פיתוח אחרים, Analog Devices‏ מציעה את ערכת ההערכה MAX32675EVKIT MAX32675C כדי לסייע בבדיקה ופיתוח אב-טיפוס מהירים.

עמידה בדרישות מתפתחות עבור AI‏ קצה

כדי לבנות יישומים יעילים במספר הולך וגדל של תחומים, מפתחים חייבים להטמיע התקני קצה שמבצעים ביעילות אלגוריתמים של בינה מלאכותית לעיבוד חכם של סדרות נתוני זמן-בדיד או זיהוי של אובייקטים, מילים או פנים. ה-MAX78000 של Analog Devices‏ מתוכנן במיוחד לתמוך ביכולות אלו תוך שמירה על הדרישה הבסיסית של צריכת הספק נמוכה.

כמו מיקרו-בקרי הספק-אולטרה-נמוך שתוארו קודם לכן, ה-MAX78000‏ (איור 7‏) בונה על‏ Arm Cortex-M4‏ עם‏ מעבד FPU,‏ ‎512 Kbytes‏ של Flash‏, ‎128 Kbytes ‏של‏ SRAM‏ ו-1‎6 Kbytes‏ של‏ מטמון (Cache)‏ כדי לעמוד בדרישות הביצועים של יישום הליבה. כדי לתמוך בפתרונות AI מתקדמים, ה-MAX78000 מרחיב את תת-מערכת העיבוד שלו עם‏ זוג משאבים‏ נוספים, כולל:

• מעבד-עזר ‏32‎-bit RISC-V המספק למערכת יכולות עיבוד אותות עם צריכת הספק אולטרה נמוכה
• מאיץ רשת עצבית קונבולוציונית (CNN) משולב מבוסס חומרה כדי לענות על הביקוש המתעורר להתקני AI קצה

איור 7‏: יחד עם ה-Arm Cortex-M4‏ עם FPU שלו ומעבדי ‎32-bit RISC-V‏, מיקרו-בקר MAX78000‏ משלב מאיץ‏ CNN‏ כדי לשפר את ביצועי ההסקה ביישומי AI קצה. (מקור תמונה: Analog Devices)

ה-MAX78000 תומך באותם מצבי פעולה בהספק נמוך ובמצב כבוי המתוארים מוקדם יותר עבור ה-MAX32655, עם ה-CNN שנשאר זמין במצבי שינה והספק נמוך, שמירת מצב במצבי Micro Power,‏ המתנה וגיבוי, ומצב כבוי לשימוש במהלך אחסון והפצה של מוצר סופי.

כמו עם המיקרו-בקרים האחרים שנדונו כאן, רמת האינטגרציה הגבוהה של ה-MAX78000 מסייעת למפתחים לעמוד בדרישות לקבלת מפרט חומרים (BOM) וגודל מוצר סופי מינימליים. עם היכולות המשולבות ADC ועיבוד אותות של ההתקן, מפתחים יכולים להשתמש ב-MAX78000 עם כמה רכיבים נוספים כדי ליישם במהירות יישומי AI קצה כגון זיהוי מילות מפתח (KWS) או זיהוי פנים (FaceID).

מלבד פישוט יישום AI קצה, שילוב מצבי ההספק המרובים של MAX78000, מעבדים כפולים ו-CNN מבוסס חומרה מאפשר למפתחים להשיג מהירות הסקה מהירה עם צריכת הספק מינימלית. מהנדסי Analog Devices‏ בחנו מקרוב את הביצועים במחקר של יישומים ממוטבי הספק על ה-MAX78000‏.¹

כחלק ממחקר‏ זה, צוות ההנדסה מדד צריכת אנרגיה וזמן טעינת משקלי דגם (kernels), טעינת נתוני כניסה וביצוע הסקה עבור יישומי AI‏ קצה אופייניים. לדוגמה, בחקר מקרה של KWS עם 20 מילות מפתח (KWS20), התוצאות הראו שמפתחים יכולים להפעיל את מעבד ה-ARM לבד כדי להפחית את זמן הטעינה ואת צריכת האנרגיה תוך כדי פעולה במצבי הספק הפעלה שונים של ה-MAX78000 (איור 8).

איור 8‏: יישום חקר מקרה של KWS20 הראה שמהירות שעון גבוהה יותר הביאה לצריכת אנרגיה נמוכה יותר בשל זמני טעינה קצרים יותר, במיוחד כשנעשה שימוש במעבד Arm בלבד. (מקור תמונה: Analog Devices)

המחקר בחן גם את ההשפעה על צריכת האנרגיה והזמן כשמעבד ה-ARM ומעבד ה-RISC-V ישנים בזמן חוסר פעילות, עם מעבד ה-RISC-V ער רק זמן מספיק כדי לבצע טעינה וניהול ה-CNN. כאן, המחקר השווה ביצועים באמצעות שני מקורות שעון שונים: המתנד הראשי הפנימי (IPO) של ה-MAX78000 ב-‎100 MHz לעומת המתנד המשני הפנימי (ISO) בעל ההספק הנמוך יותר אך איטי יותר ב-‎60 MHz. בתוצאה זו, הפחתה בתדר השעון הגדילה באופן דרמטי את צריכת האנרגיה הקשורה הן לטעינה והן להסקה בגלל זמן ההשלמה הארוך יותר הדרוש עבור כל אחת מן הפעולות (איור 9‏).

איור 9‏: בחקר המקרה KWS20, שימוש בתדרי שעון גבוהים יותר עם מעבד ה-RISC-V‏ בלבד עבור יישום טעינה וניהול CNN‏ הביא לצריכת אנרגיה נמוכה יותר עקב זמני טעינה והסקה קצרים יותר. (מקור תמונה: Analog Devices)

בהתבסס על המחקר שלהם, הצוות של Analog Devices ציין שמפתחים יכולים להשיג הסקה מהירה עם צריכת הספק מינימלית על ידי ריצה בקצבי שעון גבוהים יותר, במיוחד עם מעבד ה-Arm ביצועים-עיליים, שימוש מושכל במצבי ההפעלה החשמלית של ה-MAX78000, ושמירה על משקלי דגם (kernels) בזיכרון כדי למנוע אובדן אנרגיה במהלך זמני טעינה ארוכים.

למפתחים היוצרים פתרונות AI מתקדמים משלהם, Analog Devices מציעה סט מקיף של משאבי פיתוח MAX78000, כולל ערכת ההערכה שלה MAX78000EVKIT ולוח Feather ‏MAX78000FTHR. יחד עם מיקרופון דיגיטלי מובנה, חיישני תנועה, תצוגה צבעונית ואפשרויות חיבור מרובות, ה-MAX78000EVKIT כוללת אמצעי ניטור הספק כדי לסייע למפתחים למטב צריכת הספק.

עבור פיתוח תוכנה, מאגר ערכת כלים CNN ‏MAX78000 של Analog Devices‏ מציע תיעוד, הנחיות פיתוח, סרטוני הדרכה וקוד תוכנה התומכים בערכת ההערכה ולוח ה-Feather.

סיכום

תוך התבססות על תשתית תת-מערכת מעבד יעילה, Analog Devices מציגה מערך של מיקרו-בקרי הספק-אולטרה-נמוך המשלב את המאפיינים והיכולות המתוכננים במיוחד כדי לתמוך בדרישות המיוחדות של יישומים כגון התקנים לבישים, אוזניות תוך-אוזניות, מעקב נכסים, חיישנים תעשייתיים ורפואיים ו-AI קצה. על ידי שימוש במיקרו-בקרים אלה ובמשאבים תומכים, מפתחים יכולים ליישם במהירות תכנים העומדים בצרכים המיוחדים של‏ מגוון יישומי הספק-נמוך.

מקורות:

1. פיתוח יישומים ממוטבי הספק על ה-MAX78000‏