Влияние IoT на развитие малопотребляющих микроконтроллеров

Согласно тесту ULPBench, микроконтроллеры MSP432 из семейства SimpleLink производства Texas Instruments – самые малопотребляющие из изделий на ядре ARM Cortex-M3/M4 на рынке электроники, что делает идеальным применение этих изделий, а также беспроводных контроллеров различных стандартов из того же семейства SimpleLink в устройствах интернета вещей. В предлагаемой статье приведен пример применения этих изделий в портативных беспроводных метеостанциях
496
В избранное

ti-2.png (773 b)Рынок микроконтроллеров (МК) с ультрамалым потреблением (ultra-low-power, ULP) претерпел значительные изменения. Тенденции энергосбережения, рост популярности приложений с батарейным питанием и возможность широкого внедрения беспроводной связи приводят к тому, что применение микроконтроллеров с ультрамалым потреблением (ULP-микроконтроллеров) становится обязательным условием при создании новых устройств.

Представленный в марте 2014 года тест ULPBench™ помог стандартизировать ULP-параметры, предложив методологию для надежного и объективного измерения энергоэффективности МК. До этого не было способов сравнения эффективности ULP-микроконтроллеров. Рабочая группа ULPBench в рамках консорциума Embedded Microprocessor Benchmark Consortium (EEMBC®) поставила перед собой задачу разработать и опубликовать набор стандартных тестов, который позволил бы разработчикам сравнивать микроконтроллеры разных производителей с различными особенностями (уровень потребления центрального процессора, набор периферии и так далее). Появление теста ULPBench CoreProfile для микроконтроллеров с ультрамалым потреблением стало первым шагом к решению этой проблемы. Данный инструмент позволяет измерять рейтинг эффективности при заданных условиях. Чем выше балл теста, тем меньше энергопотребление. ULPBench сыграл важную роль при определении лидеров в сегменте ULP-микроконтроллеров и помог определить, что разрыв в уровне потребления разных МК уменьшается с течением времени.

Несмотря на то, что разрыв в рейтинге ULPBench среди поставщиков ULP-микроконтроллеров сократился, общая потребность в снижении уровня потребления продолжает сохраняться. Более того, ожидается, что в ближайшие годы она увеличится, особенно когда приложения станут еще более интеллектуальными. Хотя рейтинг ULPBench фактически стал стандартом в отрасли, он все же не гарантирует минимального уровня потребления. Необходимо приложить значительные усилия, чтобы обеспечить высокую эффективность в конечном приложении. В данной статье мы обсудим, каким образом использование микроконтроллеров семейства TI SimpleLink ™ изменяет положение дел в отрасли, позволяя разработчикам повышать интеллект приложений с датчиками без увеличения уровня потребления.

«Большая тройка»

«Большая тройка» – это три основных фактора, определяющих уровень потребления микроконтроллеров:

  • производительность;
  • память;
  • ток утечки.

Исторически сложилось, что малопотребляющие МК отличались невысокой производительностью. Поставщики микроконтроллеров уже давно предлагают разработчикам несколько режимов пониженного потребления, при которых определяющий вклад в общее потребление вносят токи утечки. В то же время при использовании дополнительных рабочих режимов оценка тока потребления в мА/МГц и тока утечки значительно усложняется. До появления ULPBench не было стандартного способа описания, оценки или характеристики режимов пониженного потребления.

Для оценки влияния каждого из трех перечисленных выше факторов ULPBench использует два основных компонента микроконтроллера: процессорное ядро и часы реального времени RTC (real-time clock). При проведении испытания микроконтроллер выполняет определенную фиксированную задачу с периодичностью один раз в секунду, а оставшуюся часть этого секундного интервала он находится в спящем состоянии. Все тестируемые процессоры выполняют одинаковую задачу. Во многих приложениях, в которых требуется обеспечить минимальное потребление, используется аналогичный импульсный режим работы, при котором система активна в течение коротких интервалов времени, а оставшуюся часть периода проводит в состоянии сна. В таких приложениях учитываются три основных параметра:

  • время пробуждения;
  • энергия пробуждения и пиковый ток;
  • время исполнения.

Приведенным параметрам уделяется основное внимание в тесте ULPBench (рисунок 1), при этом определяется рейтинг энергоэффективности, ориентируясь по которому, разработчики могут выбрать подходящий микроконтроллер. Основными целями ULPBench являются:

Микроконтроллеры MCP432™ в марте 2015 года продемонстрировали высокий рейтинг ULPBench

Рис. 1. Микроконтроллеры MCP432™ в марте 2015 года продемонстрировали высокий рейтинг ULPBench

  • возможность сравнения (сделать процесс сравнения устройств максимально простым);
  • прозрачность (сделать все измерения и процесс настройки абсолютно прозрачными);
  • воспроизводимость (позволить любому человеку перепроверить рейтинги устройств).

Рейтинг ULPBench часто используется в маркетинговых целях, в частности – чтобы подчеркнуть преимущества новых продуктов производства Texas Iistruments. Например, на момент своего появления представители семейства MSP432™ продемонстрировали самый малый уровень потребления среди доступных на рынке микроконтроллеров с ядром ARM® Cortex®-M3 или M4.

Приложения вида «датчик-облако»

Хотя в приложениях с датчиками «большая тройка» факторов (производительность, память, утечки) играет определяющую роль, но, тем не менее, разработчикам необходимо оценивать именно общее потребление системы. EEMBC работает над следующей группой испытаний, которые уделяли бы основное внимание периферийным устройствам (Peripheral Profle).

Одной из самых больших проблем при создании теста Peripheral Profle является определение базового набора функций. Например, 14-битный аналого-цифровой преобразователь (АЦП) может потребовать больше энергии, чем 8-битный, и при этом оказаться более энергоэффективным за счет обеспечения высокого разрешения и точности. С другой стороны, ограничение на разрешение АЦП исключит возможность адекватного тестирования устройства с другими разрешениями. Здесь также придется учитывать эффективную разрядность АЦП. Например, АЦП может выполнять 12-битные измерения, при том, что только 10 бит окажутся значащими. Сравнение двух устройств с разными параметрами подрывает объективность теста и, следовательно, объективность самого рейтинга, с учетом которого разработчик выбирает производителя. В таких случаях необходим компромисс.

Каким представляется дальнейшее развитие рейтингов ULP-микроконтроллеров? В настоящее время потребление главным образом определяется технологией, и большинство производителей полупроводников предлагает компоненты с более-менее сопоставимыми характеристиками. Технологические нормы производственного процесса определяют активный ток: чем меньше размеры элементарной ячейки, тем меньше активный ток при условии правильной организации ядра процессора. С другой стороны, ток потребления в режиме ожидания также определяется размерами элементарной ячейки: чем меньше размеры – тем больше ток утечки. Специальные технологии, применяемые на большинстве современных производств, обеспечивают минимальное значение токов утечки. Возможность индивидуального отключения периферийных блоков микроконтроллера также позволяет минимизировать эти токи.

Микроконтроллеры TI SimpleLink для измерительных систем с ультрамалым потреблением

Прежде чем рассмотреть системы с ультрамалым потреблением, обратимся к конкретным примерам использования микроконтроллеров SimpleLink производства компании TI. На рисунке 2 показаны различные приложения в рамках автоматизации здания, к ним относят датчики и измерительные системы. Широкий функционал микроконтроллеров SimpleLink с проводной и беспроводной связью облегчает построение приложений с ультрамалым потреблением за счет использования единой платформы разработки.

Система автоматизации зданий

Рис. 2. Система автоматизации зданий

Разработка проводной метеостанции с использованием АЦП высокого разрешения

Семейство микроконтроллеров SimpleLink MSP432 – это самое новое семейство в линейке ультрамалопотребляющих МК со смешанными сигналами. Отличительными чертами микроконтроллеров MSP432 являются процессорное ядро ARM Cortex-M4, широкий диапазон настроек, богатый набор аналоговых блоков, таймеров и коммуникационных интерфейсов (рисунок 3). Все это делает SimpleLink MSP432 оптимальным выбором для приложений, в которых первостепенное значение имеют как эффективная обработка данных, так и развитые возможности по достижению пониженного потребления.

Микроконтроллеры SimpleLink MSP432 с 14-битным АЦП

Рис. 3. Микроконтроллеры SimpleLink MSP432 с 14-битным АЦП

Благодаря наличию 14-битного АЦП, микроконтроллеры SimpleLink MSP432 идеально подходят для создания систем, выполняющих измерения аналоговых сигналов с высоким разрешением и высокой частотой дискретизации. Например, в составе метеорологической станции 14-разрядный АЦП с частотой дискретизации 1 млн. выб/с необходим для определения температуры и уровня кислорода. Наличие в ULP-микроконтроллере встроенного АЦП позволяет создавать малопотребляющие измерительные системы с мощным процессорным ядром Cortex-M4F и возможностью программирования.

Метеостанция с Wi-Fi

Мощность потребления зависит от особенностей работы конкретного устройства. Например, сетевой Wi-Fi-процессор может быть постоянно подключен к сети, а может выполнять лишь периодические подключения для передачи данных. Во многих приложениях подключение к сети выполняется только при наступлении заданных событий, и в этом случае процессор проводит большую часть времени в спящем режиме. Написание оптимальных программ для беспроводных микроконтроллеров SimpleLink Wi-Fi CC3220 с использованием режимов пониженного потребления повышает их энергетическую эффективность (рисунок 4).

Время автономной работы различных приложений на базе беспроводного микроконтроллера SimpleLink CC3220

Рис. 4. Время автономной работы различных приложений на базе беспроводного микроконтроллера SimpleLink CC3220

Кроме того, беспроводной микроконтроллер SimpleLink CC3220 имеет два процессорных ядра: ARM Cortex-M4 для выполнения пользовательских программ и сетевой процессор для выполнения всех логических уровней протоколов Wi-Fi и интернета. При этом, например, в метеорологической станции процессор ARM Cortex-M4 может использоваться на 100%, в то время как ядро сетевого процессора будет настроено для достижения минимального потребления (рисунок 5).

Блок-схема беспроводного микроконтроллера SimpleLink CC3220

Рис. 5. Блок-схема беспроводного микроконтроллера SimpleLink CC3220

В микроконтроллерах CC3220 реализованы технологии, которые помогают оптимизировать потребление в различных Wi-Fi-устройствах. Диспетчер соединений SimpleLink обеспечивает автономную работу и быстрое подключение к Wi-Fi, что позволяет основному процессору находиться в режиме пониженного потребления. С помощью технологии SmartConfig ™ беспроводной МК CC3220 выполняет гибкие Wi-Fi-подключения. Также в нем реализован режим точки доступа с подключением до четырех станций и опцией защищенного Wi-Fi (WPS2).

Bluetooth low energy

Наряду с ядром Cortex-M3, работающим на частоте 48 МГц, микроконтроллер CC2640R2F SimpleLink Bluetooth low-energy (BLE) включает в себя малопотребляющий контроллер датчиков с собственным вычислительным ядром (рисунок 6). Этот 16-разрядный процессор связан с различными периферийными устройствами, такими как АЦП, аналоговые компараторы, последовательные коммуникационные интерфейсы SPI/I²C и интерфейс емкостных сенсорных приложений. Контроллер датчиков способен работать автономно, когда остальная часть системы находится в режиме ожидания. В этом случае он берет на себя взаимодействие с внешними аналоговыми и цифровыми датчиками. При работе в составе метеостанции основное ядро Cortex-M3 и ядро радиопередающей части (RF) пробуждаются в соответствии с требованиями приложения, что в конечном итоге снижает энергопотребление системы по сравнению с режимом, когда ARM Cortex-M3 постоянно находится в активном состоянии, выполняя все операции самостоятельно.

Функциональная схема беспроводного микроконтроллера SimpleLink CC26xx

Рис. 6. Функциональная схема беспроводного микроконтроллера SimpleLink CC26xx

Беспроводной микроконтроллер CC2640R2F оптимизирован для работы с частотным диапазоном 2,4 ГГц. В его состав входят библиотеки BLE-контроллера и хоста, записанные в ПЗУ и частично выполняющиеся на встроенном процессоре ARM Cortex-M0. Такая архитектура улучшает общую производительность системы, снижает энергопотребление и экономит значительный объем Flash-памяти для пользовательских приложений. Традиционно высокое пиковое потребление беспроводной системы, вызванное значительными токами в режиме передачи и приема, ограничивает использование аккумуляторов или существенно влияет на срок их службы. Микроконтроллеры CC2640R2F отличаются очень малыми пиковыми токами – около 6 мА (с приемом и передачей на выходе 0 дБм), что снимает все ограничения на традиционные батареи CR2032. При этом разработчики могут использовать даже батареи меньшего типоразмера.

Субгигагерцевые приложения

Беспроводной субгигагерцевый микроконтроллер CC1310 SimpleLink построен на той же платформе, что и беспроводной малопотребляющий BLE-микроконтроллер CC2640R2F. CC1310 использует трехъядерную архитектуру, в которой операции разделены между процессорными ядрами для получения оптимального уровня потребления. Основной процессор ARM Cortex-M3 обеспечивает работу с протоколами и приложениями, ядро ARM Cortex-M0 управляет низкоуровневым радиоинтерфейсом, а инновационный 16-разрядный контроллер датчиков, выполняя операции с ультрамалым потреблением на уровне единиц микроампер, позволяет основному процессору максимально долго оставаться в режиме ожидания. Благодаря этой уникальной архитектуре радиус действия беспроводного микроконтроллера CC1310 достигает десятков километров при сохранении сверхмалого уровня потребления, что позволяет системе работать до десяти лет от дисковой батарейки.

Уникальные характеристики субгигагерцевой технологии и малопотребляющая структура CC1310 делают данный микроконтроллер идеальным выбором для многих приложений, включая, например, метеостанции. Для метеорологической станции могут потребоваться удаленные датчики, расположенные за пределами здания или дома, работающие в автономном режиме в течение многих лет и имеющие компактный форм-фактор. Стек TI-15.4, входящий в состав SimpleLink CC13x0 SDK, отличается встроенной защитой и поддержкой скачкообразной перестройки частоты, что делает его готовым сетевым решением для субгигагерцевого диапазона. Он проектировался с учетом оптимизации уровня потребления.

Метеостанция часто требует централизованной панели управления, с помощью которой пользователи могут получать и обрабатывать информацию, собираемую с датчиков и хранящуюся в облаке. В таком случае придется решать сложную задачу разработки шлюза для обмена данными между субгигагерцевым радиоканалом и Wi-Fi. Референсная схема SimpleLink Sub- 1 GHz Sensor to Cloud reference design решает эту проблему и обеспечивает возможность облачного соединения для отправки и приема данных от датчиков в сетях субгигагерцевого диапазона с топологией типа «звезда».

Референсная схема построена на платформе SimpleLink. Она включает в себя беспроводной МК CC1310, программный стек TI-15.4 Stack и МК Wi-Fi CC3220.

Линейка SimpleLink производства TI предлагает широчайший выбор проводных и беспроводных ARM-микроконтроллеров с лучшими в отрасли характеристиками, в том числе – с малым потреблением, высокой надежностью и поддержкой более 10 проводных и беспроводных протоколов (рисунок 7). Эти контроллеры разрабатывались с учетом использования единой программной платформы, обеспечивающей стопроцентное повторное использование кода при работе с SimpleLink (SDK). Разработчики, единожды создав программный код, могут повторно использовать его на нескольких платформах и приложениях SimpleLink. Унифицированный набор инструментов разработки и отладки совместно с бесплатными программными инструментами, тренингами и поддержкой TI ускоряют создание приложений.

Микроконтроллеры и сетевые процессоры SimpleLink

Рис. 7. Микроконтроллеры и сетевые процессоры SimpleLink

По мере изменения требований к разрабатываемому приложению разработчик может легко добавить такие функции как Wi-Fi или Bluetooth Low Energy, сохранив минимальный уровень потребления.

Компания TI предоставляет полный набор API-интерфейсов, функционал которых выходит далеко за пределы обычной конфигурации встроенных периферийных устройств. Эти POSIX–совместимые API-интерфейсы и драйверы TI являются основными строительными блоками пользовательских приложений. Они делают разработку легкой и обеспечивают полную портируемость кода на все продукты SimpleLink.

Более подробную информацию о платформе SimpleLink от TI, а также о программных и аппаратных средствах разработки можно получить на сайте компании.

Заключение

Потребность в выполнении точных измерений постоянно растет, что приводит к экспоненциальному увеличению сложности устройств интернета вещей (IoT). Технология энергосбережения, требует, чтобы разработчики, создавая все более сложные системы, одновременно обеспечивали уменьшение уровня потребления. Решение задачи по снижению потребления ведет к появлению целой волны инноваций. Благодаря высокому уровню автономности и интеллектуальности встроенных периферийных блоков микроконтроллеры TI SimpleLink выводят сверхмалопотребляющие приложения на новый уровень.

Производитель: Texas Instruments
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
CC1310F128RHBR
CC1310F128RHBR
Texas Instruments
Арт.: 1905426 ИНФО PDF AN RD
Поиск
предложений
"Беспроводной микроконтроллер Cortex-M3, суб-1ГГц, 32 бит, 48 Мгц, flash 128 КБ, 20 КБ RAM 1,8..3.8 В, VQFN-32 Параметры: Архитектура: ARM Cortex-M0,…
CC1310F128RHBR от 850,19
-
Поиск
предложений
MSP432P401RIPZR
MSP432P401RIPZR
Texas Instruments
Арт.: 1916030 PDF AN RD
Поиск
предложений
ARM Microcontrollers - MCU Ultra low power ARM Micro Controller
MSP432P401RIPZR от 1006,10
-
Поиск
предложений
CC1310F128RHBT
CC1310F128RHBT
Texas Instruments
Арт.: 2015907 ИНФО PDF AN RD
Поиск
предложений
"Беспроводной микроконтроллер Cortex-M3, суб-1ГГц, 32 бит, 48 Мгц, flash 128 КБ, 20 КБ RAM 1,8..3.8 В, VQFN-32 Параметры: Архитектура: ARM Cortex-M0,…
CC1310F128RHBT от 781,50
-
Поиск
предложений
CC2640R2FRHBR
CC2640R2FRHBR
Texas Instruments
Арт.: 2265719 PDF AN RD
Поиск
предложений
RF Microcontrollers - MCU BLUETOOTH SMART SIMPLELINK WIRELESS MCU
CC2640R2FRHBR от 8 шт. от 551,74
-
Поиск
предложений
CC3220RM2ARGKR
CC3220RM2ARGKR
Texas Instruments
Арт.: 2287760 PDF AN RD
Поиск
предложений
RF Microcontrollers - MCU PG 3.1
CC3220RM2ARGKR от 1360,67
-
Поиск
предложений
CC3220SM2ARGKR
CC3220SM2ARGKR
Texas Instruments
Арт.: 2287764 ИНФО PDF AN RD
Поиск
предложений
'Сетевой процессор с встроенным пользовательским микроконтроллером. Wi-Fi стандарта 802.11 b/g/n. Может работать в режиме точки доступа для 4 устройств.…
CC3220SM2ARGKR от 1525,88
-
Поиск
предложений
MSP432P401RIPZ
MSP432P401RIPZ
Texas Instruments
Арт.: 2287967 PDF AN RD
Поиск
предложений
ARM Microcontrollers - MCU Ultra low power ARM Micro Controller
MSP432P401RIPZ от 1056,24
-
Поиск
предложений
MSP432P401YTRGCR
MSP432P401YTRGCR
Texas Instruments
Арт.: 2726183 PDF AN RD
Поиск
предложений
MSP432P401YTRGCR от 2000 шт. от 692,77
-
Поиск
предложений

Сравнение позиций

  • ()