作者：Stephen Evanczuk

投稿人：DigiKey 北美編輯

工業(yè)、醫(yī)療保健和各種物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 應(yīng)用的低功耗設(shè)計開發(fā)人員面臨著對基于微控制器的解決方案的持續(xù)需求，這些解決方案既要提供豐富的功能，又不能影響緊張的功耗預(yù)算。隨著開發(fā)的進(jìn)行，為了滿足專門的功能要求，他們經(jīng)常要冒險跨越最大功率閾值。

本文介紹了 [Analog Devices] 的超低功耗微控制器產(chǎn)品組合如何滿足這些要求。

滿足專業(yè)應(yīng)用的要求

設(shè)計人員必須滿足一系列高性能、低功耗的核心要求，才能有效響應(yīng)客戶的期望。在醫(yī)療保健、工業(yè)和物聯(lián)網(wǎng)等各種應(yīng)用領(lǐng)域，這些核心要求通常主導(dǎo)著設(shè)計決策，并指導(dǎo)著硬件平臺的開發(fā)，而這些平臺基本上沒有區(qū)別。因此，設(shè)計人員可以快速運(yùn)用在一個應(yīng)用領(lǐng)域獲得的硬件和軟件設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，以此來滿足另一個應(yīng)用領(lǐng)域的基本需求。

隨著這些領(lǐng)域?qū)θ找鎻?fù)雜產(chǎn)品的需求不斷增長，設(shè)計人員既需要滿足專業(yè)應(yīng)用的特殊要求，又不能犧牲滿足核心要求的能力，這變得愈發(fā)艱難。應(yīng)用細(xì)分市場已開始急劇分化，對連接性、安全性和人工智能 (AI) 提出了獨(dú)特的要求。

在這些不斷變化的需求的推動下，通用硬件平臺的概念得以發(fā)展，使設(shè)計人員依靠增強(qiáng)了專用功能的熟悉處理器集就能夠滿足高性能和低功耗的核心要求。

為專用功能定制的處理器基礎(chǔ)平臺

Analog Devices 的超低功耗微控制器產(chǎn)品組合以帶浮點(diǎn)單元 (FPU) 的超低功耗 [Arm?] Cortex?-M4 為核心，為設(shè)計人員提供了一個能夠滿足核心功耗和性能要求的熟悉平臺。

為了滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域的獨(dú)特要求，Analog Devices 利用產(chǎn)品組合中四個成員的專用功能定制了這一基礎(chǔ)平臺，其中包括：

• [MAX32655] ：主要面向需要低功耗藍(lán)牙 (BLE) 連接和更長電池續(xù)航時間的應(yīng)用，同時提供足夠的內(nèi)存和性能。
• [MAX32690] ：主要面向需要 BLE、強(qiáng)大性能和大容量內(nèi)存的應(yīng)用。
• [MAX32675C] ：主要面向需要工業(yè)和醫(yī)療傳感器所需的混合信號的應(yīng)用。
• [MAX78000] ：可滿足對智能邊緣設(shè)備的新興需求。

解決連接問題

Analog Devices 的 MAX32655 微控制器集成了帶 FPU 的 100 MHz Arm Cortex-M4、512 KB 閃存、128 KB 靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器 (SRAM) 和 16 KB 指令緩存，提供典型低功耗應(yīng)用所需的處理器性能和存儲器的有效組合。除了此處理子系統(tǒng)外，該器件還增加了一整套功能模塊，用于提供資產(chǎn)跟蹤設(shè)備、可穿戴設(shè)備和醫(yī)療保健監(jiān)測設(shè)備通常需要的安全功能、電源管理功能、定時功能以及數(shù)字和模擬外設(shè)（圖 1）。

圖 1：MAX32655 微控制器集成了大量外設(shè)，可支持需要藍(lán)牙連接、高性能處理和優(yōu)化功耗的各種應(yīng)用。（圖片來源：Analog Devices）

為了滿足不同應(yīng)用的各種藍(lán)牙連接要求，MAX32655 提供了專用的硬件和軟件，以支持全套藍(lán)牙 5.2 功能。除了藍(lán)牙 5.2 無線電外，該微控制器還集成了一個專用的 32 位 RISC-V 協(xié)處理器，用于處理時序關(guān)鍵型藍(lán)牙處理任務(wù)。該藍(lán)牙子系統(tǒng)可滿足新出現(xiàn)的性能需求，支持 2 MB/s 的高吞吐量模式以及速率為 125 KB/s 和 500 KB/s 的遠(yuǎn)距離模式。兩個器件引腳讓開發(fā)人員可在支持藍(lán)牙的設(shè)計中輕松連接片外天線。為了完善藍(lán)牙 5.2 功能并提供應(yīng)用支持，該器件的運(yùn)行時藍(lán)牙協(xié)議?？蓴U(kuò)展至帶 FPU 的 Arm Cortex-M4、RISC-V 和無線電（圖 2）。

圖 2：在 MAX32655 帶 FPU 的 Arm Cortex-M4、RISC-V 和無線電上運(yùn)行的完整藍(lán)牙 5.2 協(xié)議棧支持全套測向、高吞吐量通信和遠(yuǎn)距離操作功能。（圖片來源：Analog Devices）

Analog Devices 的 MAX32690 微控制器提供 120 Mhz 帶 FPU 的 Arm Cortex-M4 以及 3 MB 閃存、1 MB SRAM 和 16 KB 緩存，適用于需要強(qiáng)大性能和大內(nèi)存的應(yīng)用。除了 MAX32655 中的模擬比較器和數(shù)字外設(shè)外，MAX32690 還集成了一個 HyperBus/Xccela 總線接口，以便在內(nèi)存要求超過片上資源時從外部閃存和 SRAM 高速執(zhí)行任務(wù)。與 MAX32655 一樣，MAX32690 也集成了一個 32 位 RISC-V 處理器，可用于獨(dú)立處理并支持藍(lán)牙處理。

為了幫助開發(fā)人員優(yōu)化功耗，上文提到的四款微控制器都支持多種低功耗工作模式。在 MAX32655 和 MAX32690 中，低功耗模式包括：

• 睡眠模式：帶 FPU 的 Arm Cortex-M4 (CM4) 和 32 位 RISC-V (RV32) 處于睡眠模式，但外設(shè)仍保持開啟狀態(tài)
• 低功耗模式 (LPM)：CM4 處于睡眠狀態(tài)，并保持狀態(tài)不變，而 RV32 則保持活動狀態(tài)，以便從啟用的外設(shè)移動數(shù)據(jù)
• 微功耗模式 (UPM)：CM4、RV32 和某些引腳保持其狀態(tài)，但看門狗定時器、模擬比較器和低功耗 UART 仍可用于喚醒微控制器
• 待機(jī)模式：實(shí)時時鐘保持開啟狀態(tài)，所有外設(shè)均保持其狀態(tài)
• 備份模式：實(shí)時時鐘保持開啟狀態(tài)，系統(tǒng)內(nèi)存保持其狀態(tài)

此外，MAX32655 還提供專為最終產(chǎn)品的儲存與配送而設(shè)計的掉電模式 (PDM)。在 PDM 模式下，MAX32655 斷電，但內(nèi)部電壓監(jiān)視器則保持工作狀態(tài)。因此，最終用戶只需取下電池保護(hù)片或向產(chǎn)品供電，即可快速使基于 MAX32655 的產(chǎn)品通電。

即使對于超低功耗微控制器，這些工作模式也可以通過選擇性地關(guān)閉不同的硬件模塊來提供顯著的節(jié)能效果。例如，在正?；顒庸ぷ髂Ｊ较拢琈AX32655 在 3.0 V 電壓下的功耗僅為 12.9 μA/MHz。在待機(jī)模式下，該器件可保持其狀態(tài)或完全關(guān)閉多個模塊的電源，從而實(shí)現(xiàn) 3.0 V 電壓下僅 2.1 μA 的功耗，同時能夠在僅 14.7 μs 的時間內(nèi)恢復(fù)工作（圖 3）。

圖 3：MAX32655 微控制器的不同電源模式（例如此處顯示的待機(jī)模式）可保持其狀態(tài)或完全關(guān)閉不同硬件子系統(tǒng)的電源，從而在維持運(yùn)行能力的同時降低功耗。（圖片來源：Analog Devices）

除了能以低功耗運(yùn)行外，這些器件的高度集成還有助于開發(fā)人員降低設(shè)計復(fù)雜性，并滿足最小封裝要求。例如，MAX32655 的集成式單電感多輸出 (SIMO) 開關(guān)模式電源只需要一對電感器/電容器。因此，開發(fā)人員可以更輕松地創(chuàng)建由單個鋰電池供電的緊湊型設(shè)計，以滿足資產(chǎn)跟蹤設(shè)備、可穿戴設(shè)備、耳戴式設(shè)備和類似空間受限產(chǎn)品等應(yīng)用的封裝要求。

例如，對于真無線立體聲 (TWS) 耳塞設(shè)計，開發(fā)人員可以使用 MAX32655 提供有效的解決方案，除編解碼器和電池電源管理器件外，所需的其他元器件極少。將 MAX32655 與這些器件和 [DS2488] 單線雙端口鏈路相結(jié)合，即可提供 TWS 耳塞及其充電座的完整設(shè)計（圖 4）。

圖 4：MAX32655 微控制器的集成功能可使設(shè)計的占用面積和物料清單最小化，除了編解碼器、電源管理器件和 DS2488 單線鏈路等接口器件外，幾乎不需要其他器件就能提供完整的 TWS 耳塞及充電座解決方案。（圖片來源：Analog Devices）

為了加快這些微控制器的評估和原型開發(fā)，開發(fā)人員可以利用 Analog Devices 提供的多種開發(fā)資源，包括：

• MAX32655 評估套件 ([MAX32655EVKIT] )
• MAX32655 Feather 板 ([MAX32655FTHR] )
• MAX32690 評估套件 ([MAX32690EVKIT] )
• MAX32690 [Arduino] 外形尺寸開發(fā)平臺 ([AD-APARD32690-SL]

滿足混合信號設(shè)計要求的高效解決方案

MAX32655 和 MAX32690 可滿足緊湊型電池供電藍(lán)牙產(chǎn)品的需求，而 Analog Devices 的 MAX32675C 低功耗混合信號微控制器則可滿足醫(yī)療和工業(yè)傳感器應(yīng)用的專業(yè)要求。

MAX32675C 在啟動和運(yùn)行時功耗低，集成度高，可滿足這些應(yīng)用日益增長的需求。該器件結(jié)合了 12 MHz Arm Cortex-M4 處理器和 FPU 與 384 KB 閃存、160 KB SRAM 和 16 KB 緩存以及精密模擬前端 (AFE) 和 HART 調(diào)制解調(diào)器（圖 5）。

圖 5：MAX32675C 微控制器的集成 AFE 和 HART 調(diào)制解調(diào)器提供所需的子系統(tǒng)，可滿足工業(yè)和醫(yī)療傳感器對小尺寸和低功耗的要求。（圖片來源：Analog Devices）

AFE 通過內(nèi)部串行外設(shè)接口 (SPI) 與處理器通信，提供了一套工業(yè)和醫(yī)療傳感器應(yīng)用所需的典型外設(shè)，包括一個 12 位數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC)，以及兩個可配置為 16 位或 24 位運(yùn)算的高精度三角積分模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)。每個 ADC 都有一個專用的 1 倍至 128 倍低噪聲可編程增益放大器 (PGA)，由一個 12 通道輸入多路復(fù)用器驅(qū)動，可配置為 12 通道單端或 6 通道差分運(yùn)行。

MAX32675C 尤其適用于滿足基于 4-20 mA 傳感器和發(fā)射器的低功耗工業(yè)現(xiàn)場儀表的需求。事實(shí)上，這款微控制器明確設(shè)計為在 4-20 mA 應(yīng)用中絕不會超過功率限制，從而解決了微控制器在啟動過程中難以維持功率限制的常見問題。

為了支持眾多現(xiàn)有工業(yè)控制系統(tǒng)的基本要求，AFE 提供了完整的 HART 調(diào)制解調(diào)器，從而簡化了通過 4-20 mA 電流回路實(shí)施工業(yè)現(xiàn)場儀表的過程（圖 6）。

圖 6：MAX32675C 微控制器的 AFE 包括一個專用的 HART 調(diào)制解調(diào)器，可支持典型工業(yè)應(yīng)用中現(xiàn)有的 4-20 mA 現(xiàn)場儀表。（圖片來源：Analog Devices）

借助 MAX32675C，工業(yè)應(yīng)用開發(fā)人員可以通過 HART 調(diào)制解調(diào)器與 Arm Cortex-M4 的 SPI 連接，輕松配置和控制現(xiàn)場儀表。

除了說明文檔和其他開發(fā)資源，Analog Devices 還提供了 [MAX32675EVKIT] MAX32675C 評估套件，以幫助加快測試和原型開發(fā)。

滿足邊緣 AI 的新興要求

為了在越來越多的領(lǐng)域構(gòu)建有效的應(yīng)用，開發(fā)人員必須實(shí)施邊緣設(shè)備，以高效執(zhí)行 AI 算法，實(shí)現(xiàn)智能時間序列處理或者物體、文字或人臉識別。Analog Devices 的 MAX78000 專門用于支持這些功能，同時仍滿足基本的低功耗要求。

與上文介紹的超低功耗微控制器一樣，MAX78000（圖 7）基于帶 FPU 的 Arm Cortex-M4 處理器、512 KB 閃存、128 KB SRAM 和 16 KB 緩存，可滿足核心應(yīng)用執(zhí)行要求。為了支持邊緣 AI 解決方案，MAX78000 利用一對額外資源增強(qiáng)了其處理子系統(tǒng)，包括：

• 32 位 RISC-V 協(xié)處理器，為系統(tǒng)提供超低功耗信號處理能力
• 基于硬件的集成式卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) (CNN) 加速器，滿足邊緣 AI 設(shè)備的新興需求

圖 7：除了帶 FPU 的 Arm Cortex-M4 和 32 位 RISC-V 處理器外，MAX78000 微控制器還集成了 CNN 加速器，以提高邊緣 AI 應(yīng)用的推理性能。（圖片來源：Analog Devices）

與上文介紹的 MAX32655 一樣，MAX78000 也支持低功耗工作模式和掉電模式，通過睡眠和低功耗模式使 CNN 保持可用狀態(tài)，在微功耗、待機(jī)和備份模式下保持狀態(tài)，并且可在最終產(chǎn)品的儲存和配送期間使用掉電模式。

與本文討論的其他微控制器相同，MAX78000 的高度集成有助于開發(fā)人員滿足物料清單 (BOM) 和最終產(chǎn)品尺寸最小化的要求。利用該器件的集成 ADC 和信號處理功能，開發(fā)人員只需使用 MAX78000 以及少量其他元器件，就能快速實(shí)現(xiàn)邊緣 AI 應(yīng)用，例如關(guān)鍵字識別 (KWS) 或人臉識別 (FaceID)。

除了簡化邊緣 AI 的實(shí)現(xiàn)過程外，MAX78000 還結(jié)合了多種電源模式、雙處理器和基于硬件的 CNN，讓開發(fā)人員能夠以最小的功耗實(shí)現(xiàn)快速推理。Analog Devices 的工程師在 MAX78000 的功耗優(yōu)化應(yīng)用研究中仔細(xì)檢查了其性能。^1^

作為該研究的一部分，工程團(tuán)隊(duì)測量了典型邊緣 AI 應(yīng)用在加載模型權(quán)重（內(nèi)核）、加載輸入數(shù)據(jù)和執(zhí)行推理時的能耗和時間。例如，在一項(xiàng)包含 20 個關(guān)鍵字的 KWS (KWS20) 案例研究中，結(jié)果顯示開發(fā)人員可以單獨(dú)運(yùn)行 Arm 處理器，以減少加載時間和能耗，同時在不同的 MAX78000 電源工作模式下運(yùn)行（圖 8）。

圖 8：KWS20 案例研究應(yīng)用表明，時鐘速度越快，加載時間就越短，能耗就越低，尤其是在僅使用 Arm 處理器的情況下。（圖片來源：Analog Devices）

該研究還考察了 Arm 處理器和 RISC-V 處理器在空閑時間處于睡眠狀態(tài)時對能耗和時間的影響，其中 RISC-V 處理器僅在執(zhí)行加載和管理 CNN 時才喚醒。在此，研究還比較了使用兩種不同時鐘源的性能：100 MHz 下的 MAX78000 內(nèi)部主振蕩器 (IPO) 與 60 MHz 下功耗較低但速度較慢的內(nèi)部輔助振蕩器 (ISO)。結(jié)果表明，由于加載和推理各自所需的完成時間較長，時鐘頻率的降低顯著增加了加載和推理的能耗（圖 9）。

圖 9：在 KWS20 案例研究中，由于加載和推理時間較短，僅使用 RISC-V 處理器的較高時鐘頻率進(jìn)行加載和 CNN 管理應(yīng)用可降低能耗。（圖片來源：Analog Devices）

根據(jù)他們的研究，Analog Devices 團(tuán)隊(duì)指出，開發(fā)人員可以通過以更高的時鐘速率運(yùn)行（尤其是使用高性能 Arm 處理器時）、合理使用 MAX78000 的低功耗工作模式以及將內(nèi)核保留在內(nèi)存中以避免加載時間延長導(dǎo)致?lián)p失能量，最終以最低的功耗實(shí)現(xiàn)快速推理。

對于創(chuàng)建自己的邊緣 AI 解決方案的開發(fā)人員，Analog Devices 提供了一整套 MAX78000 開發(fā)資源，包括 [MAX78000EVKIT] 評估套件和 [MAX78000FTHR Feather 板。除了板載數(shù)字麥克風(fēng)、運(yùn)動傳感器、彩色顯示屏和多種連接選項(xiàng)外，MAX78000EVKIT 還具有電源監(jiān)測功能，可幫助開發(fā)人員優(yōu)化功耗。

在軟件開發(fā)方面，Analog Devices 的 MAX78000 [CNN 工具存儲集庫] 提供了支持評估套件和 Feather 板的說明文檔、開發(fā)指南、培訓(xùn)視頻和軟件代碼。

結(jié)語

在高效處理器子系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，Analog Devices 推出了一系列超低功耗微控制器，這些器件集成了專為滿足可穿戴設(shè)備、耳戴式設(shè)備、資產(chǎn)跟蹤設(shè)備、工業(yè)和醫(yī)療傳感器以及邊緣 AI 等應(yīng)用的獨(dú)特要求而設(shè)計的特性和功能。利用這些微控制器和支持資源，開發(fā)人員可以快速實(shí)現(xiàn)滿足各種低功耗應(yīng)用專業(yè)需求的設(shè)計。

參考文獻(xiàn)：

1. *[Developing Power-optimized Applications on the MAX78000] * （利用 MAX78000 開發(fā)功耗優(yōu)化應(yīng)用）

審核編輯 黃宇