Autor: ross Schulranzen
Beim Entwurf robuster Edge-Knoten muss der Entwickler eingebetteter Systeme häufig diese vier Hauptfaktoren berücksichtigen:
- Sensorschnittstelle
- Geringer Stromverbrauch
- physische Größe
- Sicherheit
Microchip Technology bietet Mikrocontroller mit einem breiten Eingangsspannungsbereich von 1,8 bis 5,5 V an, was sie in lauten Umgebungen sehr wertvoll macht, da Signale von Hintergrundgeräuschen durch ihre Fähigkeit, bis zu 50 mA an jedem GPIO-Pin zu liefern oder zu senken, sowie industriell unterschieden werden können (-40°C bis 85°C) und erweiterte (-40°C bis 125°C) Temperaturbereiche.
Sehen wir uns diese vier Faktoren genauer an.
Sensorschnittstellen
Sensorschnittstellen können unterschiedlicher Art sein. Der Konstrukteur eingebetteter Systeme verwendet typischerweise: analoge Sensoren, die eine kontinuierlich variierende Spannung oder Strom liefern, digitale Sensoren, die Logikpegel oder Datenströme verwenden können, wie z. B. serielle Kommunikation, variable Pulsweitenmodulation (PWM) als Sensoren, Drosselklappenpositionssensoren oder Flugsensoren zum Erkennen von Entfernungen. Studieren wir sie genauer.
Analoge Sensorschnittstellen
Die Möglichkeit, zwischen diskreten analogen oder integrierten analogen Geräten zu wählen, bedeutet, dass der Benutzer das richtige analoge Werkzeug für seine Anwendung auswählen kann. Durch die Verwendung größerer Prozesstechnologie auf unseren Siliziumwafern ist das integrierte analoge Peripheriegerät viel weniger anfällig für Übersprechen sowie für induktives oder kapazitives Rauschen, das zunimmt, wenn Hersteller viel kleinere Prozesstechnologien einsetzen. Die integrierten analogen Peripheriegeräte von Microchip sind genauso konfigurierbar, wie der Benutzer jedes andere Peripheriegerät konfigurieren würde. Die Verfügbarkeit integrierter Peripheriegeräte ermöglicht es dem Benutzer auch, diese als Eingaben zu lesen; Beispielsweise möchte der Benutzer möglicherweise die Komparatoreingänge während einer bestimmten Phase des Programms kennen.
Schauen wir uns einige dieser analogen Peripheriegeräte an, beginnend mit Operationsverstärkern.
Integrierte Operationsverstärker
Die integrierten Operationsverstärker von Microchip enthalten auch die zugehörigen passiven Schaltungen, wie z. B. die interne Widerstandsleiter, mit der die programmierbare Verstärkung eingestellt und sogar während der Laufzeit geändert werden kann. Die Konfiguration des Operationsverstärkers kann auch zur Laufzeit geändert werden, sodass der Benutzer zur Laufzeit zwischen invertierenden, nicht invertierenden, Einheitsverstärkung (Spannungsfolger) und benutzerdefinierten diskreten Konfigurationen wechseln kann, was eine Flexibilität bietet, die der von diskreter Hardware allein weit überlegen ist. bei gleichzeitiger Minimierung der mit diskreter Hardware verbundenen Kosten.
Bei der Verwendung diskreter Hardware ist der Entwickler oft gezwungen, seine Mixed-Signal-Anwendung so zu gestalten, dass sie mit den schlimmsten Bedingungen fertig wird, und dies erfordert Leistungseinbußen. Die Verwendung integrierter analoger Peripheriegeräte ermöglicht es dem Benutzer jedoch, seiner Anwendung etwas Intelligenz hinzuzufügen, sodass das eingebettete System die Verstärkung und Einstellungen des Operationsverstärkers ändern oder sie sogar im laufenden Betrieb kaskadieren kann. Dadurch kann der Anwender seine Anwendung optimal an die jeweilige Situation anpassen und profitiert gleichzeitig vom geringeren Verbrauch an Peripheriegeräten im Vergleich zu softwarebasierten Lösungen.
Es muss daran erinnert werden, dass der integrierte Operationsverstärker kein „Wundermittel“ ist und daher nicht immer für alle möglichen Anwendungen am besten geeignet ist. Wenn der Benutzer beispielsweise eine Anwendung entwickelt, die eine überlegene analoge Leistung, eine duale Stromversorgungskonfiguration oder eine spezialisierte Variante erfordert, sollte er sich die breite Palette von Operationsverstärkern von Microchip ansehen. Es ist ein perfektes Beispiel für die Auswahl des richtigen Werkzeugs für die jeweilige Aufgabe.
A/D-Wandler (ADC) mit erweiterten Funktionen
Die fortschrittlichen ADC-Peripheriegeräte von Microchip enthalten Hardwarefunktionen, die traditionell nur über softwarebasierte Treiber verfügbar waren, wie z. B. Akkumulation, Burst-Modi, Mittelwertbildung, Fenstervergleich und Filterung. Wie immer können diese ADC-Peripheriegeräte externe Referenzspannungen sowie mehrere verschiedene interne Referenzspannungen zusammen mit Autokonvertierungs-Triggerung verwenden. Infolgedessen kann der Benutzer auf Hardwarefunktionen zugreifen, die verwendet werden können, während sich die CPU im Energiesparmodus befindet. Beispielsweise kann der Benutzer einen ADC-Fenstervergleich konfigurieren, der die CPU nur aktiviert, wenn das Eingangssignal außerhalb dieses Fensters liegt, damit die CPU dieses Eingangssignal richtig verarbeiten kann. Dies bedeutet, dass die CPU viel weniger aktiviert wird, wodurch Energie gespart wird, die in Low-Power-Anwendungen lebenswichtig ist. Dies bietet den zusätzlichen Vorteil, dass das System- und damit das Sensorrauschen reduziert wird, da digitale Komponenten wie Uhren und PWM bei Verwendung deaktiviert werden können.
digitale Sensorschnittstellen
Wenn ein Entwickler von eingebetteten Systemen mit der Entwicklung einer Anwendung beginnt, wird er im Allgemeinen versuchen, seine Sensoren und Geräte so weit wie möglich um eine einzige Spannung zu bündeln. Das Ziel besteht darin, die Komplexität, die Laufzeitverzögerung, die Materialliste und die Kosten für den Platzbedarf der gedruckten Schaltungsplatine zu verringern, die mit der Verwendung von Pegelverschiebungsschaltkreisen verbunden sind.
MVIO (Mehrspannungs-E/A)
MVIO (Multi-Voltage I/O) ermöglicht es dem Benutzer, einen ganzen I/O-Port mit einer zweiten Spannung von 1,62 V bis 5,5 V zu konfigurieren. Das MVIO-Peripheriegerät verbraucht im Betrieb nur 500 nA, was es ideal für Anwendungen mit geringem Stromverbrauch macht. Die digitale Antwort serieller Protokolle (I2C, SPI, USART), PWM und GPIO arbeiten mit der zweiten Spannung, deren Schmitt-Trigger-Pegel basierend auf dieser zweiten Spannung angepasst werden. Außerdem kann die zweite Spannungsschiene geteilt werden, um als ADC-Eingang als Spannungsreferenz zu dienen.
CLC (konfigurierbare Logikzelle)
Der Benutzer kann dieses Peripheriegerät als eine der verschiedenen logischen Konfigurationen konfigurieren, die je nach Gerät Gatter dieser Art enthalten: AND, NAND, AND-OR, AND-OR-INVERT, OR-XOR, OR-XNOR. Der Benutzer kann außerdem zwischen folgenden Latches und Flipflops wählen: SR-Latch, JK-Flipflop mit Reset, taktsynchronisiertes D-Latch mit Set und Reset und transparentes D-Latch mit Set und Reset. Der Benutzer kann die Vorteile der grafischen Konfigurationstools von Microchip nutzen, um einfacher benutzerdefinierte Peripheriegeräte basierend auf seinen Anwendungsanforderungen zu erstellen.
Dies kann so einfach wie ein Tastenentpreller oder komplexer wie ein individuell adressierbarer Hardware-RGB-LED-Treiber WS2812B sein, bei dem SPI, PWM und CLC für eine kundenspezifische Steuerungsperipherie kombiniert werden. Treiber für diesen LED-Typ, die sich traditionell auf ein benutzerdefiniertes Kommunikationsprotokoll verlassen haben, werden von Software gesteuert und erfordern einen Hochgeschwindigkeits-Systemtakt, der die CPU stark belastet. CIP-Peripheriegeräte (Core Independent Peripherals) ermöglichen es jedoch, den Systemtakt zu reduzieren, sodass die CPU mehr Zeit im Energiesparmodus verbringen oder sogar andere Aufgaben gleichzeitig ausführen kann.
CIPs bieten dem Benutzer auch eine größere Reaktionsfähigkeit im Vergleich zur Verwendung einer CPU. Dies liegt daran, dass die periphere Ausbreitungsverzögerung typischerweise in der Größenordnung von Nanosekunden liegt, während Unterbrechungs- und andere Latenzzeiten aufgrund softwarebasierter Verarbeitung typischerweise mehrere Größenordnungen höher sind.
Geringer Stromverbrauch
Die 8-Bit-Mikrocontroller von Microchip bieten drei Energiesparmodi (Ruhezustand), Idle, Standby und Power-Down genannt, sowie einen konfigurierbaren Standby-Modus, in dem Peripheriegeräte ein- oder ausgeschaltet werden können. Wenn alle Peripheriegeräte getrennt und im Power-Down-Modus sind, verbraucht der AVR-DB nur 700 nA, was ihn ideal macht, um eine lange Batterielebensdauer in Edge-Node-Anwendungen für die Fernerfassung mit geringem Stromverbrauch zu gewährleisten.
Der Benutzer kann das AVR-Ereignissystem verwenden, um Signale zwischen Peripheriegeräten zu senden, ohne die CPU zu aktivieren. Als Ergebnis davon werden vorhersagbare Reaktionszeiten zwischen Peripheriegeräten erhalten und daher eine autonome Steuerung und Interaktion sowie ein Synchronisieren der Aktionen der Peripheriegeräte.
Eingebettete CIPs sind außerdem stark miteinander verbunden, sodass Signale direkt zwischen Peripheriegeräten gesendet werden können, was die Datenübertragung zwischen Peripheriegeräten erheblich vereinfacht und viel weniger Strom verbraucht als ein softwarebasiertes Design.
physische Größe
Die 8-Bit-PIC- und AVR-Mikrocontroller von Microchip sind in verschiedenen Gehäusen erhältlich, um Designanforderungen zu erfüllen, darunter PDIP, SOIC, SSOP, VQFN und TQFP. Dies bietet Flexibilität bei der Entwicklung des endgültigen Leiterplattendesigns. Es sollte jedoch beachtet werden, dass der maximale Strom des Mikrocontrollers durch die Verlustleistungseigenschaften des Gerätepakets begrenzt sein kann.
Sicherheit
In den letzten Jahren gab es einen Trend von Sensorknoten, die ihre gesamte Verarbeitung in der Cloud durchführen, hin zu Edge-Knoten, die den größten Teil ihrer Verarbeitung lokal durchführen, bevor sie die Ergebnisse an die Cloud senden. Dies senkt die Kosten von Cloud-Diensten, indem häufige bidirektionale Datenübertragungen und Rechenverarbeitung sowie ein erhöhter Verbrauch am Sensorknoten aufgrund häufiger Übertragungen von mehr Daten durch Senden von Rohdaten an die Cloud reduziert werden.
Entwickler von eingebetteten Systemen können auf einen stromsparenden 8-Bit-Mikrocontroller zurückgreifen, der für die direkte Verbindung mit den Sensoren verwendet wird, während ein leistungsstärkeres 16-Bit- oder 32-Bit-Gerät dazu dienen kann, die größte Rechenlast und den größten Speicher bereitzustellen, die mehr benötigen Komplexe und sichere Kommunikation. Durch die Verringerung der Gesamtzahl der Datenübertragungen zwischen dem Edge-Knoten und dem Cloud-Dienst können sowohl die Cloud-Kosten als auch die Batterienutzung erheblich gesenkt werden. Darüber hinaus können Ingenieure durch die Nutzung eines zweiten, leistungsfähigeren Mikrocontrollers in ihrem Design sogar maschinelles Lernen am Rand einführen, wodurch ihr Systemdesign viel leistungsfähiger wird, wenn es darum geht, Muster in Daten aufzudecken und Erkenntnisse zu gewinnen.
Designer können auch von den sicheren Elementen von Microchip profitieren, wie dem ATEC608B, der die signaturverifizierte Authentifizierung mit dem Elliptic Curve Digital Signature Algorithm (ECDSA) für den Markt des Internets der Dinge (IoT) verwendet, was ihn ideal für Sensorknoten macht.
Benutzerfreundliche Software-Tools, die helfen, die Entwicklungskosten zu senken
Integrierte Peripheriegeräte ermöglichen es dem Benutzer, die Komplexität seines Leiterplattendesigns zu reduzieren, wertvolle Bodenfläche zu sparen und die Gesamtzahl der Komponenten in seiner Materialliste zu reduzieren.
Dies wird durch grafische Softwaretools wie MCC/Melody und Harmony weiter vereinfacht, um Peripheriegeräte und das System zu konfigurieren. Diese Tools können schnell installiert und ausgeführt werden, da sie eine allgemeine Ansicht des Mikrocontrollers und der Peripheriefunktionen bieten. Damit kann der Anwender den Zeitaufwand für das Studium der Datenblätter seiner Mikrocontroller deutlich reduzieren. Es ist ideal für Designer, die die Funktionen neuer oder vielleicht unbekannter Peripheriegeräte bewerten, und es generiert Code, der in der Produktion oder als praktische Referenz für diejenigen verwendet werden kann, die ihre eigenen Treiber entwickeln möchten.
Alle von Microchip angebotenen Mikrocontroller und Mikroprozessoren können mit der MPLABX IDE programmiert werden, die unter Windows, MacOS und Linux mit unseren Compilern wie XC8, XC16 und XC32 läuft. Der Designer kann seine Anwendung debuggen, ohne die IDE zu verlassen, und kann den Data Visualizer verwenden, um eine Verbindung zum Data Gateway Interface (DGI) und zu seriellen Ports herzustellen sowie Informationen auf einem Terminal zu extrahieren oder ein Diagramm von Datenwerten im Laufe der Zeit zu erstellen. im Laufe der Zeit. Der Data Visualizer kann auch mit dem Power Debugger von Microchip verwendet werden, der über zwei unabhängige Messkanäle verfügt und bis zu 100 mA zwischen 1,6 V und 5,5 V liefern kann, um das Gerät mit Strom zu versorgen und ab 100 nA auf dem hochauflösenden Kanal zu messen. Damit eignet sich der Power Debugger ideal für die jahrelange Optimierung stromsparender, batteriebetriebener Anwendungen.
Das Gerätedatenblatt und andere nützliche Dokumentationen können über das MPLABX-Kit-Fenster eingesehen werden. Jedes Datenblatt deckt eine Gerätefamilie ab, sodass Geräte in einer Familie verglichen werden können, um diejenigen zu identifizieren, die die Designanforderungen am besten erfüllen. Zu diesen Anforderungen gehören Speicher, RAM, Art und Anzahl der Peripheriegeräte, einschließlich unterstützter serieller Protokolle und CLCs (Configurable Logic Cells). Wenn ein PIC-Entwicklungsboard oder AVR Curiosity Nano verwendet wird, kann der Benutzer auch auf das Curiosity Nano-Benutzerhandbuch, Codebeispiele auf GitHub, Schaltpläne und Altium-Projektdateien über das Kit-Fenster zugreifen.
Abbildung 1: MPLABX IDE Window Kit für Curiosity Nano mit externen Links und Layoutdateien.
Benutzerfreundliche Hardware-Tools zum Programmieren und Debuggen
Microchip bietet mehrere Hardware-Tools zur Evaluierung eines Mikrocontrollers an, wie z. B. Curiosity Nano Development Boards, die mit dem Curiosity Nano Base Board verwendet werden können, um die Verwendung jeder Tochterplatine über MikroBUS-Buchsen zu erleichtern. All dies vereinfacht die Entwicklung eines Prototyps oder eines Proof of Concept erheblich. Wenn der Designer beginnt, eine kundenspezifische Leiterplatte für seine Anwendung zu entwickeln, kann er seine Anwendung mit dem PICKit-Debugger-Programmierer programmieren und debuggen.
Fazit
Mit den 8-Bit-PIC- und AVR-Mikrocontrollern von Microchip können Ingenieure eingebetteter Systeme robuste, stromsparende Sensorknoten einfacher und schneller als je zuvor mit weniger Kompromissen entwickeln. Designer können von einem leistungsstarken Satz kernunabhängiger Peripheriegeräte (CIPs) profitieren, einschließlich der Erstellung benutzerdefinierter Peripheriegeräte, sowie Hardwarefunktionen nutzen, die bisher Hochleistungs-CPUs erforderten, während sie gleichzeitig in einem Energiesparmodus (Ruhezustand) bleiben. . Mit PIC- und AVR-Mikrocontrollern macht Microchip die Entwicklung von Fernerkundungs-, Cloud-verbundenen und maschinellen Lernknoten einfacher als je zuvor.
