Pourquoi les microcontrôleurs 8 bits jouent-ils un rôle clé dans le monde de l'IoT ?

Par : Bob Martin, ingénieur principal des applications techniques, Microchip Technology

Alors que le monde devient de plus en plus connecté via l'Internet des objets (IoT) et d'autres technologies de communication, la norme consiste à utiliser des modules RF de microcontrôleur 32 bits compacts, intégrés et à faible coût qui offrent plusieurs capteurs.

Les solutions 32 bits fonctionnent bien avec les piles de communication pour le Wi-Fi, l'IoT à bande étroite (NB) et le Bluetooth, qui bénéficient également d'une puissance de calcul accrue qui assure la sécurité des canaux RF. Les difficultés commencent lorsque la conception du système devient plus compliquée à mesure que le nombre de canaux de capteurs augmente ou qu'une consommation d'énergie plus faible est requise pour les emplacements plus éloignés. C'est à ce moment que l'ajout d'un MCU 8 bits peut être rentable (voir Figure 1).

E/S 5 V et prise en charge des capteurs

Bien que l'industrie favorise les écosystèmes d'alimentation 5 V, cela peut être un problème car la plupart des RF/MCU 32 bits intégrés ne prennent pas en charge 5 V et ont tendance à ne prendre en charge que le domaine 3,3 V. Il s'agit généralement d'avoir plusieurs décalages de niveau ou de réduire les entrées de tension analogiques. pour atteindre les niveaux de 3,3 V. Ce problème est éliminé en utilisant un microcontrôleur 8 bits plus efficace GPIO, qui offre une interface directe aux capteurs, actionneurs et contacts de commutation basés sur 5 V.

Le besoin de mise à niveau ou de mise à l'échelle ne s'applique désormais qu'au canal de communication entre le MCU 8 bits et le module MCU/RF 32 bits. Même dans ce cas, le décalage de niveau peut ne pas être nécessaire du tout (peut-être une isolation de résistance série) si le MCU 32 bits dispose d'entrées tolérantes à 5 V. Même si une isolation galvanique est également requise, le coût peut être minimisé en réduisant le nombre de circuits intégrés (CI) spécialisés nécessaires pour protéger l'élément RF du système.

El uso de MCU de 8 bits en instalaciones remotas tiene varias ventajas, entre ellas que elimina la necesidad de proporcionar una mayor tolerancia a los fallos mediante el uso de múltiples sensores o el control de actuadores, lo que puede disminuir el impacto de los fallos de Campagne. De plus, les MCU 8 bits ont généralement un nombre élevé de broches d'interface, contrairement à un module MCU/RF 32 bits limité par des broches. Moins de connexions d'interface aux capteurs signifie plus de problèmes de brochage d'E/S, tandis que les microcontrôleurs 8 bits permettent d'ajouter un niveau de tolérance aux pannes intelligente aux matrices de capteurs à l'avant. Cela signifie que des décisions telles que laquelle des trois sondes de température est défaillante peuvent être prises localement (et donc plus rapidement).

Partition système

Un autre avantage de l'utilisation d'un microcontrôleur 8 bits externe pour s'interfacer avec la plupart des capteurs est qu'un effort minimal est requis pour installer un frontal analogique/numérique fonctionnant correctement sur différents back-ends de modules RF. Si vous utilisez un module MCU/RF 32 bits intégré, il existe généralement de nombreux exemples d'applications destinés à montrer à quel point il est facile de se connecter au cloud, quel que soit le fournisseur. Cependant, il peut y avoir beaucoup moins d'exemples d'application lors de l'interfaçage avec des capteurs ou des actionneurs en dehors du bus I2C ou SPI standard.

De même, disposer d'un frontal de capteur/contrôle bien connu et validé avec une interface bien définie et fiable offrira également plus de liberté dans la sélection des bons modules RF, car l'effort de portabilité sera réduit au minimum. Le nouvel effort d'intégration du système sera pratiquement terminé si la couche de protocole entre les deux MCU est prise en charge par la nouvelle couche physique dans le nouveau module RF. Une fois ces problèmes résolus, l'attention peut être concentrée sur la mise en œuvre correcte du nouveau canal RF. Les utilisateurs dans des environnements distants ou industriels peuvent bénéficier de la possibilité de configurer des systèmes ancrés avec des interfaces remplaçables à chaud qui sont tolérantes aux pannes. Parfois, il n'est pas possible d'éviter une permutation complète du système, mais il est préférable de minimiser le basculement global vers un système de confiance connu. Être faiblement couplé signifie également qu'une plate-forme RF connue et fiable peut prendre en charge des exigences système étendues sans avoir à tout recommencer. Cela signifie que les utilisateurs peuvent travailler sur ce qui doit être amélioré et conserver ce en quoi ils ont confiance.

Contrôle de la puissance intelligente

Une autre caractéristique du monde des microcontrôleurs 8 bits est qu'il est dominé par des technologies de processus plus importantes. Ceux-ci garantissent un nombre plus élevé de fuites statiques et éliminent le compromis inévitable, lors de l'utilisation de technologies de porte IC plus petites, de fuite de courant statique par rapport à la vitesse.

De plus, l'épaisseur d'oxyde de grille dans les nouveaux nœuds de processus est probablement mieux mesurée par le nombre d'atomes que par l'utilisation de nanomètres. En incorporant un dispositif de commande intelligent à faible puissance, il est possible d'améliorer le fonctionnement à faible consommation. Certains dispositifs MCU 8 bits ont des courants actifs qui fonctionnent à partir d'une horloge standard de 32 kHz qui approchent ou dépassent les courants de veille des modules RF 32 bits. Cet ajout d'un système de contrôle de puissance précis et basé sur le temps simplifie le processus de surveillance de l'état des batteries et de leur charge. Les courants actifs des modules RF 32 bits, en particulier ceux basés sur le Wi-Fi, peuvent atteindre plusieurs centaines de milliampères. Les batteries à la fin de leur durée de vie utile peuvent avoir des difficultés à maintenir le courant de démarrage et de transmission requis par la connexion à un réseau.

Avec le système de contrôle de puissance basé sur MCU 8 bits, le module RF principal peut être "réveillé" avec une commande spécifique qui réduit la demande de courant pour que le module s'allume de manière plus échelonnée. Le réveil spécial peut adopter une approche de puissance de transmission réduite pour se connecter au réseau. Une caractéristique du système de contrôle de puissance MCU 8 bits est qu'il peut surveiller les pics de courant d'appel et les creux de tension dans des cycles réguliers et les transmettre à chaque cycle de réveil. Grâce à ces données, les moteurs d'apprentissage automatique dans le cloud peuvent profiler les systèmes de batterie de manière beaucoup plus efficace et prévoir les pannes.

Simplification de la programmation du MCU

Ces dernières années, des avancées significatives ont été réalisées dans la simplification de la programmation des modules MCU/RF 32 bits. Bien que bon nombre de ces modules aient un support basé sur Arduino, ce qui peut aider à raccourcir les temps de développement, cette approche peut être problématique s'il y a plus d'interfaces pour contrôler l'alimentation, les capteurs clients ou d'autres périphériques. Bien sûr, le code de support Arduino est énorme, mais il est incomplet dans de nombreux cas, et il existe des problèmes de confiance parmi les utilisateurs professionnels.

De plus, alors que les fournisseurs de circuits intégrés offrent une assistance, les modules RF intégrés 32 bits sont relativement complexes sur la couche métallique. Avoir 32 bits peut sembler une surpuissance inutile pour de petites quantités de contrôle ou d'état, et n'est pas intuitif lorsque vous essayez de trouver un mauvais bit dans une valeur de contrôle périphérique de 0x23AA123C.

Le modèle de programmation MCU 8 bits, en revanche, offre une interface familière en morceaux de 8 bits (éventuellement 16 bits pour les registres de temporisation). En plus de faciliter le débogage des champs de bits, les assemblages de périphériques MCU 8 bits sont souvent beaucoup plus faciles à comprendre. L'une des principales raisons est qu'ils n'ont pas besoin d'impliquer ou de présenter une synchronisation d'interface de bus plus complexe ou une fonctionnalité de réduction de puissance. Les arbres d'horloge dans les microcontrôleurs 8 bits sont également plus faciles à comprendre.

Cela résume essentiellement la raison d'avoir un dispositif enfichable MCU 8 bits, qui est d'offrir une solution à faible coût, à faible consommation d'énergie et intelligente (mais pas dédiée à l'IoT) capable de gérer des tâches aussi fastidieuses que l'appareil maintenance, ainsi que le contrôle de la puissance.

En ce qui concerne la famille de dispositifs MCU 8 bits de Microchip, la famille PIC18-Q41 et la famille AVR DB offrent une large gamme de fonctions analogiques. Ceux-ci incluent des amplificateurs d'entraînement sur puce et des GPIO à tension multiniveaux. Cette dernière caractéristique minimise le besoin de composants analogiques externes ou de décalages de niveau.

En résumé, bien qu'il existe aujourd'hui davantage de modules MCU/RF multicœurs 32 bits, de grands avantages peuvent être obtenus en ajoutant un MCU 8 bits lors de la conception de nœuds de périphérie robustes et à faible consommation dans le monde de l'IoT. En offrant un contrôle complet des capteurs et de l'alimentation dans un si petit boîtier, les microcontrôleurs 8 bits continueront de jouer un rôle important dans les environnements IoT 32 bits.