Miért játszhatnak kulcsszerepet a 8 bites MCU-k az IoT világában?

A „dolgok internete” hálózati végpontjainak megvalósításánál csábítóan egyszerű megoldásnak tűnik egy vezetékmentes interfésszel egybeintegrált 32 bites mikrovezérlő alkalmazása. Ám sokszor ez „ágyúval verébre” lövés a túlméretezett számítási teljesítményhez társuló szerény I/O-képességek miatt. A szerző javaslata: a terepi frontend és az RF-interfész közti kapcsolatot érdemes lehet egy „olcsó nyolcbites” megoldásra bízni.

Ahogy a világ egyre inkább összekapcsolódik a dolgok internete (IoT) és más kommunikációs technológiák segítségével, egyre általánosabb az alacsony költségű, néhány érzékelőbemenettel ellátott, kompakt és integrált 32 bites mikrokontroller/RF¹ modulok használata.
A 32 bites megoldások jól működhetnek a WiFi, a NarrowBand (NB) IoT és a Bluetooth kommunikációs szoftvereivel, mivel jól hasznosítják a nagyobb számítási teljesítmény előnyét, amit az RF csatornák biztonságos használata megkövetel. A nehézségek akkor kezdődnek, amikor a rendszer tervezése bonyolultabbá válik az érzékelőcsatornák növekvő száma miatt, vagy ha a távoli végpontokon alacsonyabb energiafogyasztású megoldásra van szükség. Ilyenkor lehet kifizetődő egy 8 bites MCU használatba vétele (1. ábra).

5 V-os I/O- és szenzortámogatás

Bár az ipar előnyben részesíti az 5 V-os tápfeszültség-ellátású ökoszisztémákat, ez problémát jelenthet, mivel a legtöbb integrált 32 bites MCU/RF nem kompatibilis az 5 V-os tápellátással, hanem rendszerint csak a 3,3 V-os tápfeszültség-tartományhoz illeszkedik. A szokásos válasz több szintváltó beépítése, vagy az analóg feszültségbemenetek „leskálázása”, azaz a 3,3 V-os jeltartományhoz illesztése. A probléma kiküszöbölhető, ha általános célú be/kimenetekkel (General Purpose I/O – GPIO) bővebben ellátott 8 bites MCU-t használunk, amely közvetlenül illeszthető az 5 V-os érzékelőkhöz, beavatkozókhoz és kapcsolókontaktusokhoz. A szintátalakításnak vagy az analóg jelek szinttartománya megváltoztatásának igénye ilyenkor csak a 8 bites MCU és a 32 bites MCU/RF kapcsolódási pontjainál merül fel. Esetleg még az is előfordulhat, hogy egyáltalán nem szükséges szintillesztőt beépíteni (legfeljebb talán néhány soros ellenállás kivételével), feltéve, hogy a 32 bites MCU-modul 5 V-ot elviselni képes bemenetekkel rendelkezik. Különösen akkor eredményez ez költségcsökkentést, ha még galvanikus leválasztásra is szükség van, hiszen kevesebb speciális integrált áramkört kell felhasználnunk a rendszer RF-alkatrészének védelmére.

A 8 bites MCU-k használatának a távoli végpontokban számos előnye van; nem utolsósorban az, hogy szükségtelenné válik a nagyobb hibatűrés biztosítása több érzékelő- vagy beavatkozóelem vezérlésénél. Ennek a kedvező hatása a terepi eredetű hibák befolyásának csökkenésében nyilvánul meg. Ezenkívül a 8 bites MCU-k általában nagy számú interfészkivezetéssel rendelkeznek, ellentétben a korlátozott számú be/kimeneti csatlakozóponttal ellátott 32 bites MCU/RF-modulokkal. A kevesebb szenzorinterfész-csatlakozás több probléma forrása lehet a be/kimeneti csatlakozópontok kiosztásánál, míg a 8 bites MCU-k magasabb szintű intelligens hibatűrése hasznos lehet a frontendhez (a terepi illesztőfelülethez – A ford. megj.) csatlakozó érzékelőtömbnél. Ez azt jelenti, hogy az olyan döntések, mint például, hogy a három hőmérséklet-érzékelő közül melyik hibásodott meg, helyben (tehát gyorsabban) hozhatók meg.

Rendszerparticionálás

A külső 8 bites MCU használatának másik előnye az érzékelők többségéhez való illesztés során, hogy minimális ráfordítást igényel egy ismert, bevált analóg/digitális frontend csatlakoztatása különféle RF-modulokhoz. Ha integrált 32 bites MCU/RF modult használunk, ahhoz általában nagy számú mintaalkalmazást kell kidolgozni annak bemutatására, hogy milyen könnyű csatlakozni a felhőhöz, bárki legyen is a szolgáltató. Ehhez képest lényegesen kevesebb mintaalkalmazás megvalósítására van szükség, ha a frontend az RF-egységhez a szabványos I²C- vagy SPI-buszon csatlakozik az érzékelőkhöz vagy a beavatkozókhoz.
Ugyanígy egy bevált, hitelesített érzékelő/beavatkozó frontend, amely jól definiált és megbízható interfésszel rendelkezik, nagyobb szabadságot enged az alkalmas RF-modulok kiválasztásánál, mivel a „portolás” (azaz a működő megoldás átvitele egyik modultípusról a másikra) minimális erőfeszítést igényel. Az új rendszer integrációja gyakorlatilag akkor lesz teljes, ha a két MCU közötti protokollréteget támogatja az új RF modul új fizikai rétege. Amint ezeket a problémákat megoldottuk, a figyelmet az új RF-csatorna helyes megvalósítására fordíthatjuk.
A távoli telepítésű vagy ipari környezet felhasználóinak fontos előnyt jelenthet a csatolt rendszerek beállítása a hibatűrő „hot swap” (üzem közben cserélhető) interfészek segítségével. Néha nem kerülhető el a teljes rendszercsere, de sokkal jobb, ha minimálisra csökkentjük az ismert és megbízható rendszerre való átálláshoz szükséges beavatkozást. A laza csatolás azt is jelenti, hogy egy ismert és megbízható RF-plat­form támogathatja a bővített rendszerkövetelményeket anélkül, hogy mindent elölről kellene kezdeni. Ez azt jelenti, hogy a felhasználók azon dolgozhatnak, mit kell javítani, és megtarthatják azt, amiben megbíznak.

Intelligens tápellátás-kezelés

A 8 bites MCU-k világának újabb előnye, hogy azt a nagyobb csíkszélességű gyártástechnológiák uralják. Ezeket kiváló statikus szivárgóáram-adatok jellemzik, és kiküszöbölik azt a statikus szivárgóáram és a sebesség közötti kompromisszumot, amellyel a kisebb kapuméretű integrált­áramköri technológiáknál elkerülhetetlenül szembe kell nézni. Ráadásul a kapuelektródákat elszigetelő oxidréteg az újabb gyártástechnológiáknál inkább már csak néhány atomnyi, nem pedig nanométerekben jól kifejezhető vastagságú. Amennyiben intelligens megoldásokat építünk be az alacsonyabb energiaigény megvalósításához, a nagyobb kapuméretű technológiákkal is elérhető az alacsony tápenergia-fogyasztás. Néhány 8 bites MCU-eszköznek olyan alacsony az áramfelvétele 32 kHz-es órajelű aktív használatnál, amely jobb, mint a 32 bites RF-modulok áramfelvétele készenléti állapotban. Ez egy pontos időalappal ütemezett energiagazdálkodással kiegészítve egyszerűsíti az elemek töltöttségi fokának ellenőrzését és a töltésvezérlést. Ugyanakkor a 32 bites RF-modulok aktív áramfelvétele – különösen a WiFi-alapú egységeknél – akár sok száz mA is lehet. Az akkumulátorok élettartamának végéhez közeledve előfordulhat, hogy nehéz fedezni a rendszerindításkor és az adási periódusok idején, valamint a hálózatra való felcsatlakozáskor fellépő magas áramigényt.
Ha viszont egy 8 bites MCU-ra alapozott energiagazdálkodási rendszert alkalmazunk, a fő RF-modult egy speciális utasítással „felébreszthetjük”, ami egy fázisokra bontott működésmóddal együtt csökkentheti a modul hálózatra csatlakozott állapotának fenntartásával járó energiafelvételt. A különleges ébresztő utasítás képes alkalmazkodni egy csökkentett adási energiaigényű megközelítéshez is a hálózatra való csatlakozáskor. A 8 bites MCU energiagazdálkodási rendszereinek egyik képessége, hogy rendszeres ciklusokban figyelheti az indításkor keletkező csúcsáramokat és a feszültségeséseket, és továbbadhatja azokat minden újabb ébresztési ciklusban való felhasználásra. Ezekre az adatokra támaszkodva a felhőalapú gépi tanulási motorok sokkal hatékonyabban tekinthetik át az akkumulátorrendszerek működését, és előre jelezhetik a hibákat.

Egyszerűbben programozható mikrovezérlők

Az elmúlt években a 32 bites MCU/RF-modulok programozási módszereiben fontos fejlesztések történtek. Míg ezen modulok egy része Arduino-alapú támogatással rendelkezik, amely segít rövidíteni a fejlesztés idejét, ez a megközelítés problematikus lehet, ha fejlettebb tápenergia-gazdálkodással, felhasználói szenzorokkal vagy más perifériákkal is foglalkoznunk kell. Természetesen az Arduino-támogatókód roppant hasznos, de sok esetben nem teljes, és a professzionális felhasználók körében bizalmi problémák is felvetődnek.
Ezenkívül – miközben az IC-gyártók biztosítják a támogatást – az integrált 32 bites RF-modulok a „puszta vas” szintjén viszonylag összetettek. A 32 bites rendszer feleslegesen túlméretezett megoldásnak tűnhet a kis terjedelmű vezérlések vagy állapotfigyelések megvalósításához, és nem túl intuitív, ha mondjuk megpróbálunk rossz bitet találni a 0x23AA123C perifériavezérlő kódszóban.
A 8 bites programozói modell másrészről ismerős interfészfelületet kínál a szokásos egyszerű 8 bites perifériakészlethez (amelynek időzítőregiszterei jellemzően 16 bitesek). Könnyebb a bitszintű hibakeresés, valamint a 8 bites MCU-k jellegzetes perifériakészletének megismerése, megértése és kezelése. Ennek fő oka az, hogy nincsenek bonyolult energiaigény-csökkentő vagy buszinterfész-szinkronizáló funkcionalitások. A 8 bites MCU-k órajel­struktúrája is könnyebben áttekinthető.
Mindez lényegében összefoglalja azon 8 bites MCU-alapú társeszközök használatának célszerűségét, amelyek olcsó, alacsony fogyasztású, intelligens (de nem IoT-re szánt) megoldást kínálnak, és amelyek olyan „unalmas” feladatokat is kezelni tudnak, mint például a „háztartásvezetési” alapfeladatok vagy az energiagazdálkodás. A Microchip 8 bites MCU-termékei között a PIC18-Q41 és az AVR DB-család egyaránt az analóg funkciók széles skáláját kínálja. Ezek közé tartoznak a csipre integrált műveleti erősítők és a több feszültségszintű GPIO. Ez utóbbi funkció minimálisra csökkenti a külső analóg alkatrészek vagy szintváltók szükségességét.
Összefoglalva: bár jelenleg, amikor már többmagos 32 bites MCU/RF-modulok is beszerezhetők, jelentős előnyökkel járhat egy 8 bites MCU bevonása, ha megbízható, kis energiaigényű terepi végpontot tervezünk az IoT világába. Az átfogó energia- és szenzorkezelés megvalósításának lehetősége egy kis méretű tokozatban azt jelenti, hogy a 8 bites MCU-k továbbra is fontos szerepet játszanak a 32 bites IoT-környezetben.

Jegyzet

¹ A cikkben a „mikrovezérlő/RF” vagy „MCU/RF” kifejezéseket olyan integrált rendszer­csipek megnevezésére használjuk, amelyben a szokásos bépített perifériakészletű MCU-k mellett nagyfrekvenciás, vezetékmentes kommunikációra alkalmas hardveregység is megtalálható. – A ford. megj.)

Szerző: Bob Martin, vezető alkalmazástechnikai mérnök – Microchip Technology

www.microchip.com