ADI低功耗MCU加速物联网应用落地

出处:ADI 发布于:2022-12-09 16:56:17

    无论是黑灯工厂里设备的有序运行,还是温馨家居中电器的自动感知,抑或是数字医疗中的体征信号数据采集,微控制器(MCU)几乎是解决一切有控制需求场景的“钥匙”。近年来,随着物联网走入更广泛的场景,例如可穿戴设备、远程测控、无线传感等诸多应用中,衍生出大量的低功耗类数据采集和控制需求,低功耗MCU成为微控制器品类中的一个重要细分市场。根据相关资讯预测,在微控制器市场份额中,低功耗微控制器约占15%~20%,2019年市场规模为44亿美元,预计到2024年将增长到129亿美元,年复合增长率(CAGR)高达24.1%。
    “想一想佩戴起搏器的病人每隔5年或10年开刀,就是因为起搏器电池没电了;为偏远地区的铁路山体塌方监测仪更换电池,维护成本可能超过设备本身;关键设施的地震监测如果在发生地震时因为电池没电而不能正常监测……很多应用场景对产品方案提出越来越严格的功耗要求,低功耗MCU正随着物联网应用的普及迎来爆发增长期。”ADI公司资深业务经理李勇在近的行业交流活动中指出。ADI从2010年开始加强低功耗MCU产品的设计研发,结合其传统的高性能信号链技术和业界的电源管理技术,目前已经成功打造了多个系列的超低功耗MCU产品,适用于工业、消费电子、可穿戴医疗等广泛领域。
    低功耗“刚需”加速物联网应用落地,独特MCU设计打造省电“芯榜样”
    自上世纪60年代末70年代初,微控制器产品雏形出现,为至今50余年的消费电子、计算机通信、工业、汽车电子、物联网电子设备创新持续赋能。在此过程中,MCU性能不断进阶,16位、32位乃至64位MCU持续迭代更新,各种应用品类层出不穷,越来越多的功能部件如存储器、I/O端口、时钟、A/D转换,以及SPI、I2C、ISP等数据传输接口被整合。
    ADI低功耗MCU产品赋能千行百业应用
    “每一个嵌入式系统都需要至少一个MCU,面对如今越来越多的智能化场景,MCU要求在短启动时间和多种唤醒事件之间达到的平衡,功耗则成为这类应用关键的制约因素。”李勇敏锐地指出随着传统应用升级及新兴市场带动,低功耗MCU正不断触发其增长潜力。作为微控制器的一个细分市场,低功耗MCU主要面向便携式设备、电池供电、能量采集等需要低能耗工作的电子产品,通常采用了与常规微控制器不同的设计方法和工艺选择,以降低MCU的能耗和漏电流,从而使其工作更长的时间,为电池或能量采集等方式供电的设备提供更持久的续航能力。例如连续血糖监测仪要求电池续航14天以上,智能仪表要求电池续航6年以上,地质灾害监测则要求环境自供电续航等,都需要MCU以极低功耗完成数据采集、信号处理等过程。
    事实上,低功耗MCU涉及的关键技术和设计挑战非常多,从如何定义系统架构、构建平台和MCU生态系统到数字电路设计,从工艺的选择到模拟电路设计,从可靠性设计到低功耗设计,从应用创新到满足客户各种需求等,每方面都对设计公司提出很高要求。“尽管现阶段市场上的低功耗MCU百花齐放,但ADI还是凭借在低功耗与高性能等多方面的独特优势,拥有很强的市场竞争力。”李勇自信地表示。
    ADI非常重视低功耗MCU这一重要市场,目前针对汽车、消费、工业、医疗等多个领域已推出具有优异低功耗性能的一系列产品。ADI低功耗MCU无论在活跃模式(Active Mode)或睡眠模式(Deep Sleep Mode)等多个工作模式下都可以保持尽量低的功耗,甚至在外扩SRAM串口时的带电功耗也非常低,这其中采用了大量的差异化设计创新思路,例如:活跃模式下MCU全速运行,不同的功能模块可以进行独立控制关断或激活,从而实现节电效果;由于可穿戴设备大多数时间都处于休眠状态,在睡眠模式下ADI低功耗MCU主核可关闭,但内置的智能DMA控制器仍能正常工作,保证了系统设计灵活性的同时,将整体解决方案的功耗控制得仍然很低;为避免因时钟源频率过高导致功耗变大,MCU芯片集成了大约3-6个时钟源,客户无需配置外部晶振便可控制关断用以唤醒设备外的很多外设模块,使MCU漏电流尽可能小……
    MAX32660上的DMA控制器的架构图
    “这主要得益于ADI全新系列低功耗MCU除了Cortex-M4核之外,通常还内置了一颗RISC-V核,负责蓝牙通信与I/O口传感器数据的传输监控等,由于RISC-V核通常功率较低,因此在睡眠模式下实现了既不影响设备的正常工作,又能保持低功耗水准。就像智能手表处于休眠状态时,表盘可能不会呈现任何信息,因为Cortex-M4内核处于休眠状态,但RISC-V核仍然在进行传感器数据采集。”李勇补充说。
    除了内核的低功耗设计非常关键之外,存储器的频繁数据存取产生的功耗也至关重要。在可穿戴设备中MCU通常需要频繁地对SRAM进行数据存取,在睡眠模式下也不能关断,而ADI低功耗MCU可以实现分块关断从而可以进一步实现功耗的优化,例如仅预留16k、32k或64k SRAM空间来存放数据,即便是预留160k存储空间工作电流也仅有2μA,这在MCU设计中也是比较关键的参数,用户可以在功耗设计时做好平衡。
    不止于低功耗,多个MCU关键性能升级锦上添花
    ADI低功耗MCU除了在低功耗上的表现突出之外,高性能、安全可靠同样是其重要标签。由于通常比竞争对手采用了主频更高的Cortex-M4内核(主频100MHz左右),同时内置大容量存储器,ADI低功耗MCU可以支持复杂的应用,以及完成一些复杂的算法,甚至一些小型操作系统。
    另一方面,随着人们对嵌入式领域的信息安全和程序安全越来越重视,MCU安全等级也正在逐步提升,越来越多的设备应用要求对数据信息进行保护。ADI低功耗MCU内部集成了安全算法,可以利用安全引导与加密算法的方式来保护客户的代码或数据信息,甚至通信数据也可以进行加密防止黑客获取。
    除此之外,物联网应用不仅对功耗敏感,同时对设备尺寸、成本也很敏感,ADI低功耗MCU通过集成了多功能来实现更紧凑的产品方案和整体更低的BOM成本。李勇强调道:“我们的方案针对不同的应用集成了不同的外设,例如蓝牙、电源管理以及模拟前端,所以,客户在做一些自己的应用的时候,甚至可以用单独一片芯片就能够完成它的设计,从而实现比较低的BOM成本,同时实现低功耗和小尺寸。”据李勇透露,即将推出的MAX32690将应用处理内核Cortex-M4和蓝牙专用核RISC-V集成在同一芯片上,并且蓝牙专用核还带自己的存储区,使得应用程序和蓝牙代码可以完全独立的运行,实现了高效率和低功耗的完美组合。
    布局多元化MCU产品线,积极应对未来市场需求

    不同应用场景,对MCU在功能、性能和功耗的需求可能会有很大差异,因此针对不同应用场景,市面上的厂商也都进行着精细化设计。“依托在模拟与信号链设计方面的研发制造经验,ADI目前已布局了丰富的产品线系列。”李勇进一步介绍道,“90nm工艺的通用型低功耗产品MAX32630/32620/32625,针对可穿戴设备、物联网终端多市场应用的MAX32650/32665/32670,针对工业市场应用优化的MAX32672/32680/32675等,都是性能非常、功耗水平非常低的MCU产品。”ADI低功耗MCU针对客户的不同应用还提供了BGA、TQFP、TQFN、WLD等多种封装供选择,例如可穿戴产品追求小尺寸,而工业类应用则更青睐高性能与可靠性封装等。

    ADI丰富的低功耗MCU产品系列
    目前,许多可穿戴设备都要求具备数据存储的功能,不仅是智能手环存储用户的睡眠数据、计步数据等初级应用,便携式医疗设备也要求在软件支持下感知、记录身体健康数据以分析、调控、干预甚至治疗疾病或维护健康状态,例如胸贴便要存储大量的心电测量数据。“MAX32650强大的板载存储器能力极具吸引力,包括高达3MB闪存与1MB SRAM,器件通过高效操作可管理更多数据、支持医疗可穿戴应用,而不会耗尽代码空间,目前在同行业市场上也很难找到这样大存储空间的低功耗MCU产品。”李勇举例道。
    作为高性能半导体技术的提供商,ADI低功耗MCU通常结合了其传统优势技术,例如模拟前端集成了ADC/DAC、蓝牙通信模块、比较器、放大器、滤波器等,使客户在产品开发和采购时都能更加简便,优化性能的同时还大大简化了供应链的管理。针对客户反馈采购复杂或比较昂贵的模拟功能模块,例如HART调制解调器,ADI已将其集成到了工业MCU系列产品中,当用户用其设计温度变送器、压力变送器等产品时,在可靠性、品质和成本上都极具优势。即将发布的MAX32690和MAX32662还集成了CAN BUS,使得它们不仅可用于医疗可穿戴设备,还可用在汽车检测设备、电动摩托等应用上。此外,ADI也规划了面向未来需求的系列低功耗MCU产品,例如工业以太网逐渐成为工业互联网的关键技术和智能制造自动化基石,ADI正在研发将以太网控制模块集成于低功耗MCU中,以轻松解决设备连接难题。
    越来越多的物联网边缘设备虽然体积小,但必须支持一系列复杂的传感、通信和处理任务,低功耗MCU作为终端节点的控制器件,是实现这一需求的关键因素,将加速推动各类创新型终端产品的涌现。“ADI正持续加大对智能边缘领域与数字化未来的技术投资,低功耗MCU作为ADI三大微控制器产品线之一,具有低功耗、高性能、高集成度与安全性等诸多竞争优势,将随着传统应用的升级以及新兴应用的带动,不断触发其潜力角逐更大的市场!”李勇信心满满地展望未来市场机遇。
关键词:MCU

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