Zaloguj
Rozwiązania 32-bitowe dobrze współpracują ze stosami komunikacyjnymi Wi-Fi, NarrowBand (NB) IoT i Bluetooth, które korzystają z większej mocy obliczeniowej do zapewnienia bezpieczeństwa komunikacji RF. Jednak, gdy liczba potrzebnych czujników rośnie lub istnieje zapotrzebowanie na mniejsze zużycie energii w bardziej odległych lokalizacjach. Zastosowanie 8-bitowego MCU w takiej aplikacji jest pod wieloma względami korzystne i bez problemu wygrywa z innymi rozwiązaniami (rysunek 1).
Wyprowadzenia pracujące w standardzie 5 V
Chociaż przemysł faworyzuje systemy zasilane napięciem 5 V, może to stanowić problem, ponieważ większość zintegrowanych 32-bitowych MCU/RF nie jest kompatybilna z 5 V i zwykle pasuje tylko do domeny 3,3 V. Rozwiązaniem jest zastosowanie wielu przesuwników poziomów lub skalowanie analogowych wejść napięciowych w dół, aby osiągnąć poziom 3,3 V.
Ten problem można wyeliminować dzięki zastosowaniu bardziej wydajnego 8-bitowego mikrokontrolera, który oferuje bezpośredni interfejs GPIO do czujników, elementów wykonawczych i styków przełącznika w standardzie 5 V. Potrzeba przesunięcia poziomu napięcia dotyczy wtedy tylko kanału komunikacyjnego między 8-bitowym MCU, a 32-bitowym modułem MCU/RF. W wielu przypadkach może nawet nie być potrzebna konwersja poziomu, lub wystarczy najprostsze rozwiązanie z rezystorem szeregowym, jeśli 32-bitowy moduł MCU ma wejścia tolerujące 5 V. Natomiast jeśli wymagana jest również izolacja galwaniczna, to koszty można zminimalizować, zmniejszając liczbę wyspecjalizowanych układów scalonych (IC) potrzebnych do ochrony elementu RF systemu.
Korzystanie z 8-bitowych mikrokontrolerów w instalacjach zdalnych ma wiele zalet. Zwykle mają one dużą liczbę wyprowadzeń (w przeciwieństwie do 32-bitowego modułu MCU/RF z ograniczoną liczbą portów GPIO) i dzięki temu pozwalają na zastosowanie wielu czujników i układów wykonawczych. W ten sposób całkowite awarie systemu zostają ograniczone do wyjątkowo krytycznych sytuacji. W większości przypadków system może realizować większość działań pomimo usterki jednego z kilku…kilkunastu czujników lub układów wykonawczych. Natomiast w razie uszkodzenia całego bloku I/O z mikrokontrolerem 8-bitowym włącznie, nadal istnieje szansa na realizowanie komunikacji i zgłoszenie awarii przez moduł MCU/RF.
Wysoka elastyczność systemu
Kolejną zaletą korzystania z zewnętrznego 8-bitowego MCU jest większa elastyczność w zakresie rozbudowy systemu. Podłączenie znanego cyfrowego interfejsu do różnych modułów MCU/RF wymaga zaledwie minimalnego wysiłku. Zintegrowany 32-bitowy moduł MCU/RF zwykle ma wsparcie w postaci odpowiedniej liczby przykładowych aplikacji, które realizują klasyczne rozwiązania oraz mają pokazać, jak łatwo połączyć się z chmurą, niezależnie od tego, kto jest dostawcą. Jednak przykładów zastosowań może być znacznie mniej w przypadku łączenia z czujnikami i innymi układami będącymi poza standardową magistralą I²C lub SPI.
Koordynowanie i nadzorowanie działania całego bloku z układami współpracującymi, czujnikami i układami wykonawczymi przez zewnętrzny 8-bitowy MCU z dobrze zdefiniowanym i niezawodnym interfejsem zapewnia większą swobodę przy wyborze modułu RF. Jeśli warstwa protokołu między dwoma MCU będzie wspierana przez nową warstwę fizyczną w nowym module RF to wysiłek związany z portowaniem zostanie zminimalizowany, a integracja nowego systemu będzie praktycznie od razu zakończona.
W środowiskach zdalnych lub przemysłowych istnieje możliwość integracji systemów z odpornymi na awarie interfejsami typu hot swap. W ten sposób można uniknąć konieczności całkowitej wymiany systemu, na rzecz wymiany modułowej, która pozwoli zachować sprawdzone i niezawodne elementy systemu. Zastosowanie luźnego sprzężenia oznacza również, że znana i zaufana platforma RF może obsługiwać różne wymagania systemowe bez konieczności projektowania modułów od podstaw. Dzięki temu zespoły rozwojowe mogą skupiać się nad tym, co należy poprawić, i mogą zachować to, do czego mają zaufanie.
Inteligentne zarządzanie energią
Jeszcze inną cechą świata 8-bitowych MCU jest to, że jest on zdominowany przez technologie procesowe większego rozmiaru. Zapewniają one doskonałe wartości upływów statycznych i eliminują nieunikniony kompromis przy stosowaniu struktur bramek w mniejszej technologii, polegający na zwiększaniu upływu prądów statycznych ze wzrostem prędkości działania.
Dzięki zastosowaniu inteligentnego układu do zarządzania poborem mocy możliwe jest usprawnienie pracy przy zachowaniu niewielkiego poboru mocy. Niektóre 8-bitowe układy MCU w stanie aktywnym, taktowane ze standardowego zegara 32 kHz, pobierają prąd o takiej wartości, że jest zbliżony do, lub niższy od prądu 32-bitowych modułów RF w stanie czuwania.
Dodanie dokładnego systemu zarządzania energią upraszcza proces monitorowania stanu baterii i ich ładowania. Prądy aktywne dla 32-bitowych modułów RF, w szczególności jednostek z komunikacją Wi-Fi, mogą sięgać nawet setek miliamperów. Akumulatory pod koniec okresu eksploatacji mogą mieć trudności z utrzymaniem prądu rozruchowego i przesyłowego wymaganego do połączenia z siecią. Dzięki 8-bitowemu systemowi zarządzania energią z układem MCU, główny moduł RF można wybudzić za pomocą odpowiedniego stanu lub polecenia. Dzięki temu zmniejsza się zapotrzebowanie na energię, a przejście modułu do trybu online następuje w bardziej stopniowy sposób. Specjalny tryb budzenia może przyjąć wariant o zmniejszonej mocy TX do łączenia się z siecią.
Cechą 8-bitowego systemu zarządzania energią MCU jest także to, że może monitorować prądy rozruchowe i spadki napięcia w regularnych cyklach i przekazywać je do analizy. Uzbrojone w te dane chmurowe algorytmy uczące mogą znacznie skuteczniej profilować systemy zarządzania bateriami i przewidywać awarie.
Uproszczenie procedury programowania MCU
W ostatnich latach nastąpił znaczny postęp w zakresie uproszczenia programowania 32-bitowych modułów MCU/RF. Chociaż wiele z tych modułów jest obsługiwanych przez Arduino, co może pomóc skrócić czas opracowywania, takie podejście może być problematyczne, jeśli zaangażowanych jest więcej systemów zarządzania energią, czujników lub innych interfejsów peryferyjnych. Oczywiście wsparcia dla Arduino jest ogromne, ale w wielu przypadkach jest niekompletne, a wśród profesjonalnych użytkowników istnieje opinia o problemach z bezpieczeństwem aplikacji.
Chociaż dostawcy układów scalonych zapewniają wsparcie, to zintegrowane 32-bitowe moduły RF są stosunkowo złożone. Wydajność 32-bitów może wydawać się przesadna w przypadku prostszych systemów i jest zdecydowanie mniej intuicyjna, np. gdy próbuje się znaleźć niewłaściwy bit w wartości kontrolnej urządzenia peryferyjnego równej 0x23AA123C. Z drugiej strony 8-bitowy model programowania MCU oferuje znajomy interfejs w 8-bitowych grupach (prawdopodobnie 16-bitowych dla rejestrów czasowych). Oprócz ułatwienia debugowania pól bitowych, zestawy peryferyjne w 8-bitowych MCU są zwykle znacznie łatwiejsze do zrozumienia. Głównym tego powodem jest to, że nie muszą one obejmować bardziej złożonych funkcji redukcji mocy lub synchronizacji interfejsów magistrali. Łatwiejsze do zrozumienia są również drzewa zegarów w 8-bitowych MCU.
Podsumowanie
Zasadniczym powodem stosowania 8-bitowego MCU, który ma dostarczać tanie, energooszczędne, inteligentne i przeznaczone nie tylko dla IoT rozwiązanie, jest to, że taki układ doskonale poradzi sobie z takimi zadaniami, jak realizacja modułów automatyki domowej, czy urządzenia monitorujące i zarządzające energią elektryczną.
Wśród 8-bitowych układów MCU z serii Microchip, szczególnie interesujące są rodziny PIC18-Q41 (rysunek 2) i AVR DB (rysunek 3), które oferują szeroki wachlarz funkcji analogowych. Należą do nich wbudowane wzmacniacze operacyjne i GPIO o różnych poziomach napięć. Ta ostatnia funkcja minimalizuje potrzebę stosowania zewnętrznych komponentów analogowych lub przesuwników poziomu.
Chociaż obecnie dostępnych jest więcej wielordzeniowych 32-bitowych modułów MCU/RF, dodanie 8-bitowego MCU przy projektowaniu węzłów brzegowych o niskim poborze mocy przyniesie ogromne korzyści w świecie IoT. Oferowanie kompleksowego zarządzania zasilaniem i czujnikami w tak małej obudowie oznacza, że 8-bitowe mikrokontrolery nadal będą odgrywać ważną rolę w 32-bitowych środowiskach IoT.
Bob Martin
Senior Technical Staff Engineer-Applications
Microchip Technology
