Renesas RA0E1 MCU ช่วยในด้านการออกแบบระหว่างราคาและประสิทธิภาพ

การให้ “ไฟเขียว” และความสำเร็จของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อาจขึ้นอยู่กับเรื่องของเงินเพียงเล็กน้อยเท่านั้น ซึ่งนั่นเป็นสาเหตุที่วิศวกรที่เลือกไมโครคอนโทรลเลอร์ (MCU) ที่เหมาะสมมักจะต้องเผชิญกับความท้าทายอันแสนสาหัสในการรักษาสมดุลระหว่างประสิทธิภาพและราคา Renesas Electronics Corporation มุ่งหวังที่จะทำให้การเลือกนั้นง่ายขึ้นด้วย Arm® MCU ที่ใช้พลังงานต่ำที่มุ่งเน้นไปที่การใช้งานฝังตัวที่คำนึงถึงต้นทุน

เป็นเรื่องยากที่จะรับทราบแรงกดดันที่วิศวกรต้องเผชิญในการพัฒนาอุปกรณ์ที่ประหยัดพลังงานและมีต้นทุนต่ำ ปัญหาด้านการแข่งขัน ความคาดหวังของลูกค้าผู้บริโภคและธุรกิจ และนวัตกรรมที่รวดเร็ว ทำให้มีโอกาสที่การคำนวณต้นทุนของผลิตภัณฑ์สำเร็จรูปหรือประสิทธิภาพของ MCU ผิดพลาดเพียงเล็กน้อย ก็อาจทำให้ความสำเร็จต้องลดลง

MCU เป็นเพียงส่วนประกอบหนึ่งเท่านั้น แต่มีความสำคัญอย่างยิ่งในการกำหนดต้นทุนโดยรวมของระบบ ลองพิจารณาว่าส่วนต่างราคา 50 เซ็นต์ต่อหน่วยอาจเพิ่มขึ้นเป็น 50,000 ดอลลาร์สำหรับการผลิตผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายจำนวน 100,000 ชิ้น

นั่นอาจเป็นเพียงส่วนเล็กๆ ของประเด็นที่ใหญ่ขึ้นเท่านั้น: นอกเหนือจากต้นทุนต่อหน่วยจริงของ MCU แล้ว นักพัฒนายังต้องคำนึงถึงปัจจัยต้นทุนที่ซ่อนอยู่หลากหลายประการ ซึ่งอาจส่งผลกระทบต่องบประมาณโครงการ เช่น:

• ค่าธรรมเนียมใบอนุญาตสำหรับเครื่องมือซอฟต์แวร์และสภาพแวดล้อมการพัฒนา
• เวลาฝึกอบรม
• การทดสอบและการแก้ไขปัญหา
• ความต้องการส่วนประกอบต่อพ่วง
• การสร้างเฟิร์มแวร์
• การจัดการการใช้พลังงาน
• การปฏิบัติตามกฎระเบียบและการรับรอง

แม้สำหรับการผลิตจำนวนน้อยมาก ๆ ซึ่งส่วนต่างของราคา MCU อาจรวมกันเป็นจำนวนไม่มากนัก ต้นทุนเพิ่มเติมที่เกี่ยวข้องมักจะแพงกว่าเมื่อเทียบกัน เนื่องมาจากการเสื่อมราคาสำหรับจำนวนหน่วยการผลิตที่น้อยกว่า นั่นอาจทำให้การอนุมัติโครงการกลายเป็นเรื่องที่ไม่ควรทำ

การใช้พลังงานและการจัดการความร้อนอาจทำให้การเลือก MCU ที่เหมาะสมเป็นเรื่องซับซ้อน

ยิ่ง MCU ใช้พลังงานมากเท่าไร นักออกแบบก็ยิ่งจำเป็นต้องติดตั้งส่วนประกอบเพิ่มเติมและอาจต้องใช้แบตเตอรี่ที่มีราคาแพงกว่าสำหรับการใช้งานแบบพกพามากขึ้นเท่านั้น ในทำนองเดียวกัน ยิ่งการใช้พลังงานมากขึ้น ความร้อนที่เกิดขึ้นก็จะมากขึ้นตามไปด้วย ซึ่งอาจต้องใช้วิธีการระบายความร้อนเพิ่มเติม

ไม่มีใครอยากจ่ายเงินมากเกินไปสำหรับส่วนประกอบที่ให้ประสิทธิภาพมากกว่าที่จำเป็น อย่างไรก็ตาม วิศวกรเหล่านั้นก็ไม่ต้องการสร้างอุปกรณ์ที่ทำงานได้ต่ำกว่าประสิทธิภาพการใช้งานจริง นั่นคือเหตุผลว่าทำไมการสร้างสมดุลที่เหมาะสมที่สุดระหว่างต้นทุนและประสิทธิภาพจึงสามารถสร้างหรือทำลายความสำเร็จได้

สร้างความสมดุลที่เหมาะสมที่สุด

การเลือก MCU จะต้องตรงตามคุณลักษณะเฉพาะและความต้องการด้านฟังก์ชันการทำงานของการใช้งานที่วางแผนไว้ แต่ยังต้องอยู่ในงบประมาณที่ต้องการ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อเป็นการใช้งานที่คำนึงถึงราคา ซึ่งต้องหาส่วนผสมที่เหมาะสมที่สุดระหว่างประสิทธิภาพ การใช้พลังงาน และอุปกรณ์ต่อพ่วงที่รวมเข้าด้วยกัน

การใช้งานบางอย่างมีความอ่อนไหวต่อราคามากกว่าการใช้งานอื่นๆ อุปกรณ์ IoT สำหรับที่บ้านมักเผชิญกับแรงกดดันด้านราคาที่มีการแข่งขันกันอย่างรุนแรง ซึ่งสะท้อนถึงความคาดหวังของผู้บริโภคที่มีต่ออุปกรณ์ที่มีต้นทุนต่ำกว่า โดยทั่วไปการใช้งานระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรมต้องใช้อุปกรณ์ที่มีความทนทานและเชื่อถือได้สูงสำหรับการใช้งานที่มักไม่ต้องดูแล แต่ก็ยังคงต้องแข่งขันกันในเรื่องราคาและปัจจัยอื่นๆ

การค้นหาสมดุลที่เหมาะสมระหว่างราคาและประสิทธิภาพเริ่มต้นด้วยการเลือก MCU ที่เหมาะสมซึ่งตรงตามข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพ ประหยัดพลังงาน และมีความยืดหยุ่นสำหรับนักออกแบบ

โดยทั่วไปแล้ว การใช้งานที่มีประสิทธิภาพสูงกว่าจะให้พลังการประมวลผลที่สูงกว่า ความเร็วสัญญาณนาฬิกาที่สูงกว่า และความสามารถในการทำงานที่ซับซ้อนมากยิ่งขึ้น MCU ที่มีราคาแพงกว่าเหล่านี้โดยทั่วไปจะมีอุปกรณ์ต่อพ่วงแบบบูรณาการหลายตัว ซึ่งช่วยลดความจำเป็นในการเพิ่มส่วนประกอบ ถึงแม้ว่ามักจะมีค่าใช้จ่ายในการพัฒนาซอฟต์แวร์และการดีบักที่สูงกว่าก็ตาม

MCU ที่ออกแบบมาสำหรับการใช้งานที่ต้องคำนึงถึงต้นทุนมักมาพร้อมกับภาระของอุปกรณ์ต่อพ่วงรวมที่น้อยกว่า หน่วยความจำที่จำกัด และความยืดหยุ่นในการออกแบบที่ลดลง อย่างไรก็ตาม อุปกรณ์เหล่านี้มีข้อดีคือมีการใช้พลังงานน้อยลงและแบตเตอรี่มีอายุการใช้งานยาวนานขึ้น

Renesas นำเสนอ MCU ที่มีคุณสมบัติมากมายสำหรับการใช้งานที่คำนึงถึงราคา

ด้วยเป้าหมายที่จะลดความซับซ้อนของกระบวนการคัดเลือกสำหรับการใช้งานต้นทุนต่ำ Renesas จึงเสนอผลิตภัณฑ์กลุ่ม RA0E1 ซึ่งเป็น MCU ที่มีคุณสมบัติการใช้พลังงานที่ต่ำเป็นพิเศษและอุปกรณ์ต่อพ่วงที่ได้รับการปรับให้เหมาะสม ซึ่งช่วยให้นักพัฒนาสามารถปรับปรุงการออกแบบของตนเพื่อลดรายการวัสดุลง

โดย RA0E1 MCU ถูกสร้างขึ้นโดยใช้ Arm Cortex-M23 ที่ประหยัดพลังงานและชุดตัวจับเวลาในตัวที่น่าประทับใจ การสื่อสารแบบอนุกรม ฟังก์ชันแอนะล็อก และฟังก์ชันด้านความปลอดภัย โดยมุ่งเป้าไปที่ตลาดสำหรับการใช้งานที่คำนึงถึงต้นทุนโดยตรง

Arm Cortex-M23 ได้รับการออกแบบมาให้เป็นโปรเซสเซอร์ 32 บิตระดับเริ่มต้นเพื่อการทำงานที่ประหยัดพลังงาน ด้วยสถาปัตยกรรมที่เรียบง่ายซึ่งเรียนรู้และเขียนโปรแกรมได้ง่าย คอร์ MPU นี้จึงผสานรวมเทคโนโลยีความปลอดภัย TrustZone ของ Arm คุณสมบัติการดีบักและติดตามเพื่อวินิจฉัยและเพิ่มประสิทธิภาพการใช้งาน รวมถึงการรองรับโหมดพลังงานต่ำที่มีประสิทธิภาพด้านพลังงาน

RA0E1 ใช้กระแสไฟ 84.3 μA/MHz ในโหมดแอ็คทีฟและ 0.82 mA ในโหมดสลีป จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานที่ใช้พลังงานแบตเตอรีและต้องใช้พลังงานมาก ชุดคุณสมบัติช่วยเพิ่มความหลากหลายและประสิทธิภาพสำหรับการใช้งานที่หลากหลาย รวมถึงอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทั่วไป ระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรม อุปกรณ์ IoT ที่ปลอดภัย ระบบอัตโนมัติในอาคาร และเครื่องใช้ไฟฟ้าขนาดเล็ก

ด้วยแรงดันไฟฟ้าที่จ่ายให้ตั้งแต่ 1.6 V ถึง 5.5 V นักออกแบบสามารถใช้งาน RA0E1 ได้โดยไม่ต้องใช้ตัวเลื่อนระดับหรือตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าในระบบ 5 V โดย RA0E1 ยังรวมออสซิลเลเตอร์บนชิปที่มีความแม่นยำสูง ช่วยให้ผู้ออกแบบหลีกเลี่ยงการต้องเพิ่มออสซิลเลเตอร์แบบสแตนด์อโลนในการออกแบบของตน ออสซิลเลเตอร์ช่วยเพิ่มความแม่นยำของอัตราบอดเรตและรักษาความแม่นยำ ±1.0% ในสภาพแวดล้อมตั้งแต่ -40°C ถึง +105°C

MCU ที่รวมฟังก์ชันต่างๆ เข้าไว้ในชิปตัวเดียวจะช่วยลดความจำเป็นในการใช้ส่วนประกอบเพิ่มเติมได้อย่างมาก การบูรณาการนี้ช่วยลดความซับซ้อนในการออกแบบ ลดพื้นที่ PCB และสุดท้ายช่วยลดต้นทุนระบบโดยรวม เพื่อช่วยลดอุปกรณ์ต่อพ่วงภายนอกให้เหลือน้อยที่สุด RA0E1 ได้ผสานส่วนประกอบต่างๆ มากมายเข้าด้วยกัน รวมถึง:

• หน่วยความจำแฟลชโค้ดรวมสูงสุด 64 KB และ SRAM ความเร็วสูง 12 KB พร้อมบิตพาริตี้
• อุปกรณ์ต่อพ่วงแอนะล็อก รวมถึง ADC 12 บิต เซ็นเซอร์อุณหภูมิ และแรงดันอ้างอิงภายใน
• อุปกรณ์ต่อพ่วงการสื่อสาร ได้แก่ อินเทอร์เฟซ UART 3 ตัว อินเทอร์เฟซ UART แบบไม่ซิงค์ 1 ตัว อินเทอร์เฟซอุปกรณ์ต่อพ่วงแบบอนุกรมที่เรียบง่าย 3 ตัว (SPI) วงจรรวมระหว่างกัน 1 ตัว (IIC) และ IIC ที่เรียบง่าย 3 ตัว
• คุณสมบัติด้านความปลอดภัย ได้แก่ การตรวจสอบพาริตี้ SRAM, การตรวจจับการเข้าถึง, หน่วยความจำที่ไม่ถูกต้อง, การตรวจจับความถี่, การทดสอบ A/D, พื้นที่เก็บข้อมูลที่ไม่เปลี่ยนแปลง, เครื่องคิดเลข CRC และการป้องกันการเขียนรีจิสเตอร์
• คุณสมบัติด้านความปลอดภัย ได้แก่ รหัสเฉพาะ, เครื่องสร้างตัวเลขสุ่มที่แท้จริง (TRNG) และการป้องกันการอ่านแบบแฟลช

สภาพแวดล้อมการพัฒนาและความเข้ากันได้ขึ้นไป

Renesas นำเสนอสภาพแวดล้อมการออกแบบร่วมกันให้กับนักพัฒนาแพ็คเกจซอฟต์แวร์แบบยืดหยุ่น ซึ่งรวมถึงไดร์เวอร์ที่พร้อมใช้งานจริง Azure RTOS, FreeRTOS และสแต็กมิดเดิลแวร์อื่น ๆ นอกจากนี้ยังให้เส้นทางแก่นักพัฒนาในการโยกย้ายแอปพลิเคชันของตนไปยัง MCU RA ที่มีประสิทธิภาพมากยิ่งขึ้น

คอร์ Arm มีระดับความเข้ากันได้สูง Cortex-M23 ใช้ชุดคำสั่ง Armv8-M ซึ่งเข้ากันได้กับชุดคำสั่งที่ใช้โดยสถาปัตยกรรมหลัก Cortex-M อื่นๆ

Renesas RA01E MCU มีพินและอุปกรณ์ต่อพ่วงที่เข้ากันได้กับกลุ่มผลิตภัณฑ์ MCU รุ่น Renesas RA2E1 ที่สร้างขึ้นโดยใช้แกน Arm Cortex-M23 ความถี่ 48 MHz ซึ่งประกอบด้วยโค้ดแฟลชสูงสุด 128 KB และ SRAM 16 KB ซึ่งจะทำให้สามารถอัปเกรดการออกแบบที่สร้างบน RA0E1 ให้เป็น MCU ที่มีประสิทธิภาพสูงขึ้นได้

นอกจากนี้ Renesas ยังเสนอ บอร์ดสร้างต้นแบบอย่างรวดเร็ว FPB-RA0E1 (รูปที่ 1) สำหรับการประเมิน การสร้างต้นแบบ และการพัฒนาการใช้งานที่ใช้ MCU RA0E1

รูปที่ 1: บอร์ด FPB-RA0E1 สำหรับการสร้างต้นแบบไมโครคอนโทรลเลอร์ RA0E1 (แหล่งที่มาภาพ: Renesas)

บอร์ดประเมินผลประกอบด้วยอินเทอร์เฟซ Arduino UNO R3 และขั้วต่อ Pmod สองตัว นอกจากนี้ นักพัฒนาสามารถใช้ประโยชน์จากฟีเจอร์วงจรจำลอง J-Link™ SEGGER ในตัวที่ทำให้สามารถเขียนและดีบักโปรแกรมได้โดยไม่ต้องใช้เครื่องมือเพิ่มเติม

สรุป

Renesas RA01E MCU นำเสนอชุดคุณลักษณะที่น่าประทับใจและอุปกรณ์ต่อพ่วงแบบในตัวสำหรับการพัฒนาการใช้งานที่ใช้พลังงานต่ำเป็นพิเศษและคำนึงถึงต้นทุน โดยไม่กระทบต่อราคาเมื่อเทียบกับประสิทธิภาพ มาพร้อมตัวเลือกการเชื่อมต่อหลายรูปแบบและระบบนิเวศน์ที่สมบูรณ์พร้อมสภาพแวดล้อมการพัฒนาที่ครอบคลุมซึ่งสามารถช่วยสร้างอุปกรณ์ด้วยต้นทุนวัสดุที่ลดลง และจัดเตรียมเส้นทางสู่การโยกย้ายไปยังอุปกรณ์ที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นในภายหลัง