การใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์พลังงานต่ำเพื่อลดความซับซ้อนในการออกแบบ IoT ด้านการดูแลสุขภาพและอุตสาหกรรม

By Stephen Evanczuk

Contributed By DigiKey's North American Editors

นักพัฒนาการออกแบบพลังงานต่ำสำหรับอุตสาหกรรม การดูแลสุขภาพ และ Internet of Things (IoT) ที่หลากหลาย ต้องเผชิญกับความต้องการอย่างต่อเนื่องสำหรับโซลูชันที่ใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์ ซึ่งมีฟังก์ชันมากมายโดยไม่กระทบต่อพลังงานที่มีจำกัด เมื่อการพัฒนาดำเนินไป บ่อยครั้งที่มีความเสี่ยงที่จะเกินขีดจำกัดพลังงานสูงสุดเพื่อตอบสนองความต้องการการทำงานเฉพาะทาง

บทความนี้แสดงให้เห็นว่ากลุ่มผลิตภัณฑ์ไมโครคอนโทรลเลอร์พลังงานต่ำพิเศษของ Analog Devices สามารถตอบสนองความต้องการเหล่านี้ได้

ตอบสนองความต้องการของการใช้งานเฉพาะ

นักออกแบบจะต้องตอบสนองความต้องการหลักด้านประสิทธิภาพสูงและการใช้พลังงานต่ำเพื่อตอบสนองต่อความคาดหวังของลูกค้าได้อย่างมีประสิทธิภาพ ในการใช้งานที่หลากหลาย เช่น การดูแลสุขภาพ อุตสาหกรรม และ IoT ความต้องการหลักเหล่านี้มักมีอิทธิพลเหนือการตัดสินใจออกแบบและชี้นำการพัฒนาแพลตฟอร์มฮาร์ดแวร์ที่คล้ายคลึงกัน ผลลัพธ์คือ นักออกแบบสามารถนำประสบการณ์ด้านการออกแบบฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์ที่ได้รับในการใช้งานหนึ่งไปปรับใช้เพื่อตอบสนองความต้องการพื้นฐานของอีกการใช้งานหนึ่งได้อย่างรวดเร็ว

ด้วยความต้องการผลิตภัณฑ์ที่ซับซ้อนมากขึ้นเหล่านี้เพิ่มขึ้น ทำให้ผู้ออกแบบต้องเผชิญกับความท้าทายมากขึ้นในการตอบสนองความต้องการเฉพาะของการใช้งานเฉพาะทางโดยไม่ต้องเสียความสามารถในการตอบสนองความต้องการหลัก ซึ่งกลุ่มการใช้งานเริ่มมีความแตกต่างอย่างชัดเจน โดยมีความต้องการด้านการเชื่อมต่อ ความปลอดภัย และปัญญาประดิษฐ์ (AI) ที่เป็นเอกลักษณ์

จากความต้องการการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้ แนวคิดของแพลตฟอร์มฮาร์ดแวร์ทั่วไปจึงได้รับการพัฒนาขึ้นเพื่อให้ผู้ออกแบบสามารถตอบสนองข้อกำหนดหลักสำหรับประสิทธิภาพสูงและพลังงานต่ำในขณะที่ต้องอาศัยชุดโปรเซสเซอร์ที่คุ้นเคยซึ่งเสริมด้วยความสามารถเฉพาะทาง

พื้นฐานโปรเซสเซอร์ที่ออกแบบมาเพื่อความสามารถเฉพาะทาง

เมื่อใช้ Arm® Cortex®-M4 พลังงานต่ำเป็นพิเศษที่มีหน่วยคำนวณทศนิยม (FPU) ซึ่งเป็นสมาชิกในกลุ่มผลิตภัณฑ์ไมโครคอนโทรลเลอร์พลังงานต่ำพิเศษของ Analog Devices จะช่วยให้ผู้ออกแบบมีแพลตฟอร์มที่คุ้นเคย สามารถตอบสนองความต้องการด้านพลังงานและประสิทธิภาพหลักได้

เพื่อตอบสนองความต้องการเฉพาะตัวของพื้นที่การใช้งานที่แตกต่างกัน Analog Devices จึงปรับแต่งพื้นฐานนี้ด้วยความสามารถเฉพาะทางในสมาชิกสี่กลุ่ม ได้แก่:

  • MAX32655 มุ่งเป้าไปที่การใช้งานที่ต้องการการเชื่อมต่อ Bluetooth Low Energy (BLE) และอายุแบตเตอรี่ที่ยาวนานขึ้น พร้อมทั้งมีหน่วยความจำและประสิทธิภาพที่เพียงพอ
  • MAX32690 กำหนดเป้าหมายไปที่การใช้งานที่ต้องการ BLE ประสิทธิภาพที่แข็งแกร่ง และหน่วยความจำจำนวนมาก
  • MAX32675C มุ่งเน้นไปที่การใช้งานที่มีข้อกำหนดสัญญาณผสมที่จำเป็นสำหรับเซ็นเซอร์ทางอุตสาหกรรมและการแพทย์
  • MAX78000 ตอบสนองความต้องการอุปกรณ์ระดับเอดจ์อัจฉริยะที่เกิดขึ้นใหม่

การระบุตำแหน่งการเชื่อมต่อ

ไมโครคอนโทรลเลอร์ MAX32655 ของ Analog Devices ผสานรวม Arm Cortex-M4 ความเร็ว 100 เมกะเฮิรตซ์ (MHz) เข้ากับ FPU, แฟลช 512 กิโลไบต์ (Kbytes) หน่วยความจำแบบสุ่มเข้าถึงคงที่ (SRAM) 128 กิโลไบต์ และแคชคำสั่ง 16 กิโลไบต์ เพื่อให้เกิดการผสมผสานที่มีประสิทธิภาพของประสิทธิภาพโปรเซสเซอร์และการจัดเก็บหน่วยความจำที่จำเป็นในการใช้งานพลังงานต่ำทั่วไป นอกเหนือจากระบบย่อยการประมวลผลนี้ อุปกรณ์นี้ยังเพิ่มชุดบล็อกฟังก์ชันที่ครอบคลุมสำหรับการรักษาความปลอดภัย การจัดการพลังงาน การจับเวลา และอุปกรณ์ต่อพ่วงแบบดิจิทัลและแอนะล็อกซึ่งโดยทั่วไปจำเป็นต้องใช้ในการติดตามทรัพย์สิน อุปกรณ์สวมใส่ และอุปกรณ์ตรวจสอบการดูแลสุขภาพ (รูปที่ 1)

ภาพของไมโครคอนโทรลเลอร์ Analog Devices MAX32655 (คลิกเพื่อขยาย)รูปที่ 1: ด้วยชุดอุปกรณ์ต่อพ่วงรวมที่ครอบคลุม ไมโครคอนโทรลเลอร์ MAX32655 รองรับการใช้งานต่าง ๆ มากมายที่ต้องการการเชื่อมต่อ Bluetooth การประมวลผลประสิทธิภาพสูง และการใช้พลังงานที่เหมาะสมที่สุด (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

เพื่อตอบสนองความต้องการการเชื่อมต่อ Bluetooth ที่หลากหลายของการใช้งานต่างๆ MAX32655 จึงจัดเตรียมฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์เฉพาะเพื่อรองรับคุณสมบัติ Bluetooth 5.2 ที่สมบูรณ์ นอกจากวิทยุ Bluetooth 5.2 แล้ว ไมโครคอนโทรลเลอร์ยังผสานรวมโคโปรเซสเซอร์ RISC-V 32 บิตเฉพาะเพื่อจัดการกับงานประมวลผล Bluetooth ที่สำคัญในเรื่องของเวลา ระบบย่อย Bluetooth นี้ตอบสนองความต้องการด้านประสิทธิภาพที่เกิดขึ้นใหม่ โดยรองรับโหมดอัตราการถ่ายโอนข้อมูลสูง 2 เมกะบิตต่อวินาที (Mbits/s) และโหมดระยะไกลด้วยอัตรา 125 กิโลบิตต่อวินาที (Kbits/s) และ 500 Kbits/s พินอุปกรณ์สองตัวช่วยให้นักพัฒนาสามารถเชื่อมต่อเสาอากาศนอกชิปในดีไซน์ที่รองรับ Bluetooth ได้อย่างง่ายดาย การรองรับการใช้งาน Bluetooth 5.2 ให้สมบูรณ์แบบและ ทำให้สแต็กบลูทูธรันไทม์ของอุปกรณ์ขยายไปทั่ว Arm Cortex-M4 ด้วย FPU, RISC-V และวิทยุ (รูปที่ 2)

แผนภาพรวมของสแต็กบลูทูธ (คลิกเพื่อขยาย)รูปที่ 2: ทำงานบน Arm Cortex-M4 ของ MAX32655 พร้อม FPU, RISC-V และวิทยุ โดยสแต็ก Bluetooth 5.2 เต็มรูปแบบรองรับชุดคุณลักษณะที่สมบูรณ์สำหรับการค้นหาทิศทาง การสื่อสารปริมาณงานสูง และการทำงานระยะไกล (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

สำหรับการใช้งานที่ต้องการประสิทธิภาพและหน่วยความจำที่แข็งแกร่ง ไมโครคอนโทรลเลอร์ MAX32690 ของ Analog Devices นำเสนอ Arm Cortex-M4 120 MHz พร้อม FPU พร้อมแฟลช 3 เมกะไบต์ SRAM 1 เมกะไบต์และหน่วยความจำแคช 16 กิโลไบต์ นอกเหนือจากตัวเปรียบเทียบแอนะล็อกและอุปกรณ์ต่อพ่วงแบบดิจิทัลใน MAX32655 แล้ว MAX32690 ยังผสานอินเทอร์เฟซบัส HyperBus/Xccela สำหรับการทำงานความเร็วสูงจากแฟลชภายนอกและ SRAM เมื่อความต้องการหน่วยความจำเกินทรัพยากรบนชิป โดย MAX32690 ได้ผสานโปรเซสเซอร์ RISC-V 32 บิต เช่นเดียวกับ MAX32655 ซึ่งสามารถใช้สำหรับการประมวลผลแบบสแตนด์อโลนและรองรับการประมวลผลบลูทูธ

เพื่อช่วยให้นักพัฒนาปรับการใช้พลังงานให้เหมาะสม ไมโครคอนโทรลเลอร์ทั้งสี่ตัวที่กล่าวถึงก่อนหน้านี้รองรับโหมดการทำงานพลังงานต่ำหลายโหมด ใน MAX32655 และ MAX32690 โหมดพลังงานต่ำประกอบด้วย:

  • โหมด Sleep โดยที่ Arm Cortex-M4 พร้อม FPU (CM4) และ RISC-V 32 บิต (RV32) อยู่ในโหมด Sleep แต่อุปกรณ์ต่อพ่วงยังคงเปิดอยู่
  • โหมด Low-Power (LPM) โดยที่ CM4 อยู่ในสถานะ Sleep พร้อมการรักษาสถานะขณะที่ RV32 ยังคงทำงานอยู่เพื่อย้ายข้อมูลจากอุปกรณ์ต่อพ่วงที่เปิดใช้งาน
  • โหมด Micro Power (UPM) โดยที่ CM4, RV32 และพินบางตัวจะคงสถานะเอาไว้ แต่ตัวจับเวลาเฝ้าระวัง ตัวเปรียบเทียบแอนะล็อก และ UART พลังงานต่ำยังคงพร้อมใช้งานเพื่อปลุกไมโครคอนโทรลเลอร์
  • โหมด Standby โดยที่นาฬิกาเรียลไทม์ยังคงทำงานอยู่ และอุปกรณ์ต่อพ่วงทั้งหมดจะคงสถานะไว้
  • โหมด Backup โดยที่นาฬิกาเรียลไทม์ยังคงทำงานอยู่ และหน่วยความจำระบบยังคงรักษาสถานะไว้

นอกจากนี้ MAX32655 ยังมาพร้อมกับโหมด Power Down (PDM) ที่ได้รับการออกแบบมาเพื่อใช้ในระหว่างการจัดเก็บและจัดจำหน่ายผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย ในโหมด PDM MAX32655 จะปิดเครื่อง แต่เครื่องตรวจสอบแรงดันไฟฟ้าภายในยังคงทำงานอยู่ ด้วยเหตุนี้ ผู้ใช้ปลายทางจึงสามารถเปิดใช้งานผลิตภัณฑ์ที่ใช้ MAX32655 ได้อย่างรวดเร็วโดยการถอดแถบป้องกันแบตเตอรี่ออกหรือจ่ายไฟให้กับผลิตภัณฑ์ด้วยวิธีอื่น

โหมดการทำงานเหล่านี้สามารถประหยัดพลังงานได้อย่างมากแม้แต่กับไมโครคอนโทรลเลอร์ที่ใช้พลังงานต่ำเป็นพิเศษ โดยจะเลือกปิดบล็อกฮาร์ดแวร์ต่างๆ ตัวอย่างเช่น MAX32655 ในโหมดการทำงานปกติจะใช้พลังงานเพียง 12.9 ไมโครแอมป์ต่อเมกะเฮิรตซ์ (μA/MHz) ที่ 3.0 โวลต์ ในโหมด Standby อุปกรณ์จะคงสถานะไว้หรือปิดหลายบล็อกอย่างสมบูรณ์เพื่อให้มีการใช้พลังงานเพียง 2.1 μA ที่ 3.0 โวลต์ ในขณะที่ทำให้อุปกรณ์กลับมาทำงานได้อีกครั้งภายในเวลาเพียง 14.7 ไมโครวินาที (μs) เท่านั้น (รูปที่ 3)

แผนภาพโหมดพลังงานที่แตกต่างกันของไมโครคอนโทรลเลอร์ Analog Devices MAX32655 (คลิกเพื่อขยาย)รูปที่ 3: โหมดพลังงานที่แตกต่างกันของไมโครคอนโทรลเลอร์ MAX32655 เช่น โหมดสแตนด์บายที่แสดงที่นี่ สามารถรักษาสถานะไว้หรือปิดระบบฮาร์ดแวร์ย่อยต่างๆ อย่างสมบูรณ์ เพื่อลดการใช้พลังงานในขณะที่ยังคงความสามารถในการทำงานไว้ (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

นอกจากความสามารถในการทำงานที่ใช้พลังงานต่ำแล้ว ระดับการผสานรวมที่สูงของอุปกรณ์เหล่านี้ยังช่วยให้นักพัฒนาลดความซับซ้อนในการออกแบบและตอบสนองความต้องการในการใช้ทรัพยากรให้น้อยที่สุด ตัวอย่างเช่น แหล่งจ่ายไฟแบบสวิตช์โหมดหลายเอาต์พุตตัวเหนี่ยวนำตัวเดียวแบบรวมของ MAX32655 ต้องใช้ตัวเหนี่ยวนำ/ตัวเก็บประจุเพียงคู่เดียวเท่านั้น ผลลัพธ์ที่ได้คือ นักพัฒนาสามารถสร้างดีไซน์ที่กะทัดรัดซึ่งใช้พลังงานจากเซลล์ลิเธียมเซลล์เดียวได้ง่ายขึ้น เพื่อตอบสนองความต้องการของแพ็คเกจในการใช้งานต่างๆ เช่น การติดตามทรัพย์สิน อุปกรณ์สวมใส่ อุปกรณ์ฟัง และผลิตภัณฑ์ที่จำกัดพื้นที่ในลักษณะเดียวกัน

สำหรับการออกแบบหูฟังไร้สายแบบสเตอริโอไร้สาย (TWS) ตัวอย่างเช่น นักพัฒนาสามารถใช้งานโซลูชันที่มีประสิทธิภาพโดยใช้ MAX32655 ด้วยส่วนประกอบเพิ่มเติมเพียงเล็กน้อยนอกเหนือจากตัวแปลงสัญญาณและการจัดการพลังงานแบตเตอรี่ การรวม MAX32655 เข้ากับอุปกรณ์เหล่านี้และการเชื่อมต่อแบบพอร์ตคู่แบบ 1 สาย DS2488 ทำให้การออกแบบหูฟัง TWS และแท่นชาร์จสมบูรณ์แบบ (รูปที่ 4)

แผนภาพฟังก์ชันการทำงานรวมของไมโครคอนโทรลเลอร์ Analog Devices MAX32655รูปที่ 4: ฟังก์ชันการทำงานแบบบูรณาการของไมโครคอนโทรลเลอร์ MAX32655 ช่วยให้สามารถออกแบบด้วยขนาดและรายการวัสดุขั้นต่ำ โดยต้องใช้อุปกรณ์เพิ่มเติมเพียงไม่กี่ชิ้น นอกเหนือจากโคเดก อุปกรณ์จัดการพลังงาน และอุปกรณ์อินเทอร์เฟซ เช่น DS2488 1-wire เพื่อใช้โซลูชัน TWS earbuds และแท่นชาร์จแบบครบชุด (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

เพื่อเร่งความเร็วในการประเมินและการสร้างต้นแบบด้วยไมโครคอนโทรลเลอร์เหล่านี้ นักพัฒนาสามารถใช้ประโยชน์จากทรัพยากรการพัฒนา Analog Devices หลายรายการ รวมถึง:

โซลูชันที่มีประสิทธิภาพยิ่งขึ้นสำหรับความต้องการการออกแบบสัญญาณผสม

ในขณะที่ MAX32655 และ MAX32690 ตอบสนองความต้องการผลิตภัณฑ์ที่รองรับ Bluetooth ที่ใช้แบตเตอรี่ขนาดกะทัดรัด ไมโครคอนโทรลเลอร์สัญญาณผสมพลังงานต่ำ MAX32675C ของ Analog Devices ตอบสนองความต้องการเฉพาะทางสำหรับการใช้งานเซ็นเซอร์ทางการแพทย์และอุตสาหกรรม

MAX32675C นำเสนอการใช้พลังงานต่ำในระหว่างการเริ่มต้นและระหว่างการทำงาน พร้อมด้วยระดับการผสานรวมสูงที่จำเป็นเพิ่มมากขึ้นในการใช้งานเหล่านี้ โดยผสมผสานโปรเซสเซอร์ Arm Cortex-M4 12 MHz และ FPU พร้อมแฟลช 384 Kbytes, SRAM 160 Kbytes และแคช 16 Kbytes รวมทั้ง Precision Analog Front-end (AFE) และโมเด็ม HART (รูปที่ 5)

แผนภาพโมเด็ม AFE และ HART ในตัวของไมโครคอนโทรลเลอร์ Analog Devices MAX32675C (คลิกเพื่อขยาย)รูปที่ 5: โมเด็ม AFE และ HART แบบบูรณาการของไมโครคอนโทรลเลอร์ MAX32675C จัดให้มีระบบย่อยที่จำเป็นเพื่อตอบสนองความต้องการสำหรับขนาดเล็กและพลังงานต่ำในเซ็นเซอร์ทางอุตสาหกรรมและการแพทย์ (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

AFE สื่อสารกับโปรเซสเซอร์ผ่านอินเทอร์เฟซต่อพ่วงแบบอนุกรมภายใน (SPI) โดยจะจัดเตรียมอุปกรณ์ต่อพ่วงชุดหนึ่งที่โดยทั่วไปแล้วจำเป็นในการใช้งานเซ็นเซอร์ทางอุตสาหกรรมและทางการแพทย์ รวมถึงตัวแปลงดิจิทัลเป็นแอนะล็อก (DAC) 12 บิต และตัวแปลงแอนะล็อกเป็นดิจิทัล (ADC) เดลต้า-ซิกม่าความแม่นยำสูงสองตัว ซึ่งสามารถกำหนดค่าให้ทำงานแบบ 16 บิตหรือ 24 บิตได้ โดย ADC แต่ละตัวจะมีตัวขยายสัญญาณแบบตั้งโปรแกรมได้ (PGA) ที่มีสัญญาณรบกวนต่ำ 1x ถึง 128x เฉพาะที่ขับเคลื่อนโดยมัลติเพล็กเซอร์อินพุต 12 ช่องสัญญาณที่สามารถกำหนดค่าให้ทำงานแบบปลายเดียว 12 ช่องสัญญาณหรือแบบดิฟเฟอเรนเชียล 6 ช่องสัญญาณได้

MAX32675C เหมาะเป็นพิเศษสำหรับการตอบสนองความต้องการเครื่องมือภาคสนามอุตสาหกรรมพลังงานต่ำที่ใช้เซ็นเซอร์และเครื่องส่งสัญญาณ 4-20 มิลลิแอมป์ (mA) ในความเป็นจริง ไมโครคอนโทรลเลอร์นี้ได้รับการออกแบบมาโดยเฉพาะเพื่อไม่ให้เกินข้อจำกัดด้านพลังงานในการใช้งาน 4-20 mA ซึ่งช่วยแก้ปัญหาทั่วไปที่เกิดขึ้นระหว่างการเริ่มต้นระบบที่ไมโครคอนโทรลเลอร์ประสบปัญหาในการรักษาขีดจำกัดพลังงาน

เพื่อรองรับข้อกำหนดพื้นฐานของระบบควบคุมอุตสาหกรรมที่มีอยู่มากมาย AFE จึงจัดเตรียมโมเด็ม HART แบบครบวงจร ทำให้การนำเครื่องมือภาคสนามอุตสาหกรรมมาใช้งานผ่านลูปกระแสไฟฟ้า 4-20 mA ง่ายขึ้น (รูปที่ 6)

แผนภาพของ AFE ของไมโครคอนโทรลเลอร์ Analog Devices MAX32675Cรูปที่ 6: AFE ของไมโครคอนโทรลเลอร์ MAX32675C มีโมเด็ม HART เฉพาะเพื่อรองรับเครื่องมือภาคสนาม 4-20 mA ที่มีอยู่ในการใช้งานอุตสาหกรรมทั่วไป (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

ด้วย MAX32675C นักพัฒนาการใช้งานอุตสาหกรรมสามารถกำหนดค่าและควบคุมเครื่องมือภาคสนามได้อย่างง่ายดายผ่านการเชื่อมต่อ SPI ของโมเด็ม HART เข้ากับ Arm Cortex-M4

นอกเหนือไปจากเอกสารประกอบและทรัพยากรการพัฒนาอื่นๆ แล้ว Analog Devices ยังเสนอMAX32675EVKIT ชุดประเมิน MAX32675C ช่วยให้การทดสอบและพัฒนาต้นแบบรวดเร็วยิ่งขึ้น

ตอบสนองความต้องการใหม่สำหรับ edge AI

เพื่อสร้างการใช้งานที่มีประสิทธิภาพในเพิ่มมากขึ้น นักพัฒนาจะต้องใช้อุปกรณ์ระดับเอจที่ดำเนินการตามอัลกอริธึม AI อย่างมีประสิทธิภาพสำหรับการประมวลผลแบบลำดับเวลาอัจฉริยะหรือการจดจำวัตถุ คำ หรือใบหน้า MAX78000 ของ Analog Devices ได้รับการออกแบบมาโดยเฉพาะเพื่อรองรับความสามารถเหล่านี้ในขณะที่ยังคงรักษาความต้องการพื้นฐานสำหรับการใช้พลังงานต่ำ

เช่นเดียวกับไมโครคอนโทรลเลอร์พลังงานต่ำพิเศษที่อธิบายไว้ก่อนหน้านี้ MAX78000 (รูปที่ 7) สร้างขึ้นบน Arm Cortex-M4 พร้อมด้วยโปรเซสเซอร์ FPU, แฟลช 512 Kbytes, SRAM 128 Kbytes และแคช 16 Kbytes เพื่อตอบสนองความต้องการการดำเนินการใช้งานหลัก เพื่อรองรับโซลูชัน AI ระดับ edge MAX78000 ได้เพิ่มระบบย่อยการประมวลผลด้วยทรัพยากรเพิ่มเติมสองรายการ ได้แก่:

  • โคโปรเซสเซอร์ RISC-V 32 บิตที่ให้ระบบมีความสามารถในการประมวลผลสัญญาณที่ใช้พลังงานต่ำเป็นพิเศษ
  • ตัวเร่งความเร็วเครือข่ายประสาทเทียมแบบคอนโวลูชั่น (CNN) ที่ใช้ฮาร์ดแวร์แบบบูรณาการเพื่อตอบสนองความต้องการอุปกรณ์ AI ขอบเครือข่ายที่เพิ่มขึ้น

แผนภาพของไมโครคอนโทรลเลอร์ Analog Devices MAX78000 (คลิกเพื่อขยาย)รูปที่ 7: ไมโครคอนโทรลเลอร์ MAX78000 ผสานรวมเครื่องเร่งความเร็ว CNN พร้อมกับ Arm Cortex-M4 พร้อม FPU และโปรเซสเซอร์ RISC-V 32 บิต เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการอนุมานในแอปพลิเคชัน AI ขอบเครือข่าย (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

MAX78000 รองรับโหมดการทำงานพลังงานต่ำและโหมดปิดเครื่องแบบเดียวกับที่อธิบายไว้ก่อนหน้านี้สำหรับ MAX32655 โดยที่ CNN ยังคงพร้อมใช้งานผ่านโหมดสลีปและพลังงานต่ำ การรักษาสถานะในโหมดพลังงานไมโคร สแตนด์บาย และสำรอง และโหมดปิดเครื่องสำหรับใช้งานระหว่างการจัดเก็บและกระจายผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย

เช่นเดียวกับไมโครคอนโทรลเลอร์ตัวอื่นๆ ที่กล่าวถึงที่นี่ ระดับการผสานรวมที่สูงของ MAX78000 ช่วยให้นักพัฒนาตอบสนองความต้องการสำหรับรายการวัสดุขั้นต่ำ (BOM) และขนาดผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายได้ ด้วย ADC ที่ผสานรวมเข้ากับความสามารถในการประมวลผลสัญญาณของอุปกรณ์ นักพัฒนาจึงสามารถใช้ MAX78000 พร้อมส่วนประกอบเพิ่มเติมเพียงไม่กี่ชิ้นเพื่อใช้งาน edge AI เช่น การระบุคำสำคัญ (KWS) หรือการระบุใบหน้า (FaceID) ได้อย่างรวดเร็ว

นอกเหนือจากการลดความซับซ้อนในการใช้งาน edge AI แล้ว การผสมผสานโหมดพลังงานหลายโหมด โปรเซสเซอร์คู่ และ CNN ที่ใช้ฮาร์ดแวร์ของ MAX78000 ยังช่วยให้นักพัฒนาสามารถบรรลุความเร็วในการอนุมานที่รวดเร็วด้วยการใช้พลังงานที่น้อยที่สุดอีกด้วย วิศวกรของ Analog Devices ตรวจสอบประสิทธิภาพอย่างใกล้ชิดในการศึกษาการใช้งานที่ปรับพลังงานให้เหมาะสมบน MAX780001

ส่วนหนึ่งของการศึกษาครั้งนี้ ทีมวิศวกรรมวัดการใช้พลังงานและเวลาในการโหลดโมเดลเวท (เคอร์เนล) การโหลดข้อมูลอินพุต และดำเนินการอนุมานสำหรับการใช้งาน edge AI ทั่วไป ตัวอย่างเช่น ในกรณีศึกษาของ KWS ที่มีคีย์เวิร์ด 20 คำ (KWS20) ผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่านักพัฒนาสามารถรันโปรเซสเซอร์ Arm เพียงลำพังเพื่อลดเวลาในการโหลดและการใช้พลังงานในขณะที่ทำงานในโหมดการทำงานพลังงาน MAX78000 ที่แตกต่างกัน (รูปที่ 8)

KWS20: โหมดการทำงาน ความถี่สัญญาณนาฬิกา (MHz) การโหลดเคอร์เนล กำลังโหลดอินพุต การอนุมาน
Arm AISC-V CNN E(mJ) t(ms) l(mW) A(mW) E(mJ) t(ms) l(mW) A(mW) E(mJ) t(ms) A(mW)
Arm Only Always ACTIVE 100 N/A 50 0.146 11.6 7.2 19.8 0.013 1.1 7.2 19.27 0.14 2 37.45
SLEEP 100 N/A 50 0.148 11.6 7.02 19.8 0.013 1.1 7.02 19.33 0.136 2 35.82
LPM 60 N/A 30 0.154 19.3 5.33 13.29 0.014 1.8 5.33 13.06 0.139 4.1 18.32
Arm and RISC-V Always ACTIVE 100 50 50 0.42854 34.72 5.47 17.81 0.04001 3.31 10.45 22.52 0.1401 1.99 21.86
Only Arm SLEEP 100 50 50 0.04036 3.31 5.5 17.71 0.14077 2.01 21.89
Both SLEEP 100 50 50 0.03829 3.15 5.47 17.63 0.14055 2.19 21.41
Both SLEEP 60 30 30 0.487 50.3 3.48 13.16 0.0481 5.53 3.63 12.31 0.14595 3.38 13.06
LPM 60 30 30 0.0456 4.7 3.48 12.92 0.1424 3.5 13.67

รูปที่ 8: กรณีศึกษา KWS20 แสดงให้เห็นว่าความเร็วสัญญาณนาฬิกาที่สูงขึ้นส่งผลให้ใช้พลังงานน้อยลงเนื่องจากเวลาในการโหลดสั้นลง โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อใช้เฉพาะโปรเซสเซอร์ Arm เท่านั้น (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

การศึกษาครั้งนี้ยังได้ตรวจสอบผลกระทบต่อการใช้พลังงานและเวลาที่โปรเซสเซอร์ Arm และโปรเซสเซอร์ RISC-V อยู่ในโหมด Sleep ในช่วงเวลาว่าง โดยที่โปรเซสเซอร์ RISC-V จะทำงานเพียงพอที่จะดำเนินการโหลดและจัดการ CNN เท่านั้น การศึกษาได้เปรียบเทียบประสิทธิภาพการใช้แหล่งสัญญาณนาฬิกาสองแหล่งที่แตกต่างกัน: ออสซิลเลเตอร์ภายในหลัก (IPO) ของ MAX78000 ที่ 100 MHz เทียบกับออสซิลเลเตอร์รองภายใน (ISO) ที่มีพลังงานต่ำกว่าแต่ช้ากว่าที่ 60 MHz ในผลลัพธ์นี้ การลดความถี่สัญญาณนาฬิกาทำให้การใช้พลังงานที่เกี่ยวข้องกับการโหลดและการอนุมานเพิ่มขึ้นอย่างมากเนื่องจากต้องใช้เวลาในการดำเนินการให้เสร็จสิ้นนานขึ้นสำหรับแต่ละอย่าง (รูปที่ 9)

ภาพกรณีศึกษาของ Analog Devices KWS20 (คลิกเพื่อขยาย)รูปที่ 9: ในกรณีศึกษา KWS20 การใช้ความถี่สัญญาณนาฬิกาที่สูงขึ้นกับโปรเซสเซอร์ RISC-V เพียงอย่างเดียวสำหรับการโหลดและการจัดการ CNN ส่งผลให้มีการใช้พลังงานต่ำลงเนื่องจากเวลาในการโหลดและอนุมานสั้นลง (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

จากการศึกษา ทีมงาน Analog Devices พบว่านักพัฒนาสามารถอนุมานข้อมูลได้อย่างรวดเร็วด้วยการใช้พลังงานน้อยที่สุดโดยการทำงานที่อัตราความเร็วสัญญาณนาฬิกาที่สูงขึ้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งกับโปรเซสเซอร์ Arm ประสิทธิภาพสูง การใช้โหมดการทำงานพลังงานของ MAX78000 อย่างเหมาะสม และการคงเคอร์เนลไว้ในหน่วยความจำเพื่อหลีกเลี่ยงการสูญเสียพลังงานระหว่างเวลาโหลดที่ยาวนาน

สำหรับนักพัฒนาที่สร้างโซลูชัน AI ขั้นสูงของตนเอง Analog Devices เสนอชุดทรัพยากรการพัฒนา MAX78000 ที่ครอบคลุม ซึ่งรวมถึงชุดประเมิน MAX78000EVKIT และบอร์ดพัฒนา MAX78000FTHR MAX78000EVKIT มาพร้อมกับไมโครโฟนดิจิทัลในตัว เซ็นเซอร์ตรวจจับการเคลื่อนไหว จอแสดงผลสี และตัวเลือกการเชื่อมต่อหลายแบบ รวมถึงฟีเจอร์ตรวจสอบพลังงานเพื่อช่วยให้นักพัฒนาปรับการใช้พลังงานให้เหมาะสมที่สุด

สำหรับการพัฒนาซอฟต์แวร์ MAX78000 ของ Analog Devices คลังเครื่องมือ CNN นำเสนอเอกสาร คู่มือการพัฒนา วิดีโอการฝึกอบรม และโค้ดซอฟต์แวร์ที่รองรับชุดประเมินและบอร์ดพัฒนา

สรุป

Analog Devices นำเสนอไมโครคอนโทรลเลอร์พลังงานต่ำพิเศษชุดหนึ่งซึ่งสร้างขึ้นจากรากฐานของระบบย่อยโปรเซสเซอร์ที่มีประสิทธิภาพ โดยผสานรวมคุณลักษณะและความสามารถต่างๆ ที่ได้รับการออกแบบมาโดยเฉพาะเพื่อรองรับความต้องการเฉพาะตัวของการใช้งานต่างๆ เช่น อุปกรณ์สวมใส่ อุปกรณ์ที่สวมใส่ได้ การติดตามทรัพย์สิน เซ็นเซอร์อุตสาหกรรมและการแพทย์ และ edge AI ด้วยการใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์และทรัพยากรสนับสนุนเหล่านี้ นักพัฒนาสามารถใช้งานการออกแบบที่ตอบสนองความต้องการเฉพาะทางของการใช้งานพลังงานต่ำที่หลากหลายได้อย่างรวดเร็ว

อ้างอิง:

  1. การพัฒนาการใช้งานที่เพิ่มประสิทธิภาพการใช้พลังงานบน MAX78000
DigiKey logo

Disclaimer: The opinions, beliefs, and viewpoints expressed by the various authors and/or forum participants on this website do not necessarily reflect the opinions, beliefs, and viewpoints of DigiKey or official policies of DigiKey.

About this author

Image of Stephen Evanczuk

Stephen Evanczuk

Stephen Evanczuk มีประสบการณ์มากกว่า 20 ปีในการเขียนรวมทั้งประสบการณ์เกี่ยวกับอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ในด้านต่าง ๆ มากมายซึ่งรวมถึงฮาร์ดแวร์ซอฟต์แวร์ระบบและแอพพลิเคชั่นรวมถึง IoT เขาสำเร็จการศึกษาระดับปริญญาเอกทางด้านระบบประสาทเกี่ยวกับเครือข่ายเซลล์ประสาทและทำงานในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศเกี่ยวกับระบบความปลอดภัยแบบกระจายจำนวนมากและวิธีการเร่งอัลกอริทึม ปัจจุบัน หากว่าเขาไม่ยุ่งกับการเขียนบทความเกี่ยวกับเทคโนโลยีและวิศวกรรม ก็จะทำงานเกี่ยวกับการประยุกต์ใช้การเรียนรู้เชิงลึกกับระบบการจดจำและการแนะนำ

About this publisher

DigiKey's North American Editors