«Интернет вещей» диктует спрос на микроконтроллеры смешанных сигналов

Концепция «интернета вещей» получила дальнейшее развитие в намерении NXP сделать открытым стек протоколов JenNET IP, который использует уровни MAC и PHY спецификации IEEE 802.15.4 в качестве основной платформы и протокол IPv6 для практически безграничного расширения адресуемых узлов. Благодаря этой инициативе электронные устройства получат собственный протокольный интернет-адрес, что позволит претворить концепцию «интернета вещей» в жизнь.
На эти уникально идентифицируемые устройства возлагаются функции контроля и управления. Для их реализации создается система сбора данных с помощью интеллектуальных датчиков, на которые возлагается большая часть деятельности «интернета вещей».
В исследовании рынка, проведенном аналитиками IDC, указано, что к 2015 г. появятся 15 млрд устройств с возможностью подключения к интернету. Таким образом, на каждого нынешнего жителя нашей планеты придется более двух таких устройств. По мере дальнейшего распространения систем с умными датчиками количество подключений стремительно вырастет, чему в немалой степени будет способствовать низкая стоимость разработки и внедрения подключенных устройств. Основной составляющей этой стоимости станут интеллектуальные функции, и именно на них делают упор производители электроники, разрабатывая недорогие микроконтроллеры с малым потреблением, которые удовлетворяют коммерческим и техническим требованиям этого зарождающегося рынка.
Микроконтроллеры смешанных сигналов с возможностью беспроводного подключения уже появились на рынке, а в недалеком будущем они получат широкое распространение. Однако для многих приложений интеграция функций беспроводного подключения менее важна, чем двухкристальное решение, по крайней мере, до тех пор, пока не завершится битва за выбор протокола беспроводной связи. По этой причине, возможно, разработка микроконтроллеров с ультранизким потреблением для сетей с интеллектуальными датчиками ведется с большей охотой.
Недавнее появление компании ON Semiconductor на рынке микроконтроллеров ознаменовалось анонсом первого микроконтроллера смешанных сигналов, который предназначен для экономичных высокоточных приложений. ON Semiconductor приобрела компанию Sanyo Semiconductor и с ней вместе — портфель 8- и 16-разрядных МК. Однако для своей первой разработки ON Semiconductor выбрала 32-разрядное ядро ARM Cortex-M3, которое в микроконтроллере Q32M210 оснастила компонентами смешанных сигналов. Компания заявляет, что это устройство предназначено для портативных датчиковых систем, требующих высокой точности, предсказуемой работы и высокой энергоэффектив­ности.
Известно, что ON Semi традиционно разрабатывает заказные ASIC, а не собственные изделия, однако с помощью поглощенных компаний она рассчитывает приобрести опыт, необходимый для реализации нишевых высокоточных приложений. Именно опыт разработки нишевых устройств смешанных сигналов позволяет этой компании заниматься, например, проектированием слуховых аппаратов, в которых используются высокоточные АЦП и заказные DSP.
Функционально законченный аналоговый блок (analogue front-end, AFE) в Q32M210 состоит из сдвоенных 16-разрядных АЦП и конфигурируемых операционных усилителей, обеспечивающих требуемую эффективную разрядность (ENOB) в 16 бит в диапазоне рабочего напряжения источника питания. Отчасти это достигается за счет использования схемы зарядового насоса, которая позволяет продлить срок службы батареи. ON Semi заявляет, что подкачка заряда обеспечивает стабильное напряжение 3,6 В для блока AFE, даже если напряжение батареи падает до 1,8 В. Таким образом, срок службы любого устройства значительно увеличивается за счет применения Q32M210.
Для дополнительных периферийных устройств имеется USB-интерфейс, а также драйверы светодиодов и ЖК-дисплеев и кнопочные интерфейсы. Вместе с программируемым интерфейсом датчиков это устройство можно считать СнК для ряда приложений и, в первую очередь, для портативных высокоточных медицинских устройств.
Блок AFE в Q32M210 позволяет выгодно отличить это устройство от изделий конкурентов как по обеспечиваемой точности, так и по потреблению. Однако ON Semi является не единственным производителем устройств, который признает необходимость в высококачественных МК смешанных сигналов.

Компания Energy Micro, которая тоже использует ядро Cortex-M3 в малопотребляющих микроконтроллерах смешанных сигналов, недавно представила интерфейс LESENSE, которым оснащено семейство МК Tiny Gecko EFM32. Интерфейс LESENSE — одно из автономных периферийных устройств Gecko. Это значит, что он продолжает работать, когда ядро ARM находится в режиме глубокого сна, что позволяет экономить расход энергии.
Интерфейс LESENSE позволяет контролировать и управлять 16-ю датчиками. Он имеет настраиваемый конечный автомат с 16-ю состояниями, который работает в качестве декодера, хранящего результаты в буфере и готового извлекать требуемую информацию для ядра через заданные интервалы времени. Эта возможность позволяет ядру не просыпаться для регулярного опроса датчиков. Каждый из 16-ти каналов имеет собственный набор регистров конфигурации. Модуль последовательного сканирования тактируется предварительно масштабируемой системной тактовой частотой, и каждый канал проходит через трехфазные циклы — ожидания, возбуждения и измерения. Длительность последних двух фаз настраивается с помощью временного регистра канала. Инициализация датчика при необходимости происходит либо при подаче высокого или низкого уровня напряжения на соответствующий вывод, либо путем его подключения к выходу канала ЦАП. Оценка показаний датчика может также выполняться с помощью аналогового компаратора или счетчика, вывод которого используется для запуска сигнала прерывания.
В одном из приложений с помощью четырех емкостных сенсорных кнопок интерфейса производится сканирование на частоте 100 Гц, и запускается прерывание при нажатии одной из кнопок. Хотя это приложение не относится к упомянутой области применения МК смешанных сигналов от ON Semi, оно свидетельствует о необходимости относительно простого контроля в пользовательских интерфейсах и более сложных системах со специальными датчиками, например, для контроля воспламеняемых сред, температуры или возникновения
дыма.
Еще одной областью широкого распространения датчиков являются системы сбора данных, подлежащих хранению или частому обновлению. В таких приложениях использование флэш-памяти в качестве накопителя данных может быть затруднено — по крайней мере, так считает компания Texas Instruments. Несмотря на многие преимущества этой памяти, она характеризуется высоким энергопотреблением по сравнению с другими видами энергонезависимых запоминающих устройств. Они, в свою очередь, могут терять данные при отключении питания. Для решения этой проблемы TI разработала FRAM-версию 16-разрядного МК с малым потреблением — MSP430. В настоящее время уже существует целый ряд автономных устройств с ферроэлектрическим ОЗУ (FRAM), однако впервые эта память была использована в МК с ультранизким энергопотреблением.
В частности, FRAM используется в приложениях с умными датчиками потому, что характеризуется намного более быстрым временем записи, чем флэш-память, и намного большим сроком службы. У MSP430 с FRAM скорость записи нового устройства достигает 1400 Кбайт/c, тогда как для MSP430 с флэш-памятью она составляет 13 Кбайт/c. Таким образом, в случае с FRAM требуется намного меньше времени, а, следовательно, и энергии, для хранения данных. Кроме того, если количество циклов чтения/записи для флэш-памяти равно 10 тыс., то у FRAM этот показатель практически неограничен.
Возникает закономерный вопрос, почему FRAM не вытеснила флэш-память в этом и других приложениях? На то есть свои причины, скорее, коммерческого, чем технического характера. Хотя при изготовлении FRAM используются два технологических процесса, а флэш-памяти — пять, производство FRAM экономически оправдано только на 130 нм при плотности около 512 Кбайт. На других нормах производство FRAM еще не стало дешевле изготовления флэш-памяти, поэтому первое семейство модулей FRAM применяется исключительно в системах с интеллектуальными датчиками, где не требуется большой плотности памяти.
Примечательно, что пока FRAM преподносится как универсальное решение, способное заменить флэш-память, SRAM и DRAM, в микроконтроллерах семейства MSP430FR57xx по-прежнему устанавливается SRAM-память, на что есть две причины. Во-первых, существующие приложения с памятью SRAM легче портируются на устройства с FRAM, которые имеют ту же архитектуру. Во-вторых, TI допускает, что использование SRAM позволяет преодолеть временные ограничения FRAM при исполнении программы непосредственно из памяти. TI также утверждает, что FRAM поддерживает тактовую частоту 8 МГц без возникновения состояний ожидания. Эта частота повышается до 24 МГц при использовании кэша SRAM. Однако поскольку FRAM масштабируется при переходе на другую технологическую норму, TI уверенно оценивает перспективы увеличения поддерживаемой FRAM тактовой частоты в будущем.
Памяти FRAM не требуется корректирующего кода (Error-Correcting Code, ЕСС), однако эта схема встроена в кристалл для обеспечения безопасности. Хотя микроконтроллер MSP430FR57xx не имеет функции смешанных сигналов того же уровня, что специализированный датчиковый интерфейс других рассмотренных в статье устройств, этот МК оснащен 12-ю каналами АЦП и с успехом применяется в тех же приложениях. В недалеком будущем микроконтроллеры для «интернета вещей» усовершенствуются, предоставив разработчикам намного больше возможностей.