Wie MCUs mit Analogperipherie den Energieverbrauch im IoT senken

Mikrocontroller (Micro Controller Units, MCUs) spielen eine wichtige Rolle im täglichen Leben, da viele Produkte, die wir nutzen, Halbleiterkomponenten enthalten. Elektronikprodukte aus allen Anwendungen und Marktsegmenten, von der Automobil-, Luft- und Raumfahrtindustrie über die Unterhaltungselektronik bis hin zum Industrie- und Gesundheitswesen benötigen Mikrocontroller für einen größeren Funktionsumfang.

Obwohl es 8-Bit-Mikrocontroller bereits seit fast 50 Jahren gibt, lassen neue Produkte und Anwendungen wie Elektrofahrzeuge oder -fahrräder, Heim- und Industrieautomation und Geräte für das IoT die Nachfrage nach kleinen, kostengünstigen Mikrocontrollern exponentiell ansteigen. Infolgedessen haben sich 8-Bit-MCUs weiterentwickelt, um mit den für aktuelle Applikationen erforderlichen Funktionen Schritt zu halten. Als Beispiel dienen drei Applikationen, bei denen eine neue Klasse an 8-Bit-MCUs mit erweiterten analogen Filterfunktionen zum Einsatz kommt. Sie stellen eine hohe Systemleistung bereit und ermöglichen eine schnelle Reaktion auf Systemereignisse.

Viele Embedded-Systeme – zum Beispiel im IoT – arbeiten an entlegenen Orten, mit einer Batterie als Energiequelle. Hierbei ist es essenziell, die Lebensdauer und den Zustand der Batterie kontinuierlich zu überwachen. In einem Batteriemanagementsystem übernimmt eine MCU das automatisierte Messen der verbleibenden Batteriekapazität sowie das Verwalten des Batteriezustands für eine optimale Batterieleistung. Eine MCU mit integriertem Analog-Digital-Wandler (ADC) liest die gemessenen Strom- und Spannungswerte der Batterie aus und wandelt sie in digitale Daten um. Anschließend kann die MCU die Daten zum Einschätzen des Batteriezustands nutzen. Über integrierte Kommunikationsschnittstellen wie UART, SPI und I²C lässt sich die Batterieleistung an externe Komponenten weiterleiten, um die nötige Konnektivität für IoT-Designs zu gewährleisten.

Möchten Anwender zudem die Batterietemperatur überwachen, lässt sich der integrierte Operationsverstärker (Op-Amp) des Controllers als Vorspannung für einen Temperatursensor nutzen. On-Chip-Operationsverstärker sind auf vielen derzeit erhältlichen 8-Bit-MCUs verfügbar. Sie können die Systemkosten und den Platzbedarf für externe Komponenten in all jenen Applikationen reduzieren, die eine Verstärkungsstufe vor der Analog-Digital-Wandlung erfordern, beispielsweise bei schwachen Analogsignalen.

Um die Batterieleistung zu optimieren und die Systemlaufzeit zu verlängern, bietet die ideale MCU verschiedene Energieverwaltungsmodi. Hiermit lässt sich der Leistungsbedarf ausgleichen sowie gleichzeitig die Leistungsaufnahme optimieren. Entscheidend für eine lange Batterielebensdauer in einem Embedded-System ist die Fähigkeit, Systemaktivitäten zu reduzieren, wenn das System sie nicht benötigt. Flexible Konfigurationsebenen ermöglichen es dem System, so wenig Leistung wie möglich für die anstehenden Aufgaben aufzunehmen, oft ohne das Überwachen durch die zentrale Verarbeitungseinheit (Central Processing Unit, CPU).

Funktionen wie „IDLE“-, „DOZE“- oder „SLEEP“-Modi sorgen für Energieeinsparungen und reduzieren die aktive Leistungsaufnahme. Zudem lassen sich bei den neuesten PIC- und AVR-MCUs von Microchip ADCs, Operationsverstärker und Digital-Analog-Konverter (DACs) per Software ein- und ausschalten oder so einstellen, dass der MCU-Kern und die digitale Peripherie bei bestimmten Schwellwerten getriggert werden. Das ermöglicht zusätzliche Flexibilität und Energieeinsparungen bei batteriebetriebenen Applikationen. Diese in MCUs verfügbaren Energiesparfunktionen maximieren die Batterielebensdauer bei gleichzeitigem Reduzieren der Leistungsaufnahme, der Verlustleistung und der Kosten.

Da Embedded-Systeme mit der Zeit immer komplexer werden, sind die Verarbeitungsaufgaben so zu verteilen, dass eine blitzschnelle Systemreaktion gewährleistet ist. Lediglich so lassen sich die Benutzerfreundlichkeit maximieren sowie strenge Sicherheitsstandards einhalten. Hierzu nutzen komplexe Systeme oft die Vorteile aktueller 8-Bit-MCUs, da diese über eine integrierte analoge Peripherie verfügen, die "Housekeeping"-Aufgaben übernehmen. Zum Beispiel das Steuern von Stromschienen, das Überwachen der Umgebungsluft sowie von Gefahrensituationen oder das Umschalten zwischen verschiedenen Funktionen. Für viele Applikationen sind diese Funktionen entscheidend, zum Beispiel für die Infrastruktur von Rechenzentren, Gebäudemanagementsysteme oder intelligente Stromnetze.

Ein Beispiel ist ein Server in einem Rechenzentrum. Während jede Server-Hauptplatine eine Hauptserver-CPU und viele Anwendungsprozessoren für verschiedene Aufgaben enthält, nutzen viele dieser Server 8-Bit-MCUs als "Systemmanagement"-Bausteine. Diese MCUs dienen in der Regel als Knotenpunkt für verschiedene Umgebungssensoren, die Größen wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit oder den Zustand der Stromschienen überwachen. Sie sind so programmiert, dass sie den Status auf einem Systemmanagementbus melden und gleichzeitig andere Komponenten auf der Hauptplatine – je nach Bedingungen – in einer gewissen Reihenfolge mit Leistung versorgen. In diesen Fällen sind 8-Bit-MCUs aufgrund ihrer On-Chip-Analogperipherie sowie ihrer einfachen Handhabung, Flexibilität und Robustheit bestens geeignet.

Bestimmte Mikrocontroller, wie die PIC- und AVR-MCUs von Microchip, bieten Core Independent Peripherals (CIPs), die mit der On-Chip-Analogperipherie zusammenarbeiten, um das System hinsichtlich kritischer Ereignisse zu überwachen sowie den korrekten Betrieb zu gewährleisten (Bild 1).

Die integrierte Analogperipherie, beispielsweise ein Operationsverstärker oder ein Analog-Digital-Wandler, sorgt für das Verstärken, Filtern und Aufbereiten des Signals – essenziell für das Erfassen des Analogsignals. CIPs hingegen sind so konzipiert, dass sie Systemaufgaben ohne Code und ohne Überwachung durch den CPU-Kern automatisieren, womit sich der Umfang des zu schreibenden, zu debuggenden und zu validierenden Codes reduziert und die Applikationen schneller auf Systemänderungen reagieren können. CIPs kommunizieren miteinander, was die Systemleistung und die Reaktionsfähigkeit weiter verbessert und das gleichzeitige Ausführen mehrerer Aufgaben ermöglicht.

PIC- und AVR-MCUs gehen sogar noch einen Schritt weiter: Sie verwenden hochentwickelte Analogperipherie mit dedizierter Hardware, die erweiterte, kernunabhängige Berechnungen wie Mittelwertbildung, Überabtastung und Tiefpassfilterung ermöglicht. Diese Funktionen ermöglichen eine schnellere Systemreaktion und eine starke Rauschunterdrückung in anspruchsvollen Umgebungen. Zudem lassen sich die speziellen analogen Peripheriebausteine mit vielen anderen On-Chip-Signalen wie Timern oder ähnlichen Taktquellen, digitalen Peripheriesignalen sowie anderen analogen Signalen verbinden. Hiermit können sie automatisch Prozesse auslösen oder Interrupt-Bedingungen zum Benachrichtigen der CPU erzeugen.

Analog-Digital-Wandler mit Filterfunktionen

Berührungsempfindliche Technologie kommt in vielen elektronischen Produkten zum Einsatz, von Smartphones über Haushaltsgeräte bis hin zu Automobilen. Gerade im Automobilbereich entwickeln sich Lenkräder und Armaturen weg von Tasten hin zu eleganten, flexiblen Benutzerschnittstellen (Bild 2). Solche Touch-Buttons müssen unmittelbar auf die Interaktion des Benutzers reagieren, unempfindlich gegen Fehlauslösungen sein und sich an viele verschiedene Umgebungsbedingungen anpassen, zum Beispiel schnelle Temperaturwechsel zwischen heiß und kalt, nasse Oberflächen oder das Tragen von Handschuhen.

Bei den heutigen kapazitiven Touch-Systemen kann die rohe Verarbeitungsleistung von 32-Bit-MCUs die funktionale analoge Interkonnektivität von 8-Bit-Bauelementen nicht ersetzen. Die neuen 8-Bit-MCUs von Microchip, wie die PIC18-Q71- und AVR-EA-Familien, verfügen über differenzielle ADCs mit erweiterten Filterfunktionen, die als „analoge Verarbeitungsmodule“ fungieren, um den CPU-Eingriff (und damit den Code), der für das Implementieren von Touch-Sensor-Applikationen erforderlich ist, erheblich zu reduzieren (Bild 3).

Diese spezialisierten On-Chip-ADCs verfügen über eine starke Rauschunterdrückung und eine integrierte automatische Abstimmung und Kalibrierung für eine verbesserte Rauschunempfindlichkeit und Wassertoleranz. In Kombination mit Microchips benutzerfreundlichen, Touch-orientierten Entwicklungstools bieten die MCUs eine Komplettlösung für das Entwickeln anspruchsvoller Touch-Schnittstellen, die rauen Umgebungen ausgesetzt sind.

Vollwertiger System-on-Chip

Mit den steigenden Anforderungen an Mikrocontroller in den letzten 50 Jahren verschwimmen die Grenzen zwischen dem, was in einem eingebetteten System analog und digital sein muss. Mit der Evolution der Embedded Designs hat sich der 8-Bit-Mikrocontroller von einem einfachen Arithmetikbaustein zu einem vollwertigen System-on-Chip (SoC) entwickelt, das die meisten der heutigen Embedded-Aufgaben bewältigen kann. MCUs mit integrierter Analogperipherie ermöglichen es den Entwicklern, Funktionen, die normalerweise außerhalb des Chips ausgeführt werden, auf die Haupt-MCU zu verlagern.

Dies verbessert die Systemreaktion und senkt die Stücklistenkosten – von der Budget- über die Systemverwaltung und -überwachung bis hin zu "Hauptcontroller"-Aufgaben in komplexen Designs. Die intelligente Analogperipherie auf 8-Bit PICs und AVR MCUs lässt sich nahtlos in die digitale Peripherie integrieren und bietet so noch mehr Funktionen und Flexibilität für die anspruchsvollen Embedded-Systeme von morgen. (ts)