作者：Stephen Evanczuk

投稿人：DigiKey 北美編輯

工業、醫療保健和各種物聯網 (IoT) 應用的低功耗設計開發人員面臨著對基于微控制器的解決方案的持續需求，這些解決方案既要提供豐富的功能，又不能影響緊張的功耗預算。隨著開發的進行，為了滿足專門的功能要求，他們經常要冒險跨越最大功率閾值。

本文介紹了 [Analog Devices] 的超低功耗微控制器產品組合如何滿足這些要求。

滿足專業應用的要求

設計人員必須滿足一系列高性能、低功耗的核心要求，才能有效響應客戶的期望。在醫療保健、工業和物聯網等各種應用領域，這些核心要求通常主導著設計決策，并指導著硬件平臺的開發，而這些平臺基本上沒有區別。因此，設計人員可以快速運用在一個應用領域獲得的硬件和軟件設計經驗，以此來滿足另一個應用領域的基本需求。

隨著這些領域對日益復雜產品的需求不斷增長，設計人員既需要滿足專業應用的特殊要求，又不能犧牲滿足核心要求的能力，這變得愈發艱難。應用細分市場已開始急劇分化，對連接性、安全性和人工智能 (AI) 提出了獨特的要求。

在這些不斷變化的需求的推動下，通用硬件平臺的概念得以發展，使設計人員依靠增強了專用功能的熟悉處理器集就能夠滿足高性能和低功耗的核心要求。

為專用功能定制的處理器基礎平臺

Analog Devices 的超低功耗微控制器產品組合以帶浮點單元 (FPU) 的超低功耗 [Arm?] Cortex?-M4 為核心，為設計人員提供了一個能夠滿足核心功耗和性能要求的熟悉平臺。

為了滿足不同應用領域的獨特要求，Analog Devices 利用產品組合中四個成員的專用功能定制了這一基礎平臺，其中包括：

• [MAX32655] ：主要面向需要低功耗藍牙 (BLE) 連接和更長電池續航時間的應用，同時提供足夠的內存和性能。
• [MAX32690] ：主要面向需要 BLE、強大性能和大容量內存的應用。
• [MAX32675C] ：主要面向需要工業和醫療傳感器所需的混合信號的應用。
• [MAX78000] ：可滿足對智能邊緣設備的新興需求。

解決連接問題

Analog Devices 的 MAX32655 微控制器集成了帶 FPU 的 100 MHz Arm Cortex-M4、512 KB 閃存、128 KB 靜態隨機存取存儲器 (SRAM) 和 16 KB 指令緩存，提供典型低功耗應用所需的處理器性能和存儲器的有效組合。除了此處理子系統外，該器件還增加了一整套功能模塊，用于提供資產跟蹤設備、可穿戴設備和醫療保健監測設備通常需要的安全功能、電源管理功能、定時功能以及數字和模擬外設（圖 1）。

圖 1：MAX32655 微控制器集成了大量外設，可支持需要藍牙連接、高性能處理和優化功耗的各種應用。（圖片來源：Analog Devices）

為了滿足不同應用的各種藍牙連接要求，MAX32655 提供了專用的硬件和軟件，以支持全套藍牙 5.2 功能。除了藍牙 5.2 無線電外，該微控制器還集成了一個專用的 32 位 RISC-V 協處理器，用于處理時序關鍵型藍牙處理任務。該藍牙子系統可滿足新出現的性能需求，支持 2 MB/s 的高吞吐量模式以及速率為 125 KB/s 和 500 KB/s 的遠距離模式。兩個器件引腳讓開發人員可在支持藍牙的設計中輕松連接片外天線。為了完善藍牙 5.2 功能并提供應用支持，該器件的運行時藍牙協議棧可擴展至帶 FPU 的 Arm Cortex-M4、RISC-V 和無線電（圖 2）。

圖 2：在 MAX32655 帶 FPU 的 Arm Cortex-M4、RISC-V 和無線電上運行的完整藍牙 5.2 協議棧支持全套測向、高吞吐量通信和遠距離操作功能。（圖片來源：Analog Devices）

Analog Devices 的 MAX32690 微控制器提供 120 Mhz 帶 FPU 的 Arm Cortex-M4 以及 3 MB 閃存、1 MB SRAM 和 16 KB 緩存，適用于需要強大性能和大內存的應用。除了 MAX32655 中的模擬比較器和數字外設外，MAX32690 還集成了一個 HyperBus/Xccela 總線接口，以便在內存要求超過片上資源時從外部閃存和 SRAM 高速執行任務。與 MAX32655 一樣，MAX32690 也集成了一個 32 位 RISC-V 處理器，可用于獨立處理并支持藍牙處理。

為了幫助開發人員優化功耗，上文提到的四款微控制器都支持多種低功耗工作模式。在 MAX32655 和 MAX32690 中，低功耗模式包括：

• 睡眠模式：帶 FPU 的 Arm Cortex-M4 (CM4) 和 32 位 RISC-V (RV32) 處于睡眠模式，但外設仍保持開啟狀態
• 低功耗模式 (LPM)：CM4 處于睡眠狀態，并保持狀態不變，而 RV32 則保持活動狀態，以便從啟用的外設移動數據
• 微功耗模式 (UPM)：CM4、RV32 和某些引腳保持其狀態，但看門狗定時器、模擬比較器和低功耗 UART 仍可用于喚醒微控制器
• 待機模式：實時時鐘保持開啟狀態，所有外設均保持其狀態
• 備份模式：實時時鐘保持開啟狀態，系統內存保持其狀態

此外，MAX32655 還提供專為最終產品的儲存與配送而設計的掉電模式 (PDM)。在 PDM 模式下，MAX32655 斷電，但內部電壓監視器則保持工作狀態。因此，最終用戶只需取下電池保護片或向產品供電，即可快速使基于 MAX32655 的產品通電。

即使對于超低功耗微控制器，這些工作模式也可以通過選擇性地關閉不同的硬件模塊來提供顯著的節能效果。例如，在正常活動工作模式下，MAX32655 在 3.0 V 電壓下的功耗僅為 12.9 μA/MHz。在待機模式下，該器件可保持其狀態或完全關閉多個模塊的電源，從而實現 3.0 V 電壓下僅 2.1 μA 的功耗，同時能夠在僅 14.7 μs 的時間內恢復工作（圖 3）。

圖 3：MAX32655 微控制器的不同電源模式（例如此處顯示的待機模式）可保持其狀態或完全關閉不同硬件子系統的電源，從而在維持運行能力的同時降低功耗。（圖片來源：Analog Devices）

除了能以低功耗運行外，這些器件的高度集成還有助于開發人員降低設計復雜性，并滿足最小封裝要求。例如，MAX32655 的集成式單電感多輸出 (SIMO) 開關模式電源只需要一對電感器/電容器。因此，開發人員可以更輕松地創建由單個鋰電池供電的緊湊型設計，以滿足資產跟蹤設備、可穿戴設備、耳戴式設備和類似空間受限產品等應用的封裝要求。

例如，對于真無線立體聲 (TWS) 耳塞設計，開發人員可以使用 MAX32655 提供有效的解決方案，除編解碼器和電池電源管理器件外，所需的其他元器件極少。將 MAX32655 與這些器件和 [DS2488] 單線雙端口鏈路相結合，即可提供 TWS 耳塞及其充電座的完整設計（圖 4）。

圖 4：MAX32655 微控制器的集成功能可使設計的占用面積和物料清單最小化，除了編解碼器、電源管理器件和 DS2488 單線鏈路等接口器件外，幾乎不需要其他器件就能提供完整的 TWS 耳塞及充電座解決方案。（圖片來源：Analog Devices）

為了加快這些微控制器的評估和原型開發，開發人員可以利用 Analog Devices 提供的多種開發資源，包括：

• MAX32655 評估套件 ([MAX32655EVKIT] )
• MAX32655 Feather 板 ([MAX32655FTHR] )
• MAX32690 評估套件 ([MAX32690EVKIT] )
• MAX32690 [Arduino] 外形尺寸開發平臺 ([AD-APARD32690-SL]

滿足混合信號設計要求的高效解決方案

MAX32655 和 MAX32690 可滿足緊湊型電池供電藍牙產品的需求，而 Analog Devices 的 MAX32675C 低功耗混合信號微控制器則可滿足醫療和工業傳感器應用的專業要求。

MAX32675C 在啟動和運行時功耗低，集成度高，可滿足這些應用日益增長的需求。該器件結合了 12 MHz Arm Cortex-M4 處理器和 FPU 與 384 KB 閃存、160 KB SRAM 和 16 KB 緩存以及精密模擬前端 (AFE) 和 HART 調制解調器（圖 5）。

圖 5：MAX32675C 微控制器的集成 AFE 和 HART 調制解調器提供所需的子系統，可滿足工業和醫療傳感器對小尺寸和低功耗的要求。（圖片來源：Analog Devices）

AFE 通過內部串行外設接口 (SPI) 與處理器通信，提供了一套工業和醫療傳感器應用所需的典型外設，包括一個 12 位數模轉換器 (DAC)，以及兩個可配置為 16 位或 24 位運算的高精度三角積分模數轉換器 (ADC)。每個 ADC 都有一個專用的 1 倍至 128 倍低噪聲可編程增益放大器 (PGA)，由一個 12 通道輸入多路復用器驅動，可配置為 12 通道單端或 6 通道差分運行。

MAX32675C 尤其適用于滿足基于 4-20 mA 傳感器和發射器的低功耗工業現場儀表的需求。事實上，這款微控制器明確設計為在 4-20 mA 應用中絕不會超過功率限制，從而解決了微控制器在啟動過程中難以維持功率限制的常見問題。

為了支持眾多現有工業控制系統的基本要求，AFE 提供了完整的 HART 調制解調器，從而簡化了通過 4-20 mA 電流回路實施工業現場儀表的過程（圖 6）。

圖 6：MAX32675C 微控制器的 AFE 包括一個專用的 HART 調制解調器，可支持典型工業應用中現有的 4-20 mA 現場儀表。（圖片來源：Analog Devices）

借助 MAX32675C，工業應用開發人員可以通過 HART 調制解調器與 Arm Cortex-M4 的 SPI 連接，輕松配置和控制現場儀表。

除了說明文檔和其他開發資源，Analog Devices 還提供了 [MAX32675EVKIT] MAX32675C 評估套件，以幫助加快測試和原型開發。

滿足邊緣 AI 的新興要求

為了在越來越多的領域構建有效的應用，開發人員必須實施邊緣設備，以高效執行 AI 算法，實現智能時間序列處理或者物體、文字或人臉識別。Analog Devices 的 MAX78000 專門用于支持這些功能，同時仍滿足基本的低功耗要求。

與上文介紹的超低功耗微控制器一樣，MAX78000（圖 7）基于帶 FPU 的 Arm Cortex-M4 處理器、512 KB 閃存、128 KB SRAM 和 16 KB 緩存，可滿足核心應用執行要求。為了支持邊緣 AI 解決方案，MAX78000 利用一對額外資源增強了其處理子系統，包括：

• 32 位 RISC-V 協處理器，為系統提供超低功耗信號處理能力
• 基于硬件的集成式卷積神經網絡 (CNN) 加速器，滿足邊緣 AI 設備的新興需求

圖 7：除了帶 FPU 的 Arm Cortex-M4 和 32 位 RISC-V 處理器外，MAX78000 微控制器還集成了 CNN 加速器，以提高邊緣 AI 應用的推理性能。（圖片來源：Analog Devices）

與上文介紹的 MAX32655 一樣，MAX78000 也支持低功耗工作模式和掉電模式，通過睡眠和低功耗模式使 CNN 保持可用狀態，在微功耗、待機和備份模式下保持狀態，并且可在最終產品的儲存和配送期間使用掉電模式。

與本文討論的其他微控制器相同，MAX78000 的高度集成有助于開發人員滿足物料清單 (BOM) 和最終產品尺寸最小化的要求。利用該器件的集成 ADC 和信號處理功能，開發人員只需使用 MAX78000 以及少量其他元器件，就能快速實現邊緣 AI 應用，例如關鍵字識別 (KWS) 或人臉識別 (FaceID)。

除了簡化邊緣 AI 的實現過程外，MAX78000 還結合了多種電源模式、雙處理器和基于硬件的 CNN，讓開發人員能夠以最小的功耗實現快速推理。Analog Devices 的工程師在 MAX78000 的功耗優化應用研究中仔細檢查了其性能。^1^

作為該研究的一部分，工程團隊測量了典型邊緣 AI 應用在加載模型權重（內核）、加載輸入數據和執行推理時的能耗和時間。例如，在一項包含 20 個關鍵字的 KWS (KWS20) 案例研究中，結果顯示開發人員可以單獨運行 Arm 處理器，以減少加載時間和能耗，同時在不同的 MAX78000 電源工作模式下運行（圖 8）。

圖 8：KWS20 案例研究應用表明，時鐘速度越快，加載時間就越短，能耗就越低，尤其是在僅使用 Arm 處理器的情況下。（圖片來源：Analog Devices）

該研究還考察了 Arm 處理器和 RISC-V 處理器在空閑時間處于睡眠狀態時對能耗和時間的影響，其中 RISC-V 處理器僅在執行加載和管理 CNN 時才喚醒。在此，研究還比較了使用兩種不同時鐘源的性能：100 MHz 下的 MAX78000 內部主振蕩器 (IPO) 與 60 MHz 下功耗較低但速度較慢的內部輔助振蕩器 (ISO)。結果表明，由于加載和推理各自所需的完成時間較長，時鐘頻率的降低顯著增加了加載和推理的能耗（圖 9）。

圖 9：在 KWS20 案例研究中，由于加載和推理時間較短，僅使用 RISC-V 處理器的較高時鐘頻率進行加載和 CNN 管理應用可降低能耗。（圖片來源：Analog Devices）

根據他們的研究，Analog Devices 團隊指出，開發人員可以通過以更高的時鐘速率運行（尤其是使用高性能 Arm 處理器時）、合理使用 MAX78000 的低功耗工作模式以及將內核保留在內存中以避免加載時間延長導致損失能量，最終以最低的功耗實現快速推理。

對于創建自己的邊緣 AI 解決方案的開發人員，Analog Devices 提供了一整套 MAX78000 開發資源，包括 [MAX78000EVKIT] 評估套件和 [MAX78000FTHR Feather 板。除了板載數字麥克風、運動傳感器、彩色顯示屏和多種連接選項外，MAX78000EVKIT 還具有電源監測功能，可幫助開發人員優化功耗。

在軟件開發方面，Analog Devices 的 MAX78000 [CNN 工具存儲集庫] 提供了支持評估套件和 Feather 板的說明文檔、開發指南、培訓視頻和軟件代碼。

結語

在高效處理器子系統的基礎上，Analog Devices 推出了一系列超低功耗微控制器，這些器件集成了專為滿足可穿戴設備、耳戴式設備、資產跟蹤設備、工業和醫療傳感器以及邊緣 AI 等應用的獨特要求而設計的特性和功能。利用這些微控制器和支持資源，開發人員可以快速實現滿足各種低功耗應用專業需求的設計。

參考文獻：

1. *[Developing Power-optimized Applications on the MAX78000] * （利用 MAX78000 開發功耗優化應用）

審核編輯 黃宇