Mikrocontroller Cortex-M0+ für das »Internet der Dinge«

Klein und energiesparend müssen sie sein, die Mikrocontroller, mit denen die Anwendungen im »Internet of Things« laufen sollen. Ein neuer Controller auf Cortex-M0+-Basis bietet 32-Bit-Rechenpower auf einer Fläche von nur 1,9 mm x 2,0 mm. Möglich macht‘s ein »Wafer-Level Chip-Scale«-Gehäuse.

Unter dem »Internet der Dinge« stellen sich viele Fachleute eine breit aufgestellte und diversifizierte Landschaft »intelligenter«, vernetzter Produkte und Displays vor, die Rechenleistung schon bald in viele neue Bereiche unseres Alltagslebens bringen können - von winzigen Sensoren zur Überwachung von Pflanzen und deren Bewässerung bis hin zu Mikrocontrollern, die dafür sorgen, dass ganze Gebäudekomplexe weniger Energie verbrauchen.

Vor allem kleine, »intelligente« und batteriebetriebene Geräte sollen dem »Internet of Things« (IoT) zu einem schnellen Wachstum verhelfen. Also müssen die Mikrocontroller, die in solchen Anwendungen ihren Dienst versehen, in möglichst kleinen Gehäusen eine hohe Rechenleistung und vielfältige Kommunikationsoptionen bieten - und dabei zugleich möglichst energieeffizient arbeiten.

Auf der diesjährigen embedded world hat Freescale eine neue MCU vorgestellt, die auf solche Anwendungen zielt: Laut Hersteller ist der Chip vom Typ »Kinetis KL02« der kleinste Mikrocontroller der Welt auf Basis eines ARM-Cores. Mit diesen Abmessungen sieht Freescale viel Potenzial für besonders kompakte Produkte in Anwendungen wie tragbarer Konsumelektronik, dezentralen Sensorknoten, am Körper getragenen Geräten und medizintechnischen Produkten, die Patienten sogar einnehmen können.

Auch Applikationen, die sich aus Platzgründen bisher nicht mit einem Mikrocontroller ausrüsten ließen, könnte der Baustein nun mit Rechenfunktionen ausstatten, wodurch sogar ganz neue Geräteklassen das »Internet of Things« bereichern könnten. Doch auch bei bestehenden Designs sehen die Freescale-Fachleute viel Potenzial für den kleinen Controller.

Weil neben dem Cortex-M0+-Kern umfangreiche Stromsparfunktionen und eine ganze Palette von Analog- und Kommunikationsmodulen auf dem Chip integriert sind (Bild 1), können Entwickler laut Freescale die Größe ihrer Platinen und Produkte deutlich reduzieren, ohne Kompromisse bei der Rechenleistung, dem Funktionsumfang oder dem Stromverbrauch ihrer Endprodukte machen zu müssen.

Bei der »Wafer-Level Chip-Scale Package«-Technologie (CSP) des KL02 wird der Chip direkt mit den Lötkontakten des Gehäuses verbunden. Diese Chipkontakte stellen wiederum die Verbindung mit der Platine her. Bonddrähte bzw. »Interposer«-Folien im Chipgehäuse können somit komplett entfallen, dadurch sinkt die Induktivität zwischen Chip und Platine auf ein Minimum und die thermische Leitfähigkeit verbessert sich. Durch dieses Verfahren entspricht die Gehäusefläche weitgehend der Chipfläche, kleiner geht es also kaum noch (Bild 2).

Trotzdem ist das 1,9 mm x 2,0 mm kleine Gehäuse laut Freescale sehr robust, hält selbst äußerst unwirtlichen Bedingungen stand und bietet 20 Pins, vier mehr als das mit 3 mm x 3 mm deutlich größere 16-Pin-QFN-Gehäuse. Erfahrung mit der CSP-Technik konnte Freescale bereits mit den größeren K60/K61-Varianten der »Kinetis K«-Baureihe sammeln, deren CSP-Gehäuse weisen 120 bzw. 143 Pins auf. Weitere Mikrocontroller-Derivate in CSP-Technik mit mehr Rechenleistung, größerem Speicher und mehr Funktionen sollen im Laufe des Jahres folgen (Bild 3).

Strom sparen

Mit dem besonders energieeffizienten Cortex-M0+-Kern eignen sich die Mikrocontroller gut für die anspruchsvollen Energieprofile miniaturisierter Systeme im Umfeld des »Internet of Things«. Laut Freescale wartet der KL02 mit 15,9 CoreMark pro mA auf und verfügt über autarke Peripherie mit ausgefeilter Stromspartechnik. So können der 10-Kanal-A/D-Wandler, die UART und die Timer selbstständig laufen, ohne dass die CPU aktiv sein muss.

Zehn flexible Betriebsmodi und umfangreiche Takt- und Power-Gating-Funktionen sorgen für einen verlustarmen Betrieb. Ein Low-Power-Boot-Modus reduziert Leistungsspitzen während des Bootvorgangs oder beim Wecken aus dem »Deep Sleep«-Stromsparmodus. Dies ist besonders nützlich für Systeme, in denen Stromspitzen aufgrund der chemischen Parameter der Batterie bestimmte Werte nicht überschreiten dürfen, beispielsweise bei der Verwendung von Lithium-Ionen-Batterien.

Doch ein wenig werden Entwickler auf die neuen Winzlinge noch warten müssen: Mit der Bemusterung der Mikrocontroller an ausgewählte Kunden will Freescale noch im März 2013 beginnen, für den breiten Markt sollen voll qualifizierte Muster allerdings erst im Juli 2013 verfügbar sein. Den Preis gibt der Hersteller bei Abnahme von 100 000 Stück mit etwa 75 US-Cent an (momentan zirka 58 Euro-Cent). Ebenfalls ab Juli sollen eine neue Entwicklungsplattform aus der »Freedom«-Serie mit der Bezeichnung »FRDM-KL02« sowie weitere Entwicklungsunterstützung vom Hersteller und Drittfirmen bereit stehen. Wer nicht so lange warten möchte, kann sein Entwicklungsprojekt bereits Ende März auf dem Freedom-Board mit der Bezeichnung »FRDM-KL05Z« starten. Auf diesem Board läuft mit der »Kinetis KL05« eine MCU, die ein Superset des Winzlings darstellt.

Webbasierte »mbed«-Entwicklungstools jetzt auch für »Kinetis L«-Einstieg KL02 im Detail   
Mit den webbasierten »mbed«-Tools sollen  Entwickler besonders einfach und ohne Barrieren Zugriff auf eine umfangreiche Palette von Entwicklungsunterstützung bekommen. Jetzt sind diese Werkzeuge auch für die »Kinetis L«-Mikrocontrollerfamilie frei verfügbar, denn die Entwicklungsplattform »FRDM-KL25Z Freedom« von Freescale ist nun Bestandteil der mbed-Hardwarepalette und findet entsprechend Unterstützung durch die mbed-Online-Entwicklungsgemeinde.
Mit der Plattform lassen sich Projekte mit den MCUs der »Kinetis L«-Serie von  Freescale auf Basis des ARM-Cortex-M0+-Kerns preisgünstig evaluieren und entwickeln. Weil der Hersteller die FRDM-KL25Z in die mbed-Hardwarepalette integriert hat, können die Anwender das Online-Portal »mbed.org« jetzt kostenfrei nutzen und haben vollen Zugriff auf die Online-Umgebung, die unter anderem ein Software-Development-Kit (SDK), leistungsfähige Online-Tools, eine aktive Entwicklergemeinde und eine Bibliothek von wiederverwendbarem Code umfasst. Mit dem »mbed Online-Compiler« und der Plattform ist es möglich, rasch und unkompliziert durchzustarten und zu experimentieren, ohne dass der Entwickler irgendwelche Tools herunterladen, installieren oder lizenzieren müsste.
Die Entwicklerplattform FRDM-KL25Z eignet sich für die Evaluierung der »KL1«- und »KL2«-Bausteine der Kinetis-L-Baureihe. Sie ist mit dem »KL25Z128VLK« ausgestattet, einem  Baustein der KL2-Familie mit einer maximalen  Betriebsfrequenz von 48 MHz, 128 KByte Flash-Speicher, einem Full-Speed-USB-Controller und vielen analogen und digitalen Peripheriefunktionen. Vom Format her ist die FRDM-KL25Z-Hardware kompatibel mit dem Pin-Layout des »Arduino R3«-Boards und eröffnet damit viele Optionen für Erweiterungsplatinen. Auf dem Board sind unter anderem eine RGB-LED, ein digitaler Drei-Achsen-Beschleunigungssensor und ein kapazitiver Touch-Schieberegler integriert. Freescale nennt für die Entwicklungsplattform eine unverbindliche Preisempfehlung von 12,95 US-Dollar (etwa 9,95 Euro) und will im Laufe des Jahres noch weitere mbed-fähige Entwicklungsplattformen vorstellen.