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System-on-Chip

Erfolgreich Wearables entwickeln

16. Februar 2015, 10:24 Uhr | Mendy Ouzillou

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Autonome Peripherieblöcke sparen Strom

Ein autonomer Low-Power-UART ist ebenfalls wichtig, vor allem im Deep-Sleep (EM2), wenn der Großteil der anderen Peripherie und die CPU ausgeschaltet sind. Dieser UART sollte entsprechende Hardwareunterstützung bieten, um eine asynchrone serielle Kommunikation mit minimalem Softwareeingriff zu ermöglichen. Mit einer 32,768-kHz-Taktquelle kann der Low-Energy-UART bis zu 9600 Baud unterstützen. Wird ein kompletter UART-Frame empfangen, lässt sich die CPU schnell aktivieren. Ein stromsparender Timer kann für das Timing und die Erzeugung von Ausgangssignalen verwendet werden, wenn der Großteil des Bausteins abgeschaltet ist. Somit lassen sich einfache Aufgaben ausführen, während der Systemstromverbrauch minimal bleibt. Bei korrekter Konfiguration kann ein solcher Timer störungsfreie Signale bis 16 kHz (die halbe Frequenz eines 32-kHz-Oszillators) bereitstellen.

Analogperipherie wie ein A/D- sowie ein D/A-Wandler, LCD-Controller, Analogkomparatoren und andere Peripherie sollte sorgfältig analysiert werden – nicht nur nach ihrem Stromverbrauch, sondern auch hinsichtlich ihrer Flexibilität. Ein 12-Bit-A/D-Wandler mit 1 MSample/s Abtastrate kann zum Beispiel 350 µA bei voller Wandlungsgeschwindigkeit verbrauchen, aber nicht alle Anwendungen benötigen einen Betrieb auf diesem Niveau. Eine Applikation kann nur 6 Bit und 1 KSample/s erfordern, wobei der ADC nur 0,5 µA verbraucht – eine deutliche Verringerung. Ein LCD-Controller sollte kundenspezifische Animationen ohne CPU-Eingriff unterstützen können und die CPU nur dann aktivieren, wenn Daten zu aktualisieren sind.

Eine Verschlüsselung kann sehr ressourcenintensiv sein und somit die Batterie spürbar belasten. Selbst in kostengünstigen 8-Bit-MCUs müssen die Sicherheitsalgorithmen als Laufzeitcode ausgeführt werden. 32-Bit-MCUs verfügen meist über einen AES-Beschleuniger. Steht dieser in Hardware bereit, sollte er autonom und ohne CPU laufen sowie DMA-Support für autonome Chiffre-Modi bieten, um die Batterie zu entlasten.

HF-Integration

Neben der MCU-Architektur gibt es noch weitere Funktionen wie den Funk-Transceiver, die näher zu betrachten sind. Es gibt Wearables, die aufgrund ihrer Anwendung vielleicht niemals Informationen empfangen müssen, aber die meisten müssen zu irgendeinem Zeitpunkt Daten senden. Leistungsverstärker mit schlechtem Wirkungsgrad können in batteriebetriebenen Anwendungen zu einem hohen Stromverbrauch beitragen. Das Gerät muss dann größer ausfallen, damit eine größere und teurere Batterie Platz hat und die geforderte Betriebsdauer erhalten bleibt. Geräte, die eine Funkverbindung über längere Strecken unterstützen, erfordern zum Beispiel eine HF-Ausgangsleistung von +13 dBm, +16 dBm oder sogar +20 dBm.

Leistungsverstärker in Wireless-MCUs bieten zwar +10 dBm Sendeleistung, wenn die Anwendung aber mehr Leistung benötigt, ist ein externer Transistor oder Verstärker erforderlich. Es ist schwer, diese externen Verstärker effizient und kostengünstig zu gestalten, um eine wirtschaftliche Lösung zu bieten. In Anwendungen mit längeren Funkstrecken und/oder Anwendungen, bei denen regelmäßig Daten zu übermitteln sind, muss man einen Kompromiss zwischen Effizienz und Batterielebensdauer eingehen, um die meist aggressiven Kostenziele zu erfüllen.

Eine Lösung dafür ist eine WMCU mit einem entsprechenden Leistungsverstärker, der bis zu +20 dBm Sendeleistung bereitstellt. Durch die Integration des Verstärkers in die WMCU lässt sich dessen Stromverbrauch verringern. Es ergeben sich keine Verluste durch eine Fehlanpassung zwischen dem Ausgang des Leistungsverstärkers und dem Booster-Verstärker sowie keine Überdimensionierung der Senderkette, um Temperatur- und Spannungsabweichungen zu kompensieren. Mit einem vollständig integrierten Leistungsverstärker kann man den Betrieb vollständig kontrollieren und den geringsten Stromverbrauch garantieren.

Viele Anwendungen arbeiten bei 2,4 GHz. Chiphersteller haben hier die Gelegenheit, das Systemdesign zu vereinfachen, indem sie Anpassungsschaltkreise integrieren und einen unsymmetrischen (Single-Ended) HF-Eingang und -Ausgang bereitstellen. Sub-GHz-Anwendungen decken einen weiten Frequenzbereich von hunderten Megahertz bis 1 GHz ab. In diesen Fällen ist es nicht praktikabel, Anpassungsbauteile zu integrieren. Dennoch stehen für die meisten Frequenzbänder integrierte passive Bauelemente zur Verfügung, die extern mit der WMCU verwendet werden und vergleichbare Kosten wie diskrete Bauteile aufweisen.