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8-Bit-MCUs

Sie spielen eine Schlüsselrolle im IoT

8-Bit-MCUs sollte man nicht unterschätzen
© WEKA Fachmedien/Microchip

Bei der zunehmenden Vernetzung der Welt im IoT kommen meist kostengünstige, kompakte und integrierte 32-Bit Mikrocontroller-RF-Module mit mehreren Sensoreingängen zum Einsatz. Aber: 8-Bit-MCUs spielen in diesen Anwendungen ebenfalls eine wichtige Rolle.

32-Bit-Varianten harmonieren gut mit Kommunikations-Stacks für Wi-Fi, NarrowBand (NB) IoT und Bluetooth; sie zeichnen sich auch durch eine höhere Rechenleistung, was der Sicherheit (Security) der HF-Kanäle zugutekommt. Schwierig wird es allerdings, wenn die Sensorkanäle im System steigen, oder wenn ein niedrigerer Stromverbrauch für entlegenere Standorte (Remote) nötig ist. Hier kann sich eine zusätzliche 8-Bit-MCU lohnen (siehe Abbildung 1).

Unterstützung für 5V I/O und Sensoren

Die Industrie bevorzugt immer noch eine 5-V-Versorgung. Das kann problematisch sein, weil die meisten integrierten 32-Bit-MCUs/RFs nicht 5-V-kompatibel sind und sich oft nur für den 3,3-V-Bereich eignen. GPIO-effiziente 8-Bit-MCUs mit Direktanschlüssen für 5-V-basierte Sensoren, Aktoren und Schaltkontakte lösen das Problem und machen mehrere Pegelumsetzer oder eine Abwärtsskalierung der analogen Spannungseingänge auf ein 3,3-V-Niveau überflüssig.

Eine Pegelverschiebung oder -Skalierung ist dann nur noch für den Kommunikationskanal zwischen der 8-Bit MCU und dem 32-Bit MCU/RF-Modul nötig. Verfügt das 32-bit MCU-Modul über 5-V-tolerante Eingänge, ist womöglich gar keine Pegelverschiebung erforderlich, allenfalls eine Isolierung durch einen Serienwiderstand. Und selbst wenn eine galvanische Isolation nötig ist, lassen sich trotzdem die Kosten minimieren, da weniger spezielle ICs zum Schutz des HF-Elements im System benötigt werden.

Geht es um Remote-Anwendungen bieten 8-Bit-MCUs ebenfalls diverse Vorteile. Zum Beispiel muss man beim Einsatz mehrerer Sensoren oder bei der Steuerung von Aktoren keine höheren Fehlertoleranzen gewährleistet werden. Außerdem verfügen 8-Bit-MCUs im Vergleich zu 32-Bit MCU/RF-Modulen mit begrenzter Pin-Anzahl typischerweise über deutlich mehr Schnittstellen-Pins. Weniger Schnittstellen-Pins bringen mehr Probleme bei der Zuweisung von Ein‑/Ausgangspins mit sich; mit 8-Bit-MCUs hingegen lassen sich die Sensorarrays am Frontend mit einem gewissen Maß an intelligenter Fehlertoleranz ausstatten. Folglich lassen sich Entscheidungen, z.B. welcher von drei Temperatursensoren ausgefallen ist, lokal (und damit schneller) treffen.

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Systempartitionierung
Bild 1: 8-Bit/32-Bit Systempartitionierung
© Microchip Technology

Systempartitionierung

Eine eigene 8-Bit-MCUs als Schnittstelle zu den meisten Sensoren bietet noch einen weiteren Vorteil: Bekannte, funktionierende analoge/digitale Frontends lassen sich mit minimalem Aufwand an verschiedene Backend-RF-Module anschließen. Für den Einsatz integrierter 32-Bit MCU/RF-Module gibt es oft viele Applikationsbeispiele; diese sollen zeigen, wie einfach eine Anbieter-unabhängige Anbindung an die Cloud ist. Für den Anschluss von Sensoren oder Aktoren jenseits des standardisierten I2C- oder SPI-Busses hingegen gibt es viel weniger Anwendungsbeispiele.

Außerdem bietet ein bekanntes, validiertes Sensor-/Steuerungs-Frontend mit klar definierter, zuverlässiger Schnittstelle mehr Flexibilität bei der Auswahl geeigneter HF-Module und minimiert den Portierungsaufwand. Unterstützt die neue physikalische Schicht auf dem neuen HF-Modul die Protokollschicht zwischen den beiden MCUs, dann ist der Integrationsaufwand des neuen Systems so gut wie abgeschlossen. Ist dieses Probleme gelöst, kann der Entwickler sich auf die korrekte Implementierung des neuen HF-Kanals konzentrieren. Benutzer von Remote- oder industriellen Umgebungen profitieren von der Möglichkeit, gekoppelte Systeme mit fehlertoleranten Hot-Swap-Schnittstellen einzurichten. Zwar lässt sich ein kompletter Systemtausch nicht immer vermeiden, dann ist aber viel besser, den Aufwand bei den Änderungen mithilfe eines bekannten zuverlässigen Systems zu minimieren. Dank der losen Kopplung kann eine bekannte und vertrauenswürdige RF-Plattform auch erweiterte Systemanforderungen unterstützen, ohne dass man wieder bei Null anfangen muss. Der Benutzer kann also an dem arbeiten, was verbessert werden muss, und das behalten, worauf er vertraut.

Intelligentes Energiemanagement

8-Bit-MCUs nutzen außerdem größere Prozesstechnologien. Diese sorgen für überragende statische Leckstromwerte und eliminieren den beim Einsatz kleinerer IC-Technologien zwangsläufigen Zielkonflikt zwischen statischen Leckströmen und Geschwindigkeit.

Zudem werden Gate-Oxid-Dicken in neuen Prozessknoten eher an der Zahl der Atome als in Nanometern gemessen. Mit einem intelligenten Energiemanagement-Baustein kann man den Betrieb im Stromsparmodus verbessern. Die Ströme im aktiven Betrieb einiger 8-Bit-MCUs erreichen bei einem Standardtakt von 32 kHz die Ströme im Standby-Betrieb von 32-Bit HF-Modulen oder liegen sogar noch darunter. Ströme im aktiven Betrieb von 32-Bit HF-Modulen, insbesondere bei Wi-Fi-basierten Einheiten, können bis zu mehreren 100 mA betragen. Am Ende ihrer Lebensdauer können Akkus womöglich nicht mehr den für den Anschluss an ein Netzwerk erforderlichen Einschalt- und Übertragungsstrom liefern.

Mit einem Power-Management-System auf Basis einer 8-Bit MCU lässt sich das RF-Hauptmodul durch einen speziellen Befehl »aufwecken«; damit sinkt der Strombedarf und sorgt für eine schrittweise Aktivierung des Moduls. Dieser spezielle Wake-Up Befehl kann die Verbindung zum Netz mit reduzierter Sendeleistung aufbauen. Das 8-Bit-MCU-Power-Management-System kann in regelmäßigen Abständen Spitzenströme und Spannungsabfälle beim Einschalten überwachen und sie bei jedem Aufwachzyklus melden. Machine-Learning-Systeme in der Cloud können die Profile von Batteriesystemen anhand dieser Daten viel effektiver erstellen und Ausfälle vorhersagen.

Einfachere MCU-Programmierung

In den letzten Jahren gab es große Fortschritte bei der Vereinfachung der Programmierung von 32-Bit MCU-/RF-Modulen. Bei einigen dieser Module lassen sich Entwicklungszeiten zwar durch Arduino-Unterstützung verkürzen; bei erweitertem Power-Management, kundenspezifischen Sensoren oder anderen Peripherie-Schnittstellen kann dieser Ansatz jedoch problematisch sein. Der Arduino Support-Code ist zwar umfangreich, oft aber unvollständig, und es gibt Vertrauensprobleme bei professionellen Anwendern.

Auch wenn IC-Anbieter viel Unterstützung anbieten, sind integrierte 32-Bit HF-Module auf der Bare-Metal-Ebene relativ komplex. 32 Bit erscheinen bei einer kleinen Menge an Steuer- oder Statusinformationen als Overkill; der Versuch, ein falsches Bit in einem Peripheral-Steuerungswert von 0x23AA123C zu finden, ist alles andere als intuitiv.

Das 8-Bit MCU-Programmiermodell hingegen bietet eine vertraute Schnittstelle mit 8-Bit Nuggets (möglicherweise 16-Bit für Timer-Register). Dies erleichtert nicht nur das Debuggen von Bit-Feldern, auch die Peripherals sind bei 8-Bit-MCUs meist viel leichter zu verstehen. Das liegt vor allem daran, dass sie keine komplexeren Leistungsreduzierungs- oder Busschnittstellen-Synchronisationsfunktionen enthalten oder bereitstellen müssen. Auch die Clock-Trees sind bei 8-Bit-MCUs einfacher zu verstehen.

Eine ergänzende 8-Bit-MCU ist daher eine kostengünstige, stromsparende und intelligente (aber nicht IoT-spezifische) Lösung zur Ausführung lästiger Aufgaben wie Housekeeping und Power Management.

Die Microchip 8-Bit MCU-Bausteinfamilien PIC18-Q41 und AVR DB bieten eine breite Palette an Analogfunktionen wie On-Chip-Operationsverstärker und Multi-Level-Voltage-GPIOs. Letztere Funktion minimiert den Bedarf an externen analogen Komponenten oder Level-Shiftern.

Fazit

Auch wenn es heute mehr 32-Bit-MCU/RF-Module mit mehreren Prozessorkernen gibt, bieten zusätzliche, 8-Bit basierte MCUs große Vorteile bei der Entwicklung von robusten, stromsparenden Edge-Nodes für das IoT. 8‑Bit-MCUs können ein umfassendes Power- und Sensor-Management in kleinen Gehäuseformaten bereitstellen. Damit ist klar: Sie werden auch weiterhin in 32-Bit IoT-Umgebungen eine wichtige Rolle spielen.

Autor:

Bob Martin ist Senior Technical Staff Engineer für Anwendungen bei Microchip Technology


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