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Wearables mit BLE entwickeln

2. Dezember 2014, 11:32 Uhr | Von Diya Soubra

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Stromsparende MCUs entscheidend

Entscheidend für das Design von Wearable-Produkten sind kleine, effiziente, stromsparende Mikrocontroller. Ein wichtiger Bestandteil ist ein „Always-on, Always-aware“-Prozessor, der Bewegungssensoren wie Beschleunigungsmesser oder Gyroskope und/oder Umgebungssensoren für Druck oder Temperatur verwaltet. In Designs mit mehreren Sensoren führt der Prozessor eine Datenfusion der verschiedenen Sensoren durch, um dem Nutzer bessere bzw. genauere Informationen zur Verfügung zu stellen. Ebenso wichtig ist, dass dieser Ansatz die in die Cloud übertragene Datenmenge verringert.

Die ARM-Cortex-M-Serie ist eine führende Familie von 32-bit-Prozessor-Cores, deren Leistungsfähigkeit vom Ultra-Low-Power Cortex-M0+ bis zum High-End-Cortex-M4-Prozessor reicht, der digitale Signalverarbeitungsfunktionen enthält und einen beschleunigten SIMD-Betrieb (Single Instruction, Multiple Data) ermöglicht (Bild 1). Die Cortex-M-Serie findet sich in zahlreichen universellen Mikrocontrollern namhafter Halbleiterhersteller weltweit. Eine Vielzahl derzeitiger Wearable-Produkte basiert auf dem hochflexiblen ARM Cortex-M3, da er wenig Strom aufnimmt und optimale Leistung und Code-Dichte ermöglicht. Die hohe Verfügbarkeit und Wettbewerbsfähigkeit bezüglich der Kosten machen Cortex-M3-basierte MCU-Lösungen von so vielen Chipherstellern allgegenwärtig und so attraktiv für Entwickler. Ein Beispiel einer Cortex-M3-basierten MCU ist die STM32-Serie von STMicroelectronics, die sich bereits in zahlreichen Wearable-Produkten wie dem Fitbit Flex Aktivitäts-Tracker und der Pebble Smartwatch findet.

MCUs auf der Basis der Cortex-M0 und Cortex-M0+ Cores bieten nicht nur eine sehr geringe Stromaufnahme und eine hohe Leistungsfähigkeit, sondern auch Größen- und Integrationsvorteile. Ein Beispiel ist die Freescale-MCU Kinetis KL03, die als weltweit kleinste ARM-basierte MCU vermarktet wird. Mit einem Cortex-M0+-Prozessor, der mit 48 MHz Taktfrequenz betrieben wird, steht der Baustein im kleinen 1,6 × 2,0 mm² Wafer-Level Chip-Scale Package (CSP) zur Verfügung. Laut Freescale nimmt die KL03-MCU 35 % weniger Platz auf der Leiterplatte ein und bietet 60 % mehr GPIOs (General-Purpose Input/Output) als eine vergleichbare andere MCU.

Ein wesentliches Merkmal des Cortex-M-Prozessors ist der Befehlssatz. Cortex-M0 und Cortex-M0+ weisen einen reduzierten Befehlssatz auf, was die Komplexität (und Größe) des Core verringert. Der umfangreichere Befehlssatz des Cortex-M3, -M4 und nun auch des Cortex-M7 eignet sich eher für eine komplexe Datenverarbeitung. Der Cortex-M4 bietet zudem DSP-Befehle und eine optionale Single-Precision Floating Point Unit (FPU). Der neue Cortex-M7 bietet eine Rechenleistung von 2,14 DMIPS/MHz (oder 5 CoreMark/MHz) für High-End-MCUs und ist dadurch eine ideale Single-Prozessor-Lösung für Systeme, die bisher eine MCU sowie einen zusätzlichen DSP benötigten. Minimale Stromaufnahme ist entscheidend in Wearable-Produkten. Die Cortex-M-Prozessoren bieten zwei architekturdefinierte Sleep-Modi, die eine statische Leistungsaufnahme von weniger als 0,7 μW/MHz für den Cortex-M3 und Cortex-M4 ermöglichen.