MCU 8-Bits trong môi trường IoT: Những con chip truyền thống có thể góp phần làm đơn giản hóa các giao diện kiến trúc

Cấu trúc truyền thông của các công nghệ Wi-Fi®, NB IoT và Bluetooth® rất phù hợp với kiến trúc 32-bit cùng sức mạnh tính toán cao hơn để bảo đảm an toàn cho các kênh RF. Tuy nhiên, khi cần tăng số lượng cảm biến hoặc hạ thấp mức tiêu thụ điện năng tại những địa điểm ở xa, độ phức tạp trong thiết kế hệ thống sẽ tăng lên.

Trong trường hợp đó, việc bổ sung thêm một MCU 8-bit có thể mang lại giá trị trong những trường hợp dưới đây, như được biểu diễn trong Hình 1.

Hình 1 – Phân vùng hệ thống 8-Bit/32-Bit

Thực sự hỗ trợ IO 5V và tích hợp cảm biến

Trong môi trường công nghiệp hệ sinh thái cung cấp sản phẩm hoạt động ở cấp độ điện áp 5V là hệ sinh thái phổ biến nhất. Mặc dù đã có các MCU 32-bit hoạt động ở điện áp 5V, phần lớn các MCU/RF 32-bit tích hợp vẫn hoạt động với điện áp 3,3V. Với khả năng cho phép kết nối trực tiếp với các cảm biến 5V, các tiếp điểm và cơ cấu chấp hành trong MCU 8-bit hiệu quả hơn về GPIO trong môi trường 5V, giúp tránh được yêu cầu phải bổ sung thêm bộ chuyển đổi đa cấp hoặc giảm cấp điện áp analog xuống 3,3V.

Giờ đây, hoạt động chuyển mức chỉ cần áp dụng với kênh liên lạc giữa MCU 8 bit và mô-đun MCU / RF 32 bit. Trong một số trường hợp khi mô-đun MCU 32-bit có đầu vào 5V, có thể không cần phải chuyển mức điện áp mà chỉ cần cách ly bằng điện trở nối tiếp. Trong trường hợp cần phải cách ly về điện, điều đó có thể giúp hạ thấp chi phí hơn nữa bằng cách giảm số lượng IC chuyên dụng cần phải sử dụng để bảo vệ phần RF của hệ thống.

Các hệ thống lắp đặt ở xa thường đòi hỏi khả năng chịu lỗi cao hơn và điều đó có thể dẫn đến việc phải sử dụng nhiều cảm biến hoặc bộ điều khiển cơ cấu chấp hành để giảm thiểu lỗi tại hiện trường. Kết nối giao diện cảm biến dự phòng đồng nghĩa với việc có nhiều vấn đề liên quan đến việc phân bổ chân đầu vào/ đầu ra hơn trên mô-đun MCU/ RF 32-bit có số lượng chân hữu hạn.

Các MCU 8-bit có mật độ chân cắm giao diện cao hơn, cho phép bổ sung thêm khả năng chịu lỗi thông minh vào các ma trận cảm biến ở phần giao tiếp với người dùng. Không cần đến một thuật toán máy học mới có thể biết được là một trong ba cảm biến nhiệt độ bị lỗi. Việc đưa ra những quyết định như vậy có thể được thực hiện tại chỗ với tốc độ phản hồi sự kiện nhanh hơn.

Tích hợp cảm biến công nghiệp. Ảnh: xiaoliangge - stock.adobe.com

Phân vùng hệ thống

Việc sử dụng MCU 8-bit bên ngoài để giao tiếp với phần lớn các cảm biến cho phép kết nối một giao diện người dùng tương tự / kỹ thuật số đã biết và đang hoạt động với mô-đun RF một cách dễ dàng. Các mô-đun MCU / RF 32-bit tích hợp thường đi kèm một lượng lớn các ứng dụng mẫu để đảm bảo việc kết nối với đám mây dễ dàng mà không phụ thuộc vào nhà cung cấp. Việc giao tiếp với các cảm biến hoặc cơ cấu chấp hành bên ngoài bus I2C hoặc SPI tiêu chuẩn có thể ít được đề cập đến một cách rõ ràng trong các ví dụ ứng dụng. Một giao diện người dùng cảm biến/ điều khiển đã được xác thực với giao diện nhất quán được xác định rõ ràng cũng cho phép gia tăng mức độ tự do trong việc lựa chọn mô-đun RF phù hợp khi có thể giảm thiểu yêu cầu chuyển đổi. Sau khi lớp giao thức giữa hai MCU được hỗ trợ bởi lớp vật lý trên mô-đun RF mới, việc tích hợp hệ thống mới về cơ bản đã được hoàn tất. Phần còn lại của quá trình phát triển có thể tập trung vào việc triển khai kênh RF mới một cách chính xác.

Những hệ thống được kết hợp linh hoạt với giao diện thay thế nóng có khả năng chống chịu lỗi là một tính năng tích cực, cần được sử dụng trong môi trường công nghiệp hoặc môi trường ở xa. Đôi khi không thể tránh khỏi việc phải thay đổi toàn bộ hệ thống, nhưng lựa chọn tốt nhất là giảm thiểu sự thay đổi toàn bộ một hệ thống tin cậy đã biết. Sự kết hợp linh hoạt này cũng cho phép một nền tảng RF tin cậy đã biết hỗ trợ các yêu cầu hệ thống được mở rộng mà không phải bắt đầu lại từ đầu. Bạn có thể giữ lại những gì mà bạn tin tưởng, cải thiện những gì cần được cải thiện.

Phân vùng hệ thống và Kiến trúc. Ảnh: myboys.me - stock.adobe.com

Quản lý nguồn điện thông minh

Khi chuyển sang công nghệ cổng IC nhỏ hơn, bạn phải đánh đổi giữa tốc độ và độ rò rỉ dòng tĩnh. Độ dày của lớp ôxít cực cổng trong các node quy trình mới đang đạt độ dày tối ưu được đo bằng số nguyên tử chứ không phải bằng số nanomet. Phân khúc MCU 8-bit bị chi phối bởi các công nghệ quy trình lớn hơn cho phép có được giá trị rò rỉ dòng tĩnh tốt hơn nhiều. Vì kỹ thuật quản lý năng lượng thấp tốt nhất là tắt toàn bộ nguồn điện, việc bổ sung thêm một thiết bị quản lý năng lượng thấp hơn cải thiện hoạt động công suất thấp. Một số thiết bị MCU 8-bit có dòng điện hoạt động từ tinh thể định thời 32,768k Hz tiêu chuẩn rò rỉ dòng điện trên mô-đun RF 32-bit.

Cách tiếp cận này bổ sung thêm một hệ thống quản lý năng lượng dựa trên thời gian chính xác, đồng thời bổ sung thêm khả năng sạc pin và theo dõi tình trạng pin. Dòng điện hoạt động cho các mô-đun RF 32-bit, cụ thể là các thiết bị Wi-Fi có thể lên tới vài trăm miliampe. Nếu một bộ pin gần hết điện, nó có thể không duy trì được dòng khởi động và truyền tải cần thiết để kết nối với mạng.

Hệ thống quản lý nguồn dựa trên MCU 8 bit giờ đây có thể đánh thức mô-đun RF chính bằng lệnh đánh thức đặc biệt, giúp hạ thấu yêu cầu bắt buộc hiện nay về dòng điện để mô-đun RF hoạt động theo một trình tự bao gồm nhiều giai đoạn. Trường hợp đánh thức đặc biệt này hiện có thể sử dụng phương pháp tiếp cận công suất phát thấp hơn để thiết lập kết nối mạng. Hệ thống quản lý nguồn của MCU 8-bit có thể theo dõi dòng khởi động đỉnh và sụt áp theo chu kỳ thường xuyên và gửi chúng theo mỗi chu kỳ đánh thức. Dữ liệu này có thể được sử dụng bởi các công cụ học máy thích hợp trong môi trường điện toán đám mây để cấu hình hệ thống pin và dự đoán lỗi tốt hơn.

Ứng dụng từ xa công suất thấp. Ảnh: aquatarkus - stock.adobe.com

Độ phức tạp của mô hình lập trình MCU

Trong vài năm qua đã có những bước tiến lớn để cải thiện tính dễ lập trình của các mô-đun MCU / RF 32-bit. Một số trong số mô-đun này cung cấp hỗ trợ dựa trên Arduino, góp phần tăng tốc độ phát triển, nhưng đó cũng có thể là một hành trình khó khăn hơn khi có sự tham gia của nhiều cảm biến, giao diện quản lý năng lượng hoặc thiết bị ngoại vi khác. Đã có nhiều mã phần mềm hỗ trợ Arduino nhưng trong nhiều trường hợp, chúng vẫn chưa hoàn chỉnh và vẫn còn tồn tại một số vấn đề về độ tin cậy để có thể sử dụng trong môi trường chuyên nghiệp.

Ngoài ra, tuy vẫn có sự hỗ trợ từ các nhà cung cấp IC nhưng cuối cùng vẫn không tránh khỏi độ phức tạp cao hơn của các mô-đun RF 32-bit tích hợp ở lớp vật lý. Tất cả các thanh ghi điều khiển dựa trên kiến trúc 32 bit dường như có kích thước cồng kềnh một cách khó hiểu đối với một vài bit điều khiển hoặc trạng thái và mặc dù đó thực sự là điều sẽ diễn ra khi bạn chuyển sang kiến trúc 32 bit, việc xác định được một bit sai trong giá trị điều khiển ngoại vi 0x23AA123C vẫn không hoàn toàn trực quan với tất cả mọi người.

Mô hình lập trình MCU 8 bit có một giao diện quen thuộc ở dạng khối 8 bit, đôi khi mở rộng thành 16 bit cho các thanh ghi bộ định thời. Ngoài việc có thể gỡ lỗi các trường bit một cách dễ dàng hơn, các bit ngoại vi trên MCU 8 bit có vẻ dễ hiểu hơn nhiều vì chúng không liên quan đến hoặc thể hiện các chức năng đồng bộ hóa giao diện bus hoặc giảm công suất phức tạp hơn.  Cây tín hiệu định thời trong MCU 8 bit cũng dễ hiểu hơn nhiều và ngay cả khi PLL được cung cấp trong cây tín hiệu định thời thì hoạt động vẫn tường minh hơn. Tuy nhiên, toàn bộ mục đích của việc sử dụng thiết bị đồng hành MCU 8-bit là để cung cấp một thiết bị năng lượng thấp, chi phí thấp, thông minh nhưng không tương thích với thiết bị IoT, để đảm nhận tất cả các tác vụ lặt vặt, quản lý điện năng hay nhiều tác vụ lặp đi lặp lại khác.

Một số sản phẩm MCU 8-bit do Microchip cung cấp bao gồm dòng sản phẩm PIC18-Q41 và AVR DB. Cả hai dòng sản phẩm đều cung cấp nhiều chức năng analog, bao gồm bộ khuếch đại hoạt động trên chip và GPIO đa cấp điện áp, giúp hạ thấp yêu cầu bổ sung các thành phần analog bên ngoài và bộ chuyển mức.

Mặc dù số lượng mô-đun MCU/ RF 32-bit đa lõi ngày càng tăng, việc bổ sung thêm MCU 8-bit vẫn là một lựa chọn khả thi trong việc thiết kế các node biên mạng công suất thấp, mạnh mẽ trong môi trường IoT. Chúng cung cấp khả năng quản lý nguồn và cảm biến trong những con chip kích thước nhỏ và do đó vẫn đóng một vai trò quan trọng trong môi trường IoT 32-bit.

Bob Martin, Kỹ sư cấp cao - Ứng dụng, Công ty Microchip Technology

 Theo Tạp chí Điện tử