저전력 마이크로 컨트롤러 포트폴리오를 사용하여 의료 및 산업용 IoT 설계 간소화

산업, 의료 및 다양한 IoT(사물 인터넷) 응용 분야의 저전력 설계 개발자는 빠듯한 전력 예산에 영향을 미치지 않으면서 다양한 기능을 제공하는 마이크로 컨트롤러 기반 솔루션에 대한 지속적인 수요에 직면하고 있습니다. 개발을 진행하며 특수한 기능적 요구를 충족하려다 종종 최대 전력 임계값을 초과하기도 합니다.

이 기사에서는 Analog Devices의 초저전력 마이크로 컨트롤러 포트폴리오로 이러한 요구 사항을 어떻게 충족할 수 있는지 보여줍니다.

특수 응용 분야의 요구 사항 충족

설계자는 고객의 기대에 효과적으로 대응하기 위해 고성능, 낮은 전력 소비라는 핵심 요구 사항을 충족해야 합니다. 이러한 핵심 요구 사항은 의료, 산업, IoT 등 다양한 응용 분야에서 주로 설계 결정을 좌우하며 응용 분야 간에 하드웨어 플랫폼 개발이 본질적으로 같게 이뤄지도록 주도했습니다. 따라서 설계자는 한 응용 분야에서 얻은 하드웨어 및 소프트웨어 설계 경험을 다른 응용 분야의 기본 요구 사항을 해결하는 데 빠르게 적용할 수 있습니다.

이러한 분야에서 점점 더 정교한 제품을 요구함에 따라 설계자가 핵심 요구 사항을 충족하면서 특수 응용 분야의 특정 요구 사항을 충족하는 것이 더욱 어려워지고 있습니다. 응용 분야는 고유한 연결, 보안 및 인공 지능(AI) 요구 사항으로 인해 급격히 차별화되기 시작했습니다.

변화하는 요구 사항에 따라 공통 하드웨어 플랫폼의 개념은 설계자가 친숙한 프로세서에 특수 기능을 더하여 고성능 및 저전력에 대한 핵심 요구 사항을 충족할 수 있도록 진화했습니다.

특수 기능에 맞춘 프로세서 기반

부동 소수점 처리 장치(FPU)가 탑재된 초저전력 Arm® Cortex®-M4를 기반으로 하는 Analog Devices의 초저전력 마이크로 컨트롤러 포트폴리오 구성품은 설계자에게 핵심 전력 및 성능 요구 사항을 충족할 수 있는 친숙한 플랫폼을 제공합니다.

다양한 응용 분야의 고유한 요구 사항을 충족하기 위해 Analog Devices는 이 기반을 특수 기능으로 맞춤화하여 다음 네 가지 포트폴리오 구성품을 제공합니다.

• MAX32655: 충분한 메모리와 성능을 제공하며, Bluetooth Low Energy(BLE) 연결과 배터리 수명 연장이 필요한 응용 분야를 대상으로 합니다.
• MAX32690: BLE, 강력한 성능 및 광범위한 메모리가 필요한 응용 분야를 대상으로 합니다.
• MAX32675C: 산업용 센서와 의료용 센서에 필요한 혼합 신호 요구 사항이 있는 응용 분야를 대상으로 합니다.
• MAX78000: 지능형 에지 장치에 대한 새로운 수요를 충족합니다.

연결 문제 해결

Analog Devices MAX32655 마이크로 컨트롤러는 100MHz Arm Cortex-M4와 FPU, 512KB 플래시, 128KB SRAM(정적 임의 액세스 메모리), 16KB 명령어 캐시를 통합하여 일반적인 저전력 응용 분야에 필요한 프로세서 성능과 메모리 스토리지를 효율적으로 조합합니다. 이러한 처리 서브 시스템 외에도 MAX32655에는 자산 추적, 웨어러블, 의료 모니터링 장치에 일반적으로 필요한 보안, 전력 관리, 타이밍, 디지털 및 아날로그 주변 장치를 위한 포괄적인 기능 블록이 추가되어 있습니다(그림 1).

그림 1: 포괄적인 주변 장치가 통합된 MAX32655 마이크로 컨트롤러는 Bluetooth 연결, 고성능 처리, 최적화된 전력 활용이 필요한 다양한 응용 분야를 지원합니다. (이미지 출처: Analog Devices)

MAX32655는 전체 Bluetooth 5.2 기능 세트를 지원하는 전용 하드웨어와 소프트웨어를 통해 다양한 응용 분야의 여러 Bluetooth 연결 요구 사항을 충족합니다. MAX32655는 Bluetooth 5.2 무선 통신과 함께 전용 32비트 RISC-V 보조 프로세서를 통합하여 타이밍이 중요한 Bluetooth 처리 작업을 처리합니다. RISC-V Bluetooth 서브 시스템은 2Mbits/s 고처리량 모드와 125Kbits/s 및 500Kbits/s 속도의 장거리 모드를 지원하여 새로운 성능 요구 사항을 충족합니다. 개발자는 두 개의 장치 핀을 사용하여 Bluetooth 지원 설계에서 오프칩 안테나를 간단히 연결할 수 있습니다. Bluetooth 5.2 기능을 완성하고 응용 분야를 지원하는 MAX32655의 런타임 Bluetooth 스택은 FPU, RISC-V, 무선 통신을 통해 Arm Cortex-M4 전반에서 확장됩니다(그림 2).

그림 2: FPU, RISC-V 및 무선 통신을 통해 MAX32655의 Arm Cortex-M4에서 실행되는 전체 Bluetooth 5.2 스택은 방향 찾기, 고처리량 통신 및 장거리 작동에 필요한 전체 기능 세트를 지원합니다. (이미지 출처: Analog Devices)

강력한 성능과 메모리가 필요한 응용 분야를 위해 Analog Devices MAX32690 마이크로 컨트롤러는 FPU, 3MB 플래시, 1MB SRAM, 16KB 캐시 메모리가 탑재된 120MHz Arm Cortex-M4를 제공합니다. MAX32655의 아날로그 비교기 및 디지털 주변 장치 외에도 MAX32690에는 메모리 요구 사항이 온칩 리소스를 초과하는 경우 외부 플래시 및 SRAM에서 고속으로 실행하는 HyperBus/Xccela 버스 인터페이스가 통합되어 있습니다. MAX32655와 마찬가지로 MAX32690에는 독립형 처리 및 Bluetooth 처리를 지원할 수 있는 32비트 RISC-V 프로세서가 통합되어 있습니다.

앞서 언급한 4개의 마이크로 컨트롤러는 각각 여러 저전력 작동 모드를 지원하여 개발자가 전력 소비를 최적화할 수 있습니다. MAX32655 및 MAX32690의 저전력 모드에는 다음이 포함됩니다.

• 절전 모드: FPU(CM4) 및 32비트 RISC-V(RV32)가 탑재된 Arm Cortex-M4는 절전 모드에 있지만 주변 장치는 켜진 상태로 유지됩니다.
• 저전력 모드(LPM): CM4는 절전 상태로 유지되지만 RV32는 활성 상태로 유지되어 활성화된 주변 장치에서 데이터를 이동합니다.
• 마이크로 전력 모드(UPM): CM4, RV32 및 특정 핀은 상태를 유지하지만 감시 타이머, 아날로그 비교기 및 저전력 UART는 마이크로 컨트롤러를 절전 해제할 수 있는 상태로 유지됩니다.
• 대기 모드: 실시간 클록이 켜져 있고 모든 주변 장치의 상태가 유지됩니다.
• 백업 모드: 실시간 클록이 켜져 있고 시스템 메모리의 상태가 유지됩니다.

또한 MAX32655는 최종 제품의 보관 및 배포 중에 사용할 수 있는 전력 차단 모드(PDM)를 제공합니다. PDM 모드에서는 MAX32655의 전원이 꺼지지만 내부 전압 모니터는 계속 작동합니다. 따라서 최종 사용자는 보호 배터리 탭을 제거하거나 다른 방법으로 제품에 전원을 공급하여 MAX32655 기반 제품을 신속하게 구동할 수 있습니다.

이러한 작동 모드를 사용하면 다양한 하드웨어 블록의 전원을 선택적으로 차단하여 초저전력 마이크로 컨트롤러에서도 상당한 전력 절감 효과를 가져올 수 있습니다. 예를 들어 정상 활성 작동 모드에서 MAX32655는 3.0V에서 12.9μA/MHz의 전력만 소비합니다. 대기 모드에서는 상태를 유지하거나 여러 블록의 전원을 완전히 차단하여 3.0V에서 2.1μA의 전력만 소비하면서 14.7μs 이내에 장치의 작동을 재개할 수 있습니다(그림 3).

그림 3: 표시된 대기 모드와 같은 MAX32655 마이크로 컨트롤러의 다양한 전력 모드를 사용하면 상태를 유지하거나 다른 하드웨어 서브 시스템의 전원을 완전히 차단하여 작동 기능을 유지하면서 전력 소비를 줄일 수 있습니다. (이미지 출처: Analog Devices)

저전력 작동 기능과 함께 이러한 장치의 높은 통합 수준은 개발자가 설계 복잡성을 줄이고 최소 실장 면적 요구 사항을 충족하는 데 도움이 됩니다. 예를 들어 MAX32655의 통합 단일 인덕터 다중 출력(SIMO) 스위치 모드 전원 공급 장치에는 인덕터/커패시터 쌍이 하나만 필요합니다. 따라서 개발자는 단일 리튬 전지로 구동되는 콤팩트한 설계를 손쉽게 제작해 자산 추적, 웨어러블, 히어러블 및 이와 유사한 공간 제약이 있는 제품과 같은 응용 분야의 패키지 요구 사항을 충족할 수 있습니다.

예를 들어 TWS(True Wireless Stereo) 이어버드 설계의 경우 개발자는 코덱과 배터리 전력 관리 외에 최소한의 추가 부품만을 통합한 MAX32655를 사용하여 효과적인 솔루션을 구현할 수 있습니다. MAX32655를 이러한 장치 및 DS2488 1선 이중 포트 링크와 결합하여 TWS 이어버드 및 충전 크래들을 완벽하게 설계할 수 있습니다(그림 4).

그림 4: MAX32655 마이크로 컨트롤러의 통합 기능을 활용하면 최소한의 실장 면적과 부품 명세서로 설계할 수 있으므로 코덱, 전력 관리 장치, 인터페이스 장치(예: DS2488 1선) 이외에 추가 장치가 거의 필요하지 않아 완벽한 TWS 이어버드 및 충전 크래들 솔루션을 구현할 수 있습니다. (이미지 출처: Analog Devices)

개발자는 이러한 마이크로 컨트롤러로 평가 및 시제품 제작을 가속화하기 위해 다음과 같은 여러 Analog Devices 개발 리소스를 활용할 수 있습니다:

• MAX32655 평가 키트(MAX32655EVKIT)
• MAX32655 페더 기판(MAX32655FTHR)
• MAX32690 평가 키트(MAX32690EVKIT)
• MAX32690 Arduino 폼 팩터 개발 플랫폼(AD-APARD32690-SL)

혼합 신호 설계 요구 사항에 효과적인 솔루션

MAX32655 및 MAX32690은 콤팩트 배터리 구동식 Bluetooth 지원 제품에 대한 필요성을 해결하는 반면, Analog Devices MAX32675C 저전력 혼합 신호 마이크로 컨트롤러는 의료 및 산업용 센서 응용 분야의 특수 요구 사항을 해결합니다.

MAX32675C는 시동 및 실행 시간 동안 낮은 전력을 소비하면서 의료 및 산업용 센서 응용 분야에서 점점 더 요구되는 높은 수준의 통합을 제공합니다. MAX32675C는 12MHz Arm Cortex-M4 프로세서 및 FPU를 384KB 플래시, 160KB SRAM, 16KB 캐시, 정밀 아날로그 프런트 엔드(AFE) 및 HART 모뎀과 결합합니다(그림 5).

그림 5: MAX32675C 마이크로 컨트롤러의 통합 AFE 및 HART 모뎀은 산업용 센서와 의료용 센서의 작은 실장 면적 및 저전력 요구 사항을 충족하는 데 필요한 서브 시스템을 제공합니다. (이미지 출처: Analog Devices)

내부 직렬 주변 장치 인터페이스(SPI)를 통해 프로세서와 통신하는 AFE는 12비트 디지털 아날로그 컨버터(DAC), 16비트 또는 24비트 작동에 맞게 구성할 수 있는 이중 고정밀 델타 시그마 아날로그 디지털 컨버터(ADC) 등 산업 및 의료용 센서 응용 분야에 일반적으로 필요한 주변 장치 세트를 제공합니다. 각 ADC에는 12채널 단일 종단 또는 6채널 차동 작동에 맞게 구성할 수 있는 12채널 입력 멀티플렉서로 구동되는 전용 1x ~ 128x 저잡음 프로그래밍 가능 이득 증폭기(PGA)가 있습니다.

MAX32675C는 4mA ~ 20mA 센서 및 송신기 기반의 저전력 공업 현장 계측 수요를 충족하는 데 적합합니다. 실제로 MAX32675C는 4mA ~ 20mA 응용 분야에서 전력 제한을 초과하지 않도록 명시적으로 설계되어 마이크로 컨트롤러의 전력 제한 유지에 걸림돌이었던 시동 중 일반적인 문제를 해결합니다.

AFE는 완전한 HART 모뎀을 제공하여 4mA ~ 20mA 전류 루프에서 공업 현장 계측 구현을 간소화함으로써 많은 기존 산업 제어 시스템의 필수 요구 사항을 지원합니다(그림 6).

그림 6: MAX32675C 마이크로 컨트롤러의 AFE에는 일반적인 산업 응용 분야에서 기존 4mA ~ 20mA 현장 계측을 지원하기 위한 전용 HART 모뎀이 포함되어 있습니다. (이미지 출처: Analog Devices)

MAX32675C를 사용하면 산업용 응용 제품 개발자가 HART 모뎀의 SPI를 Arm Cortex-M4에 연결하여 현장 계측을 쉽게 구성 및 제어할 수 있습니다.

설명서 및 기타 개발 리소스와 함께 Analog Devices는 테스트 및 시제품 개발을 가속화하는 데 도움이 되는 MAX32675EVKIT MAX32675C 평가 키트를 제공합니다.

에지 AI에 대한 새로운 요구 사항 충족

개발자는 점점 더 많은 영역에서 효과적인 응용 제품을 구축하기 위해 지능형 시계열 처리 또는 개체, 단어 또는 얼굴 인식을 위한 AI 알고리즘을 효율적으로 실행하는 에지 장치를 구현해야 합니다. Analog Devices MAX78000은 저전력 소비에 대한 기본 요구 사항을 유지하면서 이러한 기능을 지원하도록 특별히 설계되었습니다.

앞서 설명한 초저전력 마이크로 컨트롤러와 마찬가지로 MAX78000(그림 7)은 FPU 프로세서, 512KB 플래시, 128KB SRAM, 16KB 캐시를 갖춘 Arm Cortex-M4를 기반으로 해 핵심 응용 제품 실행 요구 사항을 충족합니다. MAX78000은 에지 AI 솔루션을 지원하기 위해 다음과 같은 추가 리소스로 처리 서브 시스템을 강화합니다.

• 시스템에 초저전력 소비 신호 처리 기능을 제공하는 32비트 RISC-V 보조 프로세서
• 에지 AI 장치에 대한 새로운 수요를 충족하기 위한 통합 하드웨어 기반 컨볼루션 신경망(CNN) 가속기

그림 7: MAX78000 마이크로 컨트롤러는 FPU 및 32비트 RISC-V 프로세서를 갖춘 Arm Cortex-M4와 함께 CNN 가속기를 통합하여 에지 AI 응용 제품의 추론 성능을 향상시킵니다. (이미지 출처: Analog Devices)

MAX78000은 MAX32655에 대해 앞서 설명한 것과 동일한 저전력 작동 모드와 전력 차단 모드를 지원하고, 절전 및 저전력 모드를 통해 CNN을 계속 사용 가능하며, 마이크로 전력, 대기 및 백업 모드에서 상태를 유지하고, 최종 제품 보관 및 배포 중에 전력 차단 모드를 사용할 수 있습니다.

여기서 설명하는 다른 마이크로 컨트롤러와 마찬가지로 MAX78000의 높은 통합 수준은 개발자가 최소 부품 명세서(BOM) 및 최종 제품 크기 요구 사항을 충족하는 데 도움이 됩니다. 장치의 통합 ADC 및 신호 처리 기능을 통해 개발자는 몇 가지 추가 부품과 함께 MAX78000을 사용하여 키워드 스포팅(KWS) 또는 얼굴 인식(FaceID)과 같은 에지 AI 응용 제품을 빠르게 구현할 수 있습니다.

개발자는 다중 전력 모드, 이중 프로세서, 하드웨어 기반 CNN이 결합된 MAX78000을 사용해 에지 AI 구현을 간소화하는 것 외에도 최소한의 전력 소비로 빠른 추론 속도를 실현할 수 있습니다. Analog Devices의 엔지니어들이 MAX78000의 전력 최적화 응용 제품에 대한 연구를 통해 성능을 면밀히 조사했습니다.¹

엔지니어링 팀은 이 연구의 일환으로 일반적인 에지 AI 응용 제품에 대한 모델 가중치(커널) 로드, 입력 데이터 로드, 추론 수행에 필요한 에너지 소비와 시간을 측정했습니다. 예를 들어 20개의 키워드를 사용한 KWS(KWS20) 사례 연구에서 개발자는 다양한 MAX78000 전력 작동 모드에서 Arm 프로세서만 실행하여 로딩 시간과 에너지 소비를 줄일 수 있었습니다(그림 8).

그림 8: KWS20 사례 연구 응용 제품에서는 Arm 프로세서만 사용했을 때 클록 속도가 높을수록 로딩 시간이 짧아져 에너지 소비가 감소되는 것으로 나타났습니다. (이미지 출처: Analog Devices)

또한 이 연구에서는 RISC-V 프로세서는 로딩을 수행하고 CNN을 관리하는 데 충분한 시간 동안만 절전 해제 상태로 유지될 때, 유휴 시간 동안 Arm 프로세서와 RISC-V 프로세서가 절전 모드인 경우 에너지 소비와 시간에 미치는 영향을 조사했습니다. 100MHz에서 두 가지 클록 소스(MAX78000의 내부 1차 발진기(IPO)와 60MHz에서 저전력이지만 더 느린 내부 2차 발진기(ISO))를 사용하여 성능을 비교했습니다. 이 결과에서 클록 주파수가 감소하면 각각에 필요한 완료 시간이 길어져 로딩 및 추론과 관련된 에너지 소비가 크게 증가했습니다(그림 9).

그림 9: KWS20 사례 연구에서는 로딩 및 CNN 관리 응용 제품의 RISC-V 프로세서에서만 더 높은 클록 주파수를 사용하여 로딩 및 추론 시간이 단축됨으로써 에너지 소비가 감소한 것으로 나타났습니다. (이미지 출처: Analog Devices)

연구 결과에 따르면 개발자는 더 높은 클록 속도로 실행하고(특히 고성능 Arm 프로세서에서), MAX78000의 전력 작동 모드를 신중하게 사용하고, 장시간 로딩 중에 에너지 손실을 방지하기 위해 커널을 메모리에 유지함으로써 최소한의 전력 소비로 빠른 추론을 실현할 수 있었다고 합니다.

Analog Devices는 자체 에지 AI 솔루션을 제작하는 개발자를 위해 MAX78000EVKIT 평가 키트 및 MAX78000FTHR 페더 기판을 포함한 포괄적인 MAX78000 개발 리소스 세트를 제공합니다. MAX78000EVKIT에는 기판 실장 디지털 마이크, 동작 센서, 컬러 디스플레이 및 다양한 연결 옵션과 함께 개발자가 전력 소비를 최적화하는 데 도움이 되는 전력 모니터 기능이 포함되어 있습니다.

소프트웨어 개발용으로는 문서, 개발 가이드, 교육 동영상, 평가 키트 및 페더 기판을 지원하는 소프트웨어 코드를 제공하는 Analog Devices MAX78000 CNN 도구 세트 리포지토리가 있습니다.

결론

Analog Devices는 효율적인 프로세서 서브 시스템을 기반으로 웨어러블, 히어러블, 자산 추적, 산업 및 의료 센서, 에지 AI와 같은 응용 분야의 고유한 요구 사항을 지원하도록 특별히 설계된 기능 및 특징을 통합하는 초저전력 마이크로 컨트롤러 세트를 제공합니다. 개발자는 이러한 마이크로 컨트롤러와 지원 리소스를 사용하여 다양한 저전력 응용 제품의 특수한 요구 사항을 충족하는 설계를 빠르게 구현할 수 있습니다.

참고 자료:

1. Developing Power-optimized Applications on the MAX78000