當前，在從攪拌機到牙刷的一切設備都連接到雲端的狂熱浪潮中，物聯網領域正由低成本的集成32位單片機RF模塊控制，這些模塊為少量傳感器輸入提供小尺寸解決方案。
Wi-Fi®、NB IoT和Bluetooth®的通信協議棧非常適合32位領域，同時還能提高計算能力以確保RF通道安全。但是，隨著傳感器通道數量的增加或更多偏遠地點所需的功耗降低，會增加系統設計的複雜性。
近日，Microchip專家發表了文章《物聯網領域裡的8位單片機：用傳統晶片簡化高級架構接口》。讀者可按照該文介紹的方式添加額外的8位MCU從而解決問題。
物聯網領域裡的 8 位單片機：用傳統晶片簡化高級架構接口
Microchip Technology Inc. 資深應用工程技術顧問，Bob Martin
當前，在從攪拌機到牙刷的一切設備都連接到雲端的狂熱浪潮中，物聯網領域正由低成本的 集成 32 位單片機 RF 模塊控制，這些模塊為少量傳感器輸入提供小尺寸解決方案。
Wi-Fi®、NB IoT 和 Bluetooth®的通信協議棧非常適合 32 位領域，同時還能提高計算能力以確 保 RF 通道安全。但是，隨著傳感器通道數量的增加或更多偏遠地點所需的功耗降低，會增加系統 設計的複雜性，此時按如下方式添加額外的 8 位 MCU 可以增加價值，如圖 1 所示：
真正的 5V IO 支持和傳感器聚合
工業環境仍以 5V 電源生態系統為主，雖然有完全支持 5V 電壓的 32 位 MCU，但大多數集成 32 位 MCU/RF 為僅支持 3.3V 電源域的器件。在 5V 電源域中，允許通過 GPIO 更高效的 8 位 MCU 直接連接到 5V 電源傳感器、開關觸點和執行器，而無需添加多個電平轉換器或調整模擬電壓輸入 來滿足 3.3V 電壓要求。
現在，只需對 8 位 MCU 和 32 位 MCU/RF 模塊之間的通信通道進行電平轉換/調整操作。在 32 位 MCU 模塊具有 5V 耐壓輸入的某些情況下，可能根本不需要電平轉換，也許只需要一些串聯 電阻隔離。對於還需要電流隔離的情況，通過減少需要保護系統 RF 部分的專用 IC 的數量可節省 更多成本。
遠程安裝通常需要更高的容錯能力，這可能會導致使用多個傳感器或執行器控制來減輕現場 故障帶來的影響。冗餘傳感器接口連接意味著，引腳有限的 32 位 MCU/RF 模塊上存在更多輸入/ 輸出引腳分配問題。8 位 MCU 往往會提供巨大的接口引腳密度，從而允許在前端的傳感器陣列中 添加一些智能容錯功能。它不需要利用機器學習算法來確定三個溫度傳感器中是否有一個發生故 障。這些類型的決策可以通過更快的事件響應在本地做出。
工業傳感器集成 © xiaoliangge - stock.adobe.com
圖 1——8 位/32 位系統分區
系統分區
使用外部 8 位 MCU 與大多數傳感器接口，可以輕鬆地將已知的工作模擬/數字前端快速接入 不同的 RF 模塊後端。集成 32 位 MCU/RF 模塊通常隨附大量示例應用程序，這些應用程序展示出 連接到雲是舉手之勞，無需考慮供應商。應用程序示例中可能未明確說明如何與標準 I2C 或 SPI 總 線之外的傳感器或執行器接口。經過驗證的已知傳感器/控制前端具有一致且定義明確的接口，通 過最大限度地簡化移植過程，還可以更靈活地選擇合適的 RF 模塊。一旦新 RF 模塊上的新物理層 支持兩個 MCU 之間的協議層，新系統的集成工作便已基本完成。現在，可以將開發工作的重點放 在新 RF 通道的正確實現上。
具有容錯熱插拔接口的松耦合系統是工業或遠程環境設置中的一項有益特性。有時，整體系 統交換無法避免，但最理想的選擇是儘量減少對已知可靠系統的整體更改。這種松耦合還可讓受 信任的已知 RF 平台支持擴展的系統需求，而無需從頭開始。保留您信任的部分，改進有所不足的 部分。
系統分區和架構 © myboys.me - stock.adobe.com
智能電源管理
遺憾的是，轉向更小型 IC 柵極技術需要在速度和靜態電流泄漏之間做出權衡。新製程節點中 的柵極氧化層厚度即將達到以原子數而非納米數計算的最佳厚度。8 位 MCU 領域由更大的製程工藝主導，這些工藝可實現更出色的靜態泄漏率。由於最佳低功耗管理技術從定義上來說就是同時 切斷電源，因此添加智能低功耗管理器件可以改善低功耗運行。一些 8 位 MCU 器件的工作電流運 行在標準 32.768 kHz 晶振下，而此晶振會在 32 位 RF 模塊上泄漏電流。這種方法現在增加了基於 精確時間的電源管理系統，還擁有為電池充電和監視電池運行狀況的能力。32 位 RF 模塊（特別 是基於 Wi-Fi 的單元）的有功電流可以達到數百毫安。如果電池組電量即將耗盡，可能無法維持 連接到網絡所需的啟動和傳輸電流。
基於 8 位 MCU 的電源管理系統現在可以使用特殊的喚醒命令來喚醒主 RF 模塊，此命令可降 低所需的電流需量，從而使 RF 模塊以最佳相序保持在線。現在，這種特殊喚醒用例可以使用降低 TX 功率的方法來最終建立到網絡的連接。8 位 MCU 電源管理系統可以定期監視峰值啟動電流和電 壓下降，並在每個喚醒周期提交這些數據。適當的雲機器學習引擎可以利用這些數據來更好地分 析電池系統並預測故障。
低功耗遠程應用 © aquatarkus - stock.adobe.com
編程模型/MCU 複雜性
在過去幾年中，32 位 MCU/RF 模塊的編程難度顯著降低。其中一些模塊提供基於 Arduino 的 支持，這肯定有助於加快開發速度，但當涉及到更多客戶傳感器、電源管理或其他外設接口時， 編程難度會提高。Arduino 支持代碼十分龐大，但在許多情況下並不完整，並且在專業領域仍然存在一些信任問題。此外，IC 供應商本身也提供支持，但歸根結底，無法避免在裸金屬層集成 32 位 RF 模塊帶來的額外複雜性。所有基於 32 位的控制寄存器對於一些控制位或狀態位來說似乎都太 大了，儘管轉向 32 位時確實會發生這種情況，但在目前，並非所有人都能在像 0x23AA123C 這樣 的外設控制值中直觀地挑出錯誤的位。
8 位 MCU 編程模型以 8 位區塊的形式呈現常見的接口，有時會擴展到 16 位以便用於定時器 寄存器。除了能夠更輕鬆地調試位域外，8 位 MCU 上的外設集往往更易於理解，因為它們不需要 涉及或提供更複雜的降低功耗或總線接口同步功能。8 位 MCU 中的時鐘樹也更易於理解，即使在 時鐘樹中提供 PLL，操作也更加簡單。然而，這正是使用 8 位 MCU 配套器件的全部意義所在，提 供低功耗、低成本、智能但不能流暢支持物聯網的器件，以處理所有後台、電源管理和繁瑣的任 務。
Microchip 提供了幾個 8 位 MCU 器件的示例，包括 PIC18-Q41 系列和 AVR DB 系列。這兩個系 列均提供大量模擬功能，包括片上運算放大器和多電平電壓 GPIO，減少了對額外的外部模擬元件 和電平轉換器的需求。
雖然可用的多核 32 位 MCU/RF 模塊的數量在不斷增加，但在物聯網環境中，設計穩健的低功 耗邊緣節點時，添加 8 位 MCU 仍然是可行的選擇。它們以小型封裝形式提供電源和傳感器管理， 因此仍然在 32 位物聯網領域發揮著重要作用。
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