Отладочные средства для самого экономного ARM CORTEX-M4F контроллера в мире

В ноябре 2015 компания Ambiq Micro закончила подготовку производства и начала серийный выпуск всех представителей линейки микроконтроллеров APOLLO. Эти 32-битные ARM Cortex-M4F уже знакомы постоянным читателям Унитеры по предыдущим публикациям. Главная их особенность заключается в сверхнизком потреблении – 34 мкА/ МГц, что значительно меньше, чем у аналогов. Данная статья посвящена фирменным отладочным средствам Ambiq Micro для микроконтроллеров APOLLO.

Рис. 1. Отладочная плата для 32-битных ARM Cortex-M4F микроконтроллеров APOLLO от Ambiq Micro

Вначале стоит напомнить об основных ключевых особенностях микроконтроллеров Apollo. Их главная уникальная черта заключается в сверхнизком потреблении: всего 34 мкА/ МГц при выполнении кода из FLASH! Это как минимум в два раза меньше, чем у ARM Cortex-M4F других производителей. И дело не в снижении объемов памяти, сокращении перечня периферии или применении более современных топологических норм. Дело в уникальном типе внутренней логики, которая использует постоянно закрытые транзисторы. И это не описка, а суть технологии SPOT™ от Ambiq Micro!

Традиционная логика 1,8 В использует два устойчивых состояния: «1» (рис. 2, VH= 1,8 В) и «0» (рис. 2, VL= 0 В). В таком классическом случае суммарная мощность потерь включает две составляющие: статическую и динамическую (рис. 2). Статическая определяется величиной токов утечек затворов транзисторов, а динамическая зависит от энергии на переключение. При этом динамическая составляющая значительно превышает статическую.

Рис. 2. Потери в цифровых схемах и особенности работы платформы SPOT™

Идея технологии SPOT™ от Ambiq Micro заключается в том, что транзисторы всегда остаются закрытыми. Логической «1» соответствует напряжение VH =0,5 В, а логическому «0» VL= 0 В (рис. 2). Таким образом, оба логических состояния работают при напряжениях менее 0,9 В, то есть в зоне гарантированного закрытого состояния транзисторов!

Как же тогда распознать логические состояния? Ответ прост, но не так уж очевиден: работать не с напряжениями, а с величиной токов утечек! Это чрезвычайно сложная задача, которую удалось решить только сейчас. И это сразу принесло свои плоды. Динамическая составляющая потерь снизилась многократно. А реальные серийные образцы микроконтроллеров APOLLO имеют удельное потребление 34 мкА/ МГц! А в режиме глубокого сна и вовсе 143 нА!

Конечно, если сравнивать микроконтроллеры APOLLO с такими монстрами, как, например, STM32F4, то бросается в глаза, их не самая богатая периферия (рис. 3). Однако для большинства целевых областей это оказывается второстепенным фактором. Для таких приложений, как портативная электроника, IoT, беспроводные датчики, умные часы, медицинская портативная электроника, в первую очередь важен уровень потребления. Чем он меньше, тем больше время между подзарядками аккумуляторов.

Рис. 3. Структура 32-битных ARM Cortex-M4F микроконтроллеров Applications

Ярким доказательством того, что APOLLO действительно эффективное решение, а не маркетинговая «утка», свидетельствует тот факт, что на рынке появляются продукты на их основе. Например, недавно компания Misfit объявила, что следующее поколение умных часов Shine2 Fitness будет построено на APOLLO (рис. 4). Эти часы по сравнению со своими предшественниками получили новые функции, а время работы от одного аккумулятора осталось прежним – 6 месяцев! И это при том, что на борту Shine2 Fitness кроме контроллера помещен акселерометр, магнитометр, сенсорный тачпад, Bluetooth и дисплей!

Рис. 4. Умные часы Misfit Shine 2 используют микроконтроллеры Ambiq Micro

Приведенный пример с умными часами Misfit Shine 2 наглядно демонстрирует, что может потребоваться от контроллера в современных приложениях. Действительно, наличие Bluetooth, МЭМС и других датчиков – норма для большинства портативных потребительских устройств.

Учитывая этот факт, Ambiq Micro выпустила на рынок два отладочных набора: Apollo EVB и Apollo EVK.

Apollo EVB – набор, включающий непосредственно отладочную плату Apollo EVB и USB-кабель (рис. 5). Плата содержит топовый микроконтроллер семейства APOLLO512-KBR (512 кБайт FLASH, 64 кБайт ОЗУ, корпус 64 BGA), 2,54-штыревые разъемы расширения, микросхемы питания, встроенный программатор и отладчик.

Последний пункт особенно важен, так как пользователю не придется тратить время и деньги на покупку программатора. Достаточно подключить плату к ПК через USB и начинать работу. Тем более, что питание производится от того же USB. Впрочем, если возникнет желание использовать внешний отладчик, то для него предусмотрен дополнительный разъем.

Рис. 5. Отладочная плата Apollo EVB

Плата Apollo EVB предназначена для ознакомления с основными способностями микроконтроллеров APOLLO. Ее функционала хватит для создания различных несложных датчиков. Если же предполагается работа с прицелом на потребительский рынок, то больше подойдет отладочный набор Apollo EVK.

Apollo EVK – набор, включающий кабель USB и сразу три платы: Apollo EVB, плату расширения Bluetooth Low Energy Connectivity Board, плату расширения с МЭМС-датчиками Motion Sensing Development Platform (рис. 6).

О Apollo EVB подробно было рассказано выше. Рассмотрим оставшиеся две платы.

Bluetooth Low Energy Connectivity Board – плата расширения, поостренная на базе проверенной микросхемы DA14581 Bluetooth SMART SoC. Как известно DA14581 является одним из рекордсменов по уровню потребления. Таким образом, совместно с микроконтроллером APOLLO они образуют уникальное сверхнизкопотребляющее решение с полной поддержкой Bluetooth v4.1.

Motion Sensing Development Platform– плата расширения, включающая целый ряд микросхем и МЭМС-датчиков:

• Analog Devices, ADXL362, 3-осевой акселерометр;
• ST Microelectronics, LIS2DH12, 3-осевой акселерометр;
• Bosch, BMI-160, комбинированный датчик 3-осевой гироскоп + 3-осевой акселерометр;
• ST Microelectronics, L3GD20H, 3-осевой гироскоп;
• ST Microelectronics, LIS3MDL, 3-осевой магнитометр;
• часы реального времени Ambiq Micro AM1805;
• микросхема FLASH-памяти N25Q128A, 128 Мбит.

Рис. 6. Состав отладочного набора Apollo EVK

В итоге пользователь сам выбирает, какой отладочный набор лучше подходит его целям. В любом случае общим будет простота их использования. Причем, речь идет не только об использовании аппаратной части, но и о написании программ. Ambiq Micro поддерживает работу с основными средствами разработки: от Eclipse+GCC до Keil и IAR.

С появлением этих отладочных наборов разработчики могут с минимальными усилиями и затратами времени начать работу с микроконтроллерами Apollo, оценить их возможности и уникальные характеристики потребления.

Характеристики микроконтроллера APOLLO512-KBR:

• ядро: 32-битное ARM Cortex-M4F;
• максимальная рабочая частота: 24 МГц;
• объем FLASH: 512 кБ;
• объем ОЗУ: 64 кБайт;
• аналоговая периферия: АЦП, компараторы, температурный датчик;
• характеристики АЦП: 10-битный, 13-канальный, 1млн. выб/с;
• коммуникационные интерфейсы: I2C, SPI, UART;
• число портов ввода/ вывода: 50;
• напряжение питания: 1,8…3,8 В;
• диапазон рабочих температур: -40…+85°C;
• корпус: 64-выводной BGA.

Характеристики отладочной платы APOLLO-EVB:

• состав набора: отладочная плата и USB-кабель;
• микроконтроллер: APOLLO512-KBR512 кБайт FLASH, 64 кБайт ОЗУ, корпус 64 BGA;
• встроенный программатор: есть;
• разъемы расширения: 2,54 штыри.

Характеристики отладочного набора APOLLO-EVK:

• состав набора: USB кабель, Apollo Evaluation Board, плата расширения Bluetooth Low Energy, плата расширения Motion Sensing Development Platform;
• особенности Apollo Evaluation Board: микроконтроллер APOLLO512-KBR, встроенный программатор;
• особенности Bluetooth Low Energy Connectivity Board: микросхема DA14581 Bluetooth SMART SoC с полной поддержкой Bluetooth v4.1;
• особенности Motion Sensing Development Platform: Analog Devices, ADXL362, 3-осевой акселерометр; ST Microelectronics, LIS2DH12, 3-осевой акселерометр; Bosch, BMI-160, комбинированный датчик 3-осевой гироскоп + 3- осевой акселерометр; STMicroelectronics, L3GD20H, 3-осевой гироскоп; STMicroelectronics, LIS3MDL, 3-осевой магнитометр; часы реального времени Ambiq Micro AM1805; микросхема FLASH-памяти N25Q128A, 128 Мбит.