Utiliser un microcontrôleur 8 bits optimisé pour simplifier la conception de périphériques à ressources limitées

Pour les concepteurs de dispositifs à puissance limitée et à espace restreint tels que les outils électriques, les produits d'hygiène personnelle, les jouets, les appareils électroménagers et les commandes d'éclairage, un microcontrôleur (MCU) 8 bits était traditionnellement suffisant. Cependant, à mesure que les applications évoluent, elles requièrent des vitesses plus élevées, des options périphériques plus puissantes et des outils de développement logiciel plus robustes. La migration vers une alternative 16 bits ou 32 bits peut aider, mais souvent au prix d'un boîtier plus grand et d'une puissance plus élevée.

Pour résoudre ces problèmes, les concepteurs peuvent tirer parti des microcontrôleurs basés sur l'architecture 8051 qui apportent plusieurs des nombreux avantages des processeurs 16 bits et 32 bits au domaine 8 bits, et ce, dans un boîtier mesurant seulement 2 millimètres (mm) x 2 mm, tout en offrant un environnement de développement moderne.

Cet article décrit brièvement l'architecture 8051 et son adéquation aux applications à ressources limitées. Il présente ensuite une famille de microcontrôleurs basés 8051 de Silicon Labs, décrit les principaux sous-systèmes et montre comment chacun d'entre eux répond à des défis de conception critiques. L'article se termine par une discussion sur le support matériel et logiciel.

Pourquoi utiliser l'architecture 8051

Lors de la sélection d'un microcontrôleur pour une application à espace très restreint, les processeurs 8 bits tels que le bien établi 8051 offrent de nombreux avantages, notamment une empreinte compacte, une faible consommation d'énergie et une conception simple. Cependant, de nombreux processeurs 8051 disposent de périphériques relativement simples, ce qui limite leur adéquation à des cas d'utilisation spécifiques. Par exemple, les convertisseurs analogique-numérique (CAN) basse résolution sont insuffisants pour les applications de haute précision telles que les dispositifs médicaux.

Des horloges relativement lentes peuvent également poser problème. Un microcontrôleur 8051 typique fonctionne à des fréquences d'horloge de 8 mégahertz (MHz) à 32 MHz, et les conceptions plus anciennes requièrent plusieurs cycles d'horloge pour traiter les instructions. Cette faible vitesse peut limiter la capacité des microcontrôleurs 8 bits à prendre en charge des opérations en temps réel telles qu'un contrôle moteur précis.

En outre, les environnements de développement logiciel traditionnels pour les processeurs 8051 ne correspondent pas aux attentes des développeurs de logiciels modernes. Si l'on ajoute à cela les limitations inhérentes à l'architecture 8 bits, le processus de codage peut s'avérer lent et frustrant.

Les limitations des processeurs 8 bits traditionnels peuvent conduire les développeurs à envisager la migration vers des microcontrôleurs 16 bits ou 32 bits. Bien que ces microcontrôleurs offrent une puissance de calcul importante, des périphériques hautes performances et des environnements logiciels modernes, ils sont également relativement volumineux. Cela complique leur intégration dans des conceptions à espace restreint, et peut retarder le développement ou augmenter la taille de la conception.

L'augmentation de la taille du code et de la consommation d'énergie associée aux microcontrôleurs 16 bits et 32 bits peut également conduire à des conceptions sous-optimales. Ces inconvénients sont particulièrement problématiques pour les nombreuses applications qui ne font pas appel à des mathématiques complexes et qui ne bénéficient donc pas des capacités avancées de ces processeurs.

L'équilibre idéal entre ces compromis peut ne pas être évident au début d'un projet, et le changement de processeur en cours de conception peut retarder le développement ou compromettre la taille ou les fonctionnalités du produit. Ainsi, de nombreuses conceptions à espace restreint peuvent bénéficier d'un microcontrôleur basé 8051 plus performant qui apporte plusieurs des nombreux avantages des processeurs 16 bits et 32 bits au domaine 8 bits compact et basse consommation.

L'EFM8BB50 apporte plus de fonctionnalités aux microcontrôleurs 8 bits

Silicon Labs a développé la famille de microcontrôleurs 8 bits EFM8BB50 en tenant compte de ces considérations (Figure 1). Ces microcontrôleurs offrent des performances améliorées, des périphériques avancés et un environnement de développement logiciel moderne.

Figure 1 : Schéma fonctionnel du microcontrôleur EFM8BB50. (Source de l'image : Silicon Labs)

Le cœur du microcontrôleur est le cœur CIP-51 8051, une implémentation Silicon Labs de l'architecture 8051 optimisée pour des performances accrues, une consommation d'énergie réduite et des fonctionnalités améliorées. Les performances sont particulièrement remarquables. Dans l'EFM8BB50, le cœur atteint des vitesses de 50 MHz, et 70 % des instructions s'exécutent en un ou deux cycles d'horloge. Cela confère aux microcontrôleurs des performances considérablement supérieures à celles des processeurs 8 bits traditionnels, offrant ainsi aux développeurs une marge de manœuvre pour des applications plus complexes.

Les microcontrôleurs se distinguent également par leurs dimensions réduites. Les variantes à 16 broches de la famille, comme l'EFM8BB50F16G-A-QFN16, sont disponibles en boîtiers de seulement 2,5 mm x 2,5 mm. Les versions à 12 broches comme l'EFM8BB50F16G-A-QFN12 sont encore plus petits, avec des formats de seulement 2 mm x 2 mm.

Malgré leurs dimensions miniatures, les microcontrôleurs EFM8BB50 sont dotés d'un éventail impressionnant de fonctionnalités, notamment :

• Un CAN 12 bits, essentiel pour les applications exigeant des données de capteur précises
• Un capteur de température intégré qui permet au microcontrôleur de surveiller sa température interne ou la température ambiante sans avoir besoin de composants externes
• Un réseau de compteurs programmables (PCA) à trois canaux avec modulation de largeur d'impulsion (PWM) capable de générer des signaux PWM pour un contrôle de sortie variable dans des applications telles que la commande de moteurs et la gradation de LED
• Un moteur PWM à trois canaux avec insertion de temps de récupération (DTI) pour un contrôle supplémentaire de l'électronique de puissance, comme les variateurs moteurs ou les convertisseurs de puissance

Les autres entrées/sorties (E/S) incluent diverses interfaces de communication série, un ensemble de temporisateurs 8 bits et 16 bits, et quatre unités logiques configurables. Toutes les broches de la famille de microcontrôleurs sont compatibles 5 volts (V) et les E/S numériques peuvent être attribuées de manière flexible pour tirer le meilleur parti du nombre limité de broches.

Gestion de l'alimentation avancée

L'EFM8BB50 intègre plusieurs fonctionnalités de gestion de l'énergie pour optimiser la consommation électrique et étendre la durée de vie des batteries. Ces fonctionnalités commencent par plusieurs modes d'alimentation, y compris un mode inactif qui réduit la fréquence d'horloge du cœur tout en gardant les périphériques actifs. Le mode Stop va plus loin en arrêtant le cœur et la plupart des périphériques tout en préservant la RAM et le contenu des registres. Certains périphériques peuvent être configurés pour sortir le cœur du mode Stop, ce qui profite aux applications commandées par événements qui restent principalement dans un état basse consommation.

Les options de cadencement flexibles contribuent également à la conservation de l'énergie. Un oscillateur interne de précision élimine le recours à des oscillateurs à quartz externes dans de nombreux scénarios, réduisant ainsi la consommation d'énergie globale. Le microcontrôleur prend également en charge le portillonnage d'horloge, qui désactive sélectivement les horloges de divers périphériques, permettant ainsi aux développeurs de désactiver ceux qui ne sont pas utilisés.

Les périphériques sont également conçus dans un souci de rendement énergétique. En particulier, l'unité logique configurable (CLU) peut exécuter des fonctions logiques simples de manière indépendante, réduisant ainsi la nécessité pour le cœur de sortir des modes basse consommation pour des tâches simples. De plus, le dispositif LEUART (Low Energy UART) peut fonctionner dans des modes de puissance où l'oscillateur primaire est désactivé, permettant ainsi la communication série dans des états basse consommation.

Prise en charge du développement logiciel intuitif

Les développeurs peuvent développer des logiciels pour la famille EFM8BB50 dans l'environnement Simplicity Studio Suite de Silicon Labs. Cet environnement est utilisé pour l'EFM8BB50 8 bits, les microcontrôleurs 32 bits de l'entreprise ainsi que ses systèmes sur puce (SoC) sans fil. En conséquence, les développeurs bénéficient d'un environnement moderne doté des fonctionnalités qu'ils attendent de processeurs plus puissants. Par exemple, il propose un profileur d'énergie qui fournit un profilage de puissance du code en temps réel (Figure 2).

Figure 2 : Simplicity Studio inclut un profileur d'énergie qui fournit un profilage de puissance du code en temps réel. (Source de l'image : Silicon Labs)

Les outils sont architecturés autour d'un environnement de développement intégré (IDE) avec des éditeurs de code, des compilateurs, des débogueurs et un moteur d'interface utilisateur (UI) conformes aux normes de l'industrie pour développer des interfaces modernes et réactives. Cet environnement de développement donne accès à des ressources SDK et Web spécifiques au dispositif, ainsi qu'à des outils spécialisés de configuration logicielle et matérielle.

Simplicity Studio prend également en charge la suite Secure Vault de Silicon Labs. Suite de sécurité hautement avancée avec certification PSA de niveau 3, Secure Vault permet aux concepteurs de renforcer les dispositifs Internet des objets (IoT) et de protéger leur surface d'attaque contre l'escalade des cybermenaces tout en s'alignant avec les réglementations de cybersécurité évolutives.

Démarrage rapide avec les kits d'évaluation

Les développeurs qui souhaitent expérimenter avec l'EFM8BB50 peuvent se tourner vers le kit d'exploration BB50-EK2702A illustré à la Figure 3. Ce kit à petit facteur de forme est aligné sur les dimensions d'un montage d'essai pour une fixation aisée aux systèmes prototypes et au matériel de laboratoire. Il comprend une interface USB, un débogueur SEGGER J-Link embarqué, une LED et un bouton pour l'interaction utilisateur. Le kit est entièrement pris en charge par Simplicity Studio Suite et peut être utilisé avec l'utilitaire Energy Profiler. Des exemples de logiciels sont fournis pour chaque périphérique et des démonstrations montrent l'utilisation de la LED, du bouton et de l'UART.

Figure 3 : Présentation du kit d'exploration BB50-EK2702A. (Source de l'image : Silicon Labs)

Le kit comprend une prise mikroBUS et un connecteur Qwiic. Ce support matériel complémentaire permet aux développeurs de créer et de prototyper rapidement des applications à l'aide de cartes disponibles de divers fournisseurs.

Les développeurs intéressés par un point de départ plus complet peuvent utiliser le Kit Pro BB50-PK5208A illustré à la Figure 4. Conçu pour une évaluation et des tests approfondis, ce kit contient des capteurs et des périphériques démontrant plusieurs des nombreuses capacités du microcontrôleur.

Figure 4 : Kit Pro BB50-PK5208A pour une évaluation et des tests approfondis. (Source de l'image : Silicon Labs)

Le kit Pro comprend une connectivité USB, un écran LCD à mémoire ultrabasse consommation de 128 x 128 pixels, un joystick analogique à huit directions, une LED et un bouton-poussoir utilisateur. Il inclut également le capteur de température et d'humidité relative Si7021 de Silicon Labs et plusieurs sources d'alimentation, y compris USB et une pile bouton.

Pour l'extension, la carte offre une embase de 2,54 mm à 20 broches. Elle fournit également des plots de dérivation pour un accès direct aux broches E/S. Comme pour le kit d'exploration, le kit Pro prend en charge l'utilitaire Energy Profiler et est fourni avec des exemples de logiciels pour chaque périphérique.

Options du débogueur EFM8BB50

Silicon Labs propose plusieurs débogueurs pour prendre en charge ses microcontrôleurs. Pour le débogage à usage général, l'entreprise propose le DEBUGADPTR1-USB, un adaptateur de débogage USB 8 bits avec un connecteur simple à 10 broches.

Des capacités plus spécialisées sont disponibles avec le Simplicity Link Debugger SI-DBG1015A. Il se connecte à l'interface Mini Simplicity incluse sur les deux kits mentionnés précédemment. En plus de ses fonctionnalités de base, Simplicity Link offre des capacités supplémentaires, notamment un débogueur SEGGER J-Link, une interface de trace de paquets, un port COM virtuel et des plots de dérivation pour une analyse aisée des signaux individuels.

Conclusion

Les microcontrôleurs 8051 modernes tels que l'EFM8BB50 apportent au domaine 8 bits des fonctionnalités généralement associées aux dispositifs 16 bits et 32 bits. Avec ses fréquences d'horloge élevées, ses périphériques hautes performances et son environnement de développement logiciel robuste, cette famille de microcontrôleurs offre aux développeurs la combinaison idéale de fonctionnalités pour un nombre croissant d'applications dans lesquelles l'espace et la puissance sont limités mais où des performances et une flexibilité supérieures sont requises.