[마이크로칩테크놀로지=밥 마틴(Bob Martin)] 오늘날 시장에는 믹서기에서부터 전동 칫솔에 이르기까지 모든 사물을 클라우드에 연결하려는 열풍이 불고 있다. 가운데 사물인터넷(IoT) 시장은 몇 회의 센서 입력으로 소형 풋프린트 솔루션을 제공하는 저비용 통합 32비트 마이크로컨트롤러(MCU) RF 모듈이 주류를 이루고 있다.
WiFi와 NB(Narrow Band) IoT, 블루투스 등의 통신 스택은 나날이 증가하는 연산 능력과 함께 32비트 도메인에서 RF 채널의 보안을 유지하는 데 기여할 수 있다. 그러나 센서 채널 수가 증가하거나 더욱 많은 원거리 장소에서 저전력이 요구돼 시스템 설계 복잡성이 증가하는 경우 [그림 1]과 같이 8비트 MCU를 설계에 추가함으로써 시스템의 효율성을 더욱 높일 수 있다.
진정한 의미의 5V IO 지원과 센서 인터페이스 통합
산업 환경에서는 여전히 5V 전원 사용 환경이 광범위하게 퍼져 있다. 5V를 완벽하게 지원하는 32비트 MCU도 존재하지만, 대부분의 통합 32비트 MCU/RF는 3.3V 전원 전용 디바이스다. 하지만 5V 도메인에서 GPIO(범용 입출력) 효율이 더 높은 8비트 MCU를 통해 5V 기반 센서와 스위치 접점, 액추에이터에 직접 연결하려면 멀티 레벨 시프터를 추가하거나 아날로그 전압 입력을 3.3V 수준에 맞춰 축소할 필요가 없어진다.
이후 레벨 변환/스케일링 작업은 8비트 MCU와 32비트 MCU/RF 모듈 간의 통신 채널에만 적용하면 된다. 5V 허용(tolerant) 입력을 지원하는 32비트 MCU 모듈의 경우, 레벨 변환을 할 필요 없이 시리얼 저항 절연만 필요할 수도 있다. 또한 갈바닉 절연(galvanic isolation)이 필요할 경우, 시스템의 RF 부분을 보호해야 하는 특수 집적 회로(IC)의 양을 줄임으로써 비용을 추가 절감할 수 있다.
원격 설치 시에는 일반적으로 더 높은 폴트 톨러런트(fault tolerance) 기능이 요구된다. 따라서 현장에서의 고장 위험을 낮추기 위해 다수의 센서 또는 액추에이터 제어가 필요할 수 있다. 중복 센서 인터페이스 연결은 핀 수가 제한된 32비트 MCU/RF 모듈에서 입출력 핀 할당 문제의 증가로 이어진다. 이때 8비트 MCU는 프론트 엔드의 센서 어레이가 지능형 내결함성을 추가로 확보할 수 있도록 하는 높은 인터페이스 핀 밀도를 제공하는 경향이 있다. 예를 들어, 온도 센서 세 개 중 하나가 고장 났는지 확인하는 데에는 머신러닝(Machine Learning) 알고리즘이 필요하지 않다. 이런 판단은 로컬에서 내릴 수 있으며, 이벤트 응답 속도도 더 빠르다.
시스템 파티셔닝
대부분의 센서 연결에 아웃보드 8비트 MCU를 사용하면 동작 중인 아날로그/디지털 프론트 엔드를 다른 RF 모듈 백 엔드에 보다 손쉽고 신속하게 연결할 수 있다. 통합 32비트 MCU/RF 모듈에는 일반적으로 예제 애플리케이션이 함께 제공돼, 공급업체에 관계없이 클라우드에 쉽게 연결하는 방법을 보여준다. 그러나 이런 애플리케이션 예제에서 표준 I2C(Inter-Integrated Circuit) 또는 SPI(Serial Peripheral Interface) 버스 외부의 센서나 액추에이터에 대한 연결 관련 내용은 덜 다루어질 수 있다.
일관되고 잘 정의된 인터페이스를 갖춘 검증된 센서/제어 프론트 엔드는 포팅 작업을 최소화함으로써 적합한 RF 모듈을 더욱 자유롭게 선택할 수 있도록 돕는다. 새로운 RF 모듈의 물리적 계층이 두 MCU 사이의 프로토콜 계층을 지원하면 신규 시스템의 통합 작업은 완료된 것으로 볼 수 있다. 나머지 개발 작업은 새로운 RF 채널을 정확하게 구현하는 데 집중할 수 있다.
폴트 톨러런트 핫 스왑 인터페이스를 통해 느슨하게 결합된 시스템은 산업 및 원격 환경 설정에서 유용한 기능이다. 전체 시스템 스왑이 불가피할 때도 있지만, 가장 좋은 방법은 신뢰할 수 있는 시스템의 전면적인 수정을 최소화하는 것이다. 또한, 이런 느슨한 결합은 신뢰할 수 있는 RF 플랫폼이 확장된 시스템 요건을 보다 쉽게 충족하도록 돕는다. 처음부터 시작할 필요 없이, 신뢰할 수 있는 것은 유지하고 개선해야 할 것은 개선하면 된다.
지능형 전력 관리
IC 게이트 소형화 기술로 이행하는 과정에서는 속도를 선택하는 대신 정적 전류 누설(Static currents leakage)을 감수해야 하는 문제가 발생한다. 새로운 공정 노드의 게이트 산화물 두께는 이제 나노미터가 아닌 원자 수로 계산해야 하는 수준으로 발전하고 있다. 8비트 MCU 세계는 정적 누설 수치 측면에서 훨씬 안전한 공정 기술을 통해 만들어진다. 가장 좋은 저전력 관리 기법은 전력을 완전히 차단하는 것이므로, 지능형 저전력 관리 디바이스를 추가하면 저전력 동작이 향상된다. 일부 8비트 MCU 디바이스는 32비트 RF 모듈에서 누설되는 전류로 표준 32.768kHz 타임 크리스털을 동작시킬 수 있다. 이런 접근 방식은 배터리 충전이나 상태 모니터링 기능에 정밀한 타임 베이스 전원 관리 시스템을 추가할 수 있게 한다. 32비트 RF 모듈, 특히 WiFi 기반 디바이스의 활성 전류는 수백 밀리 암페어에 이를 수 있다. 배터리 팩의 수명이 거의 다 된 경우 네트워크 연결에 필요한 부팅이나 전송에 필요한 전류를 유지하지 못할 수도 있다.
오늘날의 8비트 MCU 기반 전력 관리 시스템은 특별한 웨이크업(Wakeup) 명령을 사용해 메인 RF 모듈을 동작시킬 수 있다. 이 경우 보다 단계적인 순서대로 RF 모듈을 온라인 상태로 전환함에 따라 필요한 전류를 절감할 수 있다. 이런 웨이크업 방식을 적용하면 TX 전력을 크게 절감하면서도 네트워크와 연결할 수 있다. 8비트 MCU 전력 관리 시스템은 정기적으로 피크 스타트업 전류와 전압 강하를 모니터링해 웨이크업 주기마다 모니터링할 수 있다. 또한 클라우드 머신 러닝 엔진은 해당 데이터를 사용해 배터리 시스템 프로파일링을 개선하고 고장을 예측할 수 있다.
프로그래밍 모델/MCU 복잡도
지난 몇 년간 32비트 MCU/RF 모듈의 프로그래밍 용이성은 크게 개선됐다. 이런 모듈 중 일부는 아두이노(Arduino)를 지원해 개발을 가속화하고 있지만, 고객들이 사용하는 센서, 전력 관리 또는 기타 주변장치 인터페이스가 급격하게 늘어나면 개발이 점점 어려워지고 있다. 아두이노 지원 코드는 방대하지만 완벽하지 않은 경우가 많고, 전문 분야에서는 여전히 신뢰 문제를 겪고 있다. IC 공급업체도 자체 지원 서비스를 제공하지만, 베어 메탈(Bare Metal) 계층에서 통합 32비트 RF 모듈을 통합할 경우에는 이런 복잡성을 피하기 어렵다. 수 비트 수준의 제어나 스테이터스를 처리하는데 32비트 기반 제어 레지스터는 어색할 정도로 커 보이기 마련이다. 이는 32비트로 마이그레이션 할 때 실제로 직면하는 문제로, 아직도 많은 사람들에게 0x23AA123C의 주변 제어 값에서 잘못된 비트를 찾아내는 것은 쉽지 않은 작업이다.
8비트 MCU 프로그래밍 모델은 익숙한 인터페이스를 8비트 청크(Chunk)에 제공하며, 때로는 타이머 레지스터용으로 16비트까지 확장되기도 한다. 8비트 MCU의 주변 장치 세트는 비트 필드를 보다 쉽게 디버깅할 수 있으며, 복잡한 전력 절감 또는 버스 인터페이스 동기화 기능을 포함하거나 제공할 필요가 없기 때문에 훨씬 더 이해하기 쉬운 편이다. 8비트 MCU의 클럭 트리는 이해하기 쉽고, 클럭 트리에 PLL(Phase-Locked Loop)이 있더라도 동작이 보다 기초적이다. 8비트 MCU 컴패니언 디바이스를 사용하는 목적이 바로 이것이다. 저전력과 저비용에 지능형이지만 IoT에는 적합하지 않은 디바이스로 모든 상태 관리와 전력 관리, 그리고 지루한 단순 작업을 처리할 수 있도록 하는 것이다.
마이크로칩이 제공하는 8비트 MCU 디바이스의 중에 PIC18-Q41 및 AVR DB 제품군이 있다. 두 제품군은 온 칩 연산 증폭기와 멀티 레벨 전압 GPIO를 포함한 대규모 아날로그 기능 세트를 제공하므로 추가적인 외부 아날로그 부품이나 레벨 변환기가 필요하지 않다.
시판되는 멀티 코어 32비트 MCU/RF 모듈의 수는 점차 증가하고 있다. 하지만 8비트 기반 MCU를 설계에 추가하는 것은 여전히 IoT 시장에서 저전력 에지 노드의 설계를 위해 사용할 수 있는 유용한 옵션이다. 8비트 MCU는 소형 패키지로 전력과 센서 관리를 제공함으로써 32비트 위주의 IoT 시장에서 여전히 중요한 역할을 하고 있다.
밥 마틴(Bob Martin) | 마이크로칩테크놀로지 애플리케이션 담당 수석 엔지니어
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