Teensy 4.0 – NXP’s i.MX RT1062 für alle

Teensy 4.0

Mit dem Teensy 4.0 steht ein kompaktes, aber dennoch handliches Boards mit NXP’s i.MX RT1062 (Arm Cortex-M7), einem sogenannten Crossover Processor (Kombination aus Mikrocontroller & Application Processor) , zur Evaluation bereit.

Die Ausstattungsliste im Datenblatt liest sich wie der Wunschzettel eines Embedded Entwicklers in der Vor-Weihnachtszeit. Ein Blick ins Datenblatt (https://www.nxp.com/part/MIMXRT1062CVL5A ) zeigt das.

Paul Stoffregen hat dafür gesorgt, dass der Teensy 4.0 auch als Arduino-kompatibler Mikrocontroller gehandhabt werden kann ( https://www.pjrc.com/teensy-4-0/ ) und somit der derzeit wohl leistungsfähigste Arduino zu einem sehr moderaten Preis von USD 19.95 zur Verfügung steht.

Den ersten Eindruck möchte ich mit den erweiterten Benchmarks aus meinem letzten Post https://ckblog2016.net/2019/08/19/maixduino/ beschließen.

Verglichen wurden eine Arduino Due (AT91SAM3X8E@ 84 MHz), eine ESPduino-32 (ESP-Wroom-32@80 MHz), ein Maixduino (Kendryte K210 RISC-V@400 MHz) und ein Teensy 4.0 ( i.MX RT1062@600 MHz). Hier sind die Resultate der beiden Benchmarks:

Benchmarkergebnisse Sieve of Erastothenes
Benchmarkergebnisse Coremark 1.0

Wie die beiden Benchmarks deutlich zeigen, hat Teensy 4.0 mit seinem mit 600 MHz getakteten i.MX RT1062 die Performance des Maixduino wesentlich überboten und kann als derzeit leistungsfähigster Arduino-kompatibler Mikrocontroller (oder eben als Crossover Processor) angesehen werden.

Maixduino – Arduino-kompatibel auf Basis RISC-V

Das ganze $23.90 kostende Sipeed Maixduino Kit for RISC-V AI + IoT ist seit geraume Zeit im Haus und hat auf die Inbetriebnahme gewartet. Ziel für mich war, das Board in der Arduino-Umgebung in Betrieb zu nehmen, um einen direkten Vergleich zu anderen Arduinos zu bekommen.

Zum Lieferumfang des Maixduino Kits gehören die folgenden Komponenten:

  • Maixduino Board (rechts)
  • 2.4 inch TFT Display (Mitte)
  • OV2640 camera module (links)
Komponenten des Maixduino Kits

Die Frontseite des Maixduino Boards zeigt an Hand der Buchsenleisten Kompatibilität zum Arduino-Formfaktor und die Rückseite zeigt in einem Blockdiagramm die zur Verfügung stehenden Ressourcen.

Neben der eigentlichen Inbetriebnahme in der Arduino IDE hat mich vor allem die zu erwartende Performance interessiert.

Um das Maixduino Board der Arduino IDE bekannt zu machen ist der folgende Eintrag in den Preferences vorzunehmen.

File -> Preferences: Eintrag der URL http://dl.sipeed.com/MAIX/Maixduino/package_Maixduino_k210_index.json unter Additional Boards Manager URLs. Einträge durch Komma separieren.

Im Boards Manager dann Maixduino (K210) selektieren und die folgenden Board Settings einstellen:

  • Board: Maixduino
  • Burn Tool Firmware: open-ec
  • Burn Baudrate: 1.5 M
  • Port: Serial port
  • Programmer: k-flash

Die Programmer Software k-flash wird vom Norton SONAR entfernt. Norton muss hier entsprechend eingerichtet resp. „entschärft“ werden. Die komplette Installation ist unter https://maixduino.sipeed.com/en/get_started/install.html beschrieben.

Um die Performance des Maixduino gegenüber anderen Arduinos resp. Arduino-kompatiblen Mikrocontrollern zu vergleichen, habe ich zwei Benchmarks laufen lassen:

  • Sieve of Eratosthenes
  • CoreMark

Den ersten Benchmark habe ich zu Vergleichszwecken verwendet, da ich in der Vergangenheit damit bereits zahlreiche Tests vorgenommen habe:

CoreMark 1.0 ist ein vom EEMBC empfohlener Test und zudem an die Arduino-Umgebung angepasst ( https://www.eembc.org/coremark/ ). Beide Benchmarks stehen unter https://github.com/ckuehnel/newArduino/tree/master/Maixduino zum Download zur Verfügung.

Hier nun die Resultate der beiden Benchmarks. Verglichen wurden eine Arduino Due (AT91SAM3X8E@ 84 MHz), eine ESPduino-32 (ESP-Wroom-32@80 MHz) und ein Maixduino (Kendryte K210 RISC-V@400 MHz):

Benchmarkergebnisse Sieve of Erastothenes
Benchmarkergebnisse Coremark 1.0

Gegenüber dem Arduino Due hatte der ESP-32 bereits eine deutliche Verbesserung der Performance gezeigt, die aber vom Maixduino noch wesentlich überboten wird. Damit dürfte der Maixduino derzeit der leistungsfähigste Arduino-kompatible Mikrocontroller sein.

M5Stack Prototyping Platform

Im Blogbeitrag Rapid Prototyping mit M5Stack hatte ich die M5Stack Family als interessante Prototyping Platform vorgestellt.

Dieser Beitrag zeigt an Hand einer einfachen Wetterstation als Beispiel einer nahezu beliebigen IoT-Anwendung, wie mit M5Stack Komponenten schnell ein ansehnlicher Prototyp erstellt werden kann

Mit einem M5Stack Basic Core und einer ENV Unit zur Erfassung von Temperatur, rel. Luftfeuchte und Luftdruck sowie einem SIM800L Module zum Versenden der Daten über GPRS hat man schnell eine abgesetzte Wetterstation aufgebaut, die auch ohne WLAN Zugang autonom funktionieren kann.

Der M5Stack Core besitzt in seinem Unterteil nur einen 150 mAh. Will man die Akkuleistung, beispielsweise zur Pufferung, erhöhen, dann kann ein M5GO/FIRE Battery Bottom Charging Base als Unterteil eingesetzt werden.

M5Stack Basic Core

Die ENV Unit ist ein Umgebungssensor, der zur Messung von Temperatur, relativer Luftfeuchtigkeit und Luftdruck verwendet werden kann. Intern werden die Sensoren DHT12 und BMP280 verwendet.

Der DHT12 ist eine Weiterentwicklung des bekannten DHT11 Sensors, der nun präziser und mit einer I2C-Schnittstelle ausgestattet ist. Der BMP280 ist ein barometrischer Drucksensor, der speziell für mobile Anwendungen entwickelt wurde.

Kontaktiert wird die ENV Unit über den an der linken Seite des M5Stack Basic Core angeordneten Grove-PortA (i2C).

ENV Unit with Temperature Humidity Pressure Sensor (DHT12+BMP280)

SIM800L ist ein Mobiltelefonmodul auf Basis des SIM800L GSM / GPRS-Modul von SIMCOM,

GSM Module SIM800L with MIC & Headphone Jack

Mit diesen drei Komponenten wird die Wetterstation aufgebaut. Die Kosten der ansprechenden Anordnung belaufen sich dabei auf:

KomponentePreis
M5Stack Basic Core$ 27.95
ENV Unit$ 3.39
GSM Module SIM800L with MIC & Headphone Jack $ 9.95
Summe$ 41.29

Die folgenden Bilder zeigen den Ablauf vom Programmstart bis zum Abschluss der Übertragung des Temperaturmesswertes, der hier für die Evaluierung ausreichend erschient.

Initialisierung nach Programmstart
Messwerte erfasst – Versenden zum Thingspeak Server
Messwerte versendet

Der Quelltext für das Programm M5Stack_DHT12_Thingspeak ist auf Github unter https://github.com/ckuehnel/M5Stack/tree/master/M5Stack/M5Stack_DHT12_Thingspeak abgelegt. Anpassungen auf weitere Parameter und andere Displayausgaben können nach dem Download leicht vorgenommen werden. Programmiert wurde mit der Arduino IDE v1.8.9.

Das Ergebnis der abendlichen Abkühlung ist im folgenden Bild zu sehen.

Temperaturverlauf 6.08.2019 abends

Ein Wort noch zur Stromversorgung. Der SIM800L ist bekannt dafür, dass er in Spitzen bis zu 2 A Stromaufnahme verzeichnet. Die Spannungsversorgung kann beim M5Stack aber vernünftig nur über den USB-Anschluss erfolgen. Dadurch ist der zur Verfügung stehende Strom limitiert.

Ich habe einen D-Link DUB-H4 USB-Hub verwendet, der vier Downstream-USB-Anschlüsse Typ A (Buchse) inklusive Schnellladeanschluss besitzt und durch ein externes Netzteil gespeist wird.

Der fürs iPad u.a. stromhungrige Verbraucher gedachte Schnellladeanschluss dient hier zur Stromversorgung und die sporadischen Brown Out-Resets des ESP32 sind Vergangenheit.

Messung der Wassertemperatur

Auf meiner Website http://ckuehnel.ch/WetterVitte.html habe ich Temperaturangaben für Vitte auf der Insel Hiddensee.

Die Angaben aus dem Netz für die Wassertemperatur der Ostsee zeigen erhebliche Differenzen. Gelistet sind auf der Website Wassertemperaturen aus folgenden Quellen:

Mit dem im Post Rapid Prototyping mit M5Stack beschriebenen M5StickC und einem wasserdichten DS18B20-Temperatursensor mit einer Zuleitungslänge von 1 m habe ich ein portables Messgerät aufgebaut, mit dem die Wassertemperatur in 1 m Tiefe gemessen werden kann.

Die Messwerte für den Zeitraum 4.06. bis 13.06.2019 sind als Excel-Sheet abrufbar.

Gemessen wurde am Wasserrand nahe der Oberfläche und im Wasser (Strandnähe) bei 1 m Wassertiefe. Interessant sind für mich folgende Feststellungen:

  • die Messwerte schwanken viel stärker als vom BSH für Kloster angegeben
  • bei Ostwind sinkt die Wassertemperatur erheblich, was in den BSH Daten kaum sichtbar wird
  • bei Wellengang unterscheiden sich die Messwerte am Rand nur wenig von denen in 1 m Tiefe, was sich durch die Durchmischung des Wassers erklärt.
  • es erscheint dennoch recht schwierig, von solchen Messungen verallgemeinerungsfähige Aussagen abzuleiten
  • definierte Messbedingungen und die Einhaltung dieser sind unabdingbare Voraussetzungen für die Vergleichbarkeit solcher Messwerte
Lage der Messstelle

bpi:bit – Mehr Power im micro:bit Universum

In meinem Beitrag Mikrocontroller nicht nur für die Schule! (Design & Elektronik 01/2018, MF40-44) hatte ich BBC micro:bit und Calliope mini, beides für die Grundschul-Ausbildung konzipierte Mikrocontroller-Boards, vorgestellt und deren Erweiterungsmöglichkeiten betrachtet.

Befördert durch den Edge-Connector des BBC micro:bit werden mittlerweile zunehmend Peripherieerweiterungen für den BBC micro:bit angeboten, die diesen Controller auch für Maker interessant machen.

Einen Überblick über vorhandene Erweiterungen kann man sich beispielsweise bei Reichelt oder den folgenden Adressen holen:

Durch den im BBC micro:bit eingesetzten Mikrocontroller nRF51822 gerät man aber auch schnell an Grenzen. Will man beispielsweise seinen BBC micro:bit über WiFi vernetzen, dann ist dafür bereits ein Zusatzmodul erforderlich. Auch vom Speicherausbau her sind Grenzen gesetzt, die den Wunsch nach einem Mikrocontroller mit mehr Performance aufkommen lassen.

Mit dem bpi:bit des Banana-Pi Herstellers SinoVoip gibt es einen solchen Mikrocontroller auf Basis eines ESP32. Warum bei heise der bpi:bit als kuriose Kopie abgetan wird, ist für mich nur schwer nachvollziehbar. Die nachfolgende Tabelle zeigt die Merkmale von bpi:bit und micro:bit im Vergleich.

Wer bislang seinen BBC micro:bit bereits mit MicroPython oder der Arduino IDE programmiert hat, bekommt mit dem bpi:bit eine leistungsstarken Controller incl. WiFi für seine micro:bit Umgebung.

Nutzt man alle WS2812, dann kommt man um eine Fremdspeisung des Moduls nicht umhin, denn der Strombedarf übersteigt das, was ein USB-Anschluss zur Verfügung stellt.

Modulbpi:birmmicro:bit
CPUESP32 nRF51822
RAM520 KB256 KB
ROM448 KBN/A
Flash512 KB16 KB
WiFi 802,11 b/g/n/e/ich N/A
Bluetooth BT4.2 BR/EDR und BLE BLE
Sensoren2 Fototransistoren,
Thermistor,
MPU-2950
LED-Matrix,
On-Chip Temperatursensor,
LSM303GR
SummerSummerN/A
LEDs 25 Neopixel-LEDs (WS2812 ) 25 rote LEDs
GPIOEdge-Connector (Goldfinger)Edge-Connector (Goldfinger)
Tasten2 programmierbare Tasten 2 programmierbare Tasten
USBmicro-USB (UART)micro-USB
Software Webduino, Arduino,
MicroPython, Scratch X
Microsoft MakeCode, Arduino
MicroPython, Scratch X
Grösse5 x 5 cm5 x 4 cm

HiFive1 Rev. B

Vor wenigen Tagen war nun das über Mouser bestellte und von CrowdSupply gelieferte HiFive1 Rev. B Board im Postkasten.

HiFive1 Rev. B

Das HiFive1 Rev, B Board weist die folgenden Features auf:

  • MCU – SiFive Freedom E310-G0002 32-Bit RV32IMAC processor @ bis zu 320+ MHz (1.61 DMIPS/MHz)
  • Storage – 32 MBit SPI Flash
  • Connectivity – ESP32-SOLO-1 WiFi & Bluetooth module
  • I/Os (19 x Digital I/O Pins, 19 x external Interrupt Pins, 1 x external Wakeup Pin, 9 x PWM Pins, 1/3 SPI Controllers/HW CS Pins)
  • I/O Voltages –  3.3 V
  • USB – 1 x micro USB Port für Power, Programming und Debugging (via Segger J-Link)
  • Power Supply – 5 V via USB oder 7 – 12V via DC Jack; Operating Voltage: 3.3 V und 1.8 V
  • Dimensions – 68 mm x 51 mm
  • Gewicht– 22 g

Zur Programmierung kann das Freedom-E SDK herangezogen werden, was allerdings einen Linux-Rechner erfordert. ‌Alle Informationen hierzu sind unter https://github.com/sifive/freedom-e-sdk​ zu finden.

Die beim HiFive1 vorhanden Unterstützung der Arduino IDE wurde nicht weitergeführt.

Das Eclipse-basierte, wesentlich komplexere Freedom Studio läuft auch auf Windows.

Eine erste Idee von der Performance des HiFive1 Rev. B bekommt man über den Dhrystone Benchmark.

Resultat Dhrystone Benchmark (Out of the Box) (Das Ergebnis ist noch falsch – Bild wird ersetzt)

Mit diesem Ergebnis liegt der HiFive1 Rev. B in der Nähe von Cortex-M3/M4/A5.

MCUDIPS/MHz
HiFive1 Rev. B1.6
Cortex-M31.24
Cortex-M41.25
Cortex-A51.6

Quelle: https://brtchip.com/wp-content/uploads/Support/Documentation/Application_Notes/ICs/MCU/AN_304-FT900-Microcontroller-Benchmark.pdf

Rapid Prototyping mit M5Stack

Wem es bislang an Baugruppen mit einem vernünftigen Gehäuse für die Entwicklung seiner Prototypen gemangelt hat, dem wird mit M5Stack Komponenten eine ansprechende Lösung angeboten.

Hier sind aus dem Angebot von M5Stack zwei Core Module:

Generell weisen beide Core Module einen ESP32 als Controller auf.

Die M5Stack Komponenten werden von zahlreichen Lieferanten angeboten und sind nicht nur bei Bezug aus Fernost sehr preiswert.

KomponenteAliexpress
M5Stack CoreUS$ 27.60
M5StickCUS$ 9.90
ENV UnitUS$ 3.20

Ich habe mit dem M5StickC erste Versuche unternommen, um seine Eignung für ein portables Messgerät zu testen. Der M5StickC ist mit einem 80 mAh LiPo-Akku ausgerüstet, was keine großen Akkulaufzeit erwarten lässt.

Der M5StickC ist mit einem Power System Management Chip AXP192 ausgestattet, der ein USB-kompatibles Ladegerät, DC-DC-Wandler, Low-Dropout-Linearregler, Spannungs- /Strom- /Temperaturüberwachung und Multi-Kanal 12-Bit ADC aufweist. Die Überwachung des Ladezustand des LiPo-Akkus kann über diesen Chip erfolgen.

Der ESP32 weist zwei I2C-Busse auf. Über den ersten werden die internen Chips AXP32 (0x34), BM8563 (0x51) und SH200Q (0x6C) angesteuert. Der zweite I2C-Bus ist am GROVE-Connector verfügbar.

Für einen ersten Test schließe ich eine ENV Unit über den GROVE-Connector an. Dieses Modul beinhaltet einen DHT12 (0x5C) und einem BMP280 (0x76) Sensor und erfasst damit Temperatur, relative Luftfeuchte und barometrischen Druck.

Das Programmbeispiel M5StickC_ENV.ino erfüllt zwei Aufgaben:

  1. Erfassen von Temperatur, relativer Luftfeuchte und barometrischem Druck über die angeschlossene ENV Unit.
  2. Erfassen von Batteriespannung und Ladestrom für den LiPo-Akku

Das Programmbeispiel ist auf Github abgelegt.

Ausgehend von einem voll aufgeladenen LiPo-Akku habe ich die USB-Verbindung getrennt und das angegebene Programmbeispiel batterie-betrieben laufen lassen. Es hat sich folgender Entladevorgang gezeigt.

Nach reichlich 60 Minuten war die Kapazität des Akkus erschöpft und das System schaltete sich ab. Die folgenden Bilder demonstrieren diesen Vorgang.

Beginn mit voll aufgeladenem LiPo-Akku
Entladung nach 10 Minuten
Erneutes Aufladen des LiPo-Akkus

Es soll an dieser Stelle noch ausdrücklich darauf hingewiesen werden, dass für den Betrieb hier keine WiFi-Verbindung genutzt wurde. Eine WiFi-Verbindung erhöht den Stromverbrauch deutlich, so dass wesentlich geringere Laufzeiten erwartet werden müssen.