Dispositifs logiques programmables pour l'informatique embarquée et l'IoT

Développés pour la première fois dans les années 1960 pour l'aérospatiale et le militaire, les systèmes informatiques embarqués continuent de soutenir de nouvelles applications grâce à de nombreuses améliorations de fonctionnalités et à des améliorations du rapport coût-performance des microcontrôleurs et des dispositifs logiques programmables. Aujourd'hui, les systèmes informatiques embarqués contrôlent des appareils quotidiens que nous ne considérons généralement pas comme des « ordinateurs » : appareils photo numériques, automobiles, montres intelligentes, appareils électroménagers et même vêtements intelligents. Ces systèmes informatiques embarqués se trouvent couramment dans les applications grand public, industrielles, automobiles, médicales, commerciales et militaires.

Contrairement aux ordinateurs à usage général, les systèmes de contrôle embarqués sont généralement conçus pour effectuer des tâches spécifiques. La tâche du concepteur de système informatique embarqué est d'identifier l'ensemble des composants qui mettront en œuvre les exigences fonctionnelles, de performance, d'utilisabilité et de fiabilité du système, généralement dans le cadre de contraintes de coût et de délais de développement serrés. En conséquence, la sélection d'un microcontrôleur et de ses caractéristiques, y compris les capacités de traitement des données, la vitesse, les périphériques et la consommation d'énergie, est l'un des aspects les plus précoces et les plus critiques de la conception du système.

Une partie de la responsabilité du concepteur implique d'être conscient des tendances dans leur industrie particulière et de tirer parti des composants et techniques pertinents. Examinons des exemples parmi les principales industries pour les applications de microcontrôleurs, l'Internet des Objets.

Qu'est-ce que l'IoT ?

L'Internet des Objets (IoT) est généralement défini comme l'« extension de la connectivité Internet aux objets et dispositifs physiques ». Les dispositifs IoT peuvent communiquer et interagir les uns avec les autres via Internet ou directement via un protocole sans fil, et ils peuvent être surveillés et contrôlés à distance. Les dispositifs IoT sur le marché grand public concernent généralement des produits qui permettent des maisons intelligentes, par exemple, des appareils électroménagers, des luminaires, des thermostats, des systèmes de sécurité domestique et des caméras. La nouvelle classe de produits peut être contrôlée depuis un smartphone ou d'autres dispositifs connectés au cloud.

Exemple de contrôleur de serrure intelligente IoT. L'identité de l'utilisateur, transmise au Cloud via un smartphone, est validée et la commande est traitée. Le smartphone contrôle une opération de Serrure Intelligente (ouverture/fermeture) via Bluetooth.

Les dispositifs IoT ont un certain nombre de composants clés en commun. En plus d'un microcontrôleur, de mémoire embarquée et de gestion de l'alimentation, ces dispositifs incluent généralement un certain nombre de capteurs et actionneurs avec des composants de conditionnement de signal dans un seul paquet. Le circuit de communication requis pour que le dispositif transfère des données vers et depuis un processeur de réseau local et/ou la ressource informatique en nuage est souvent inclus dans les microcontrôleurs conçus pour les applications IoT.

Défis de conception pour les dispositifs IoT de nouvelle génération

Les dispositifs IoT deviennent omniprésents dans les applications industrielles, de consommation, médicales et agricoles. À mesure qu'ils deviennent plus nombreux et riches en fonctionnalités, le développeur de systèmes embarqués continuera de rencontrer les défis de conception suivants :

• Sécurité : C'est la plus grande préoccupation dans l'adoption de la technologie IoT. En particulier, à mesure que l'utilisation des dispositifs IoT devient plus répandue, les cyberattaques sont susceptibles de devenir une menace de plus en plus courante.

• Autonomie de la batterie et temps de fonctionnement : Une partie importante des dispositifs IoT fonctionne sur batterie. À mesure que ces dispositifs deviennent plus riches en fonctionnalités, leur demande en énergie augmente, nécessitant des batteries plus grandes ou de meilleurs schémas de gestion de l'énergie.

• Décentralisation : Les architectures cloud traditionnelles fournissent un traitement centralisé pour les applications dans des centres de données basés sur le cloud. La distance entre le centre de données et le dispositif IoT peut augmenter la latence, ce qui s'avère trop lent pour les flux de travail en temps réel. En contraste, le calcul en périphérie (edge computing) permet aux dispositifs IoT de prendre des décisions intelligentes et de répondre en temps réel à des stimuli externes. Cela offre également des avantages en termes de souveraineté des données utilisateur, car les données personnelles sont pré-analysées et fournies aux prestataires de services avec un niveau d'interprétation plus élevé.

Microcontrôleurs pour l'informatique embarquée avec les dispositifs IoT

Les dispositifs IoT sont censés être peu coûteux, donc le microcontrôleur doit être choisi de manière à ce que ses capacités ne soient pas sous-utilisées par l'application. Les spécifications du microcontrôleur qui déterminent la meilleure pièce pour votre application sont :

• Profondeur de bit : La largeur du registre et du chemin de données impacte la vitesse et la précision avec lesquelles les microcontrôleurs peuvent effectuer des calculs non triviaux.

• Mémoire : La quantité de RAM et de Flash dans un microcontrôleur détermine la taille et la complexité du code que le composant peut supporter à pleine vitesse. De grandes mémoires ont une plus grande surface de die et un coût de composant plus élevé.

• GPIO : Ce sont les broches du microcontrôleur utilisées pour se connecter aux capteurs et actionneurs dans le système. Ces dernières partagent souvent leur fonctionnalité avec d'autres périphériques du microcontrôleur, tels que la communication série, les convertisseurs A/N et N/A.

• Consommation d'énergie : La consommation d'énergie est d'une importance cruciale pour les dispositifs fonctionnant sur batterie et elle augmente généralement avec la vitesse du microcontrôleur et la taille de la mémoire.

Cypress Semiconductor, CY8C6246BZI-D04

Le système sur puce (PSoC) programmable CY8C6246BZI-D04 de l'architecture MCU PSoC 6 est conçu spécifiquement pour l'IoT et est ciblé vers une sécurité renforcée. Comblant l'écart entre les processeurs d'applications coûteux et énergivores et les MCU à faible performance. L'architecture MCU PSoC 6 à ultra-faible puissance offre la performance de traitement requise pour les nouveaux produits IoT. La sécurité est intégrée via un environnement d'exécution de confiance (TTE) basé sur le matériel avec stockage de données sécurisé.

L'architecture MCU PSoC 6 est construite sur une technologie de processus de pointe, à ultra-faible puissance, de 40 nm avec une architecture de cœur double Arm^® Cortex^®-M. La consommation d'énergie active est aussi basse que 22-μA/MHz pour le cœur M4, et 15-μA/MHz pour le cœur M0+. Cypress fournit également un kit de développement pour la programmation du CY8C6246BZI-D04 :

PSoC Programmer 3.26.0 fournit le support de programmation et de débogage pour la dernière famille de dispositifs PSoC 6 de Cypress via PSoC Programmer et PSoC Creator. Il prend en charge la programmation et le débogage des dispositifs PSoC 6 via les interfaces SWD et JTAG.

Architecture MCU PSoC 6 de Cypress Semiconductor

Texas Instruments, MPS430FR2676 CapTIvate^™

Le MPS430FR2676 est un microcontrôleur à capacité tactile ultra-faible consommation MSP430^™ avec 64KB de FRAM, 8KB de SRAM, 43 IO, et un ADC de 12 bits. La ligne de technologie CapTIvate est idéale pour les dispositifs IoT avec des boutons, des glissières, des roues et des fonctions de proximité. La FRAM, ou mémoire vive ferroélectrique aléatoire, est une technologie de mémoire qui combine la non-volatilité du Flash et la flexibilité et la faible consommation de la SRAM. Cette technologie de mémoire éprouvée est intégrée dans les microcontrôleurs ultra-faible consommation MSP430 (MCUs) pour apporter ses avantages uniques aux applications réelles.

*Les MCUs MSP430 avec la technologie CapTIvate fournissent la solution tactile capacitive la plus intégrée et autonome sur le marché avec une haute fiabilité et une immunité au bruit à la plus faible consommation. La technologie tactile capacitive de TI prend en charge les électrodes de capacité propre et mutuelle en même temps sur le même design pour une flexibilité maximale. *

Schéma fonctionnel de Texas Instruments

ST Microelectronics STM32H753BIT6

Le microcontrôleur STM32H753BIT6 est conçu pour le calcul en périphérie et est basé sur un cœur ARM Cortex M7 de 32 bits à 480 MHz avec 2M x 8 de mémoire Flash. Ce MCU inclut même un capteur de température intégré, le rendant utile dans les applications domestiques intelligentes ou industrielles. Le cœur Cortex-M7 dispose d'une unité de traitement en virgule flottante (FPU) qui prend en charge les instructions de traitement de données et les types de données en simple et double précision conformes à IEEE 754. Ces dispositifs prennent en charge un ensemble complet d'instructions DSP et incluent une unité de protection de mémoire (MPU) pour améliorer la sécurité. Ce microcontrôleur est également idéal pour les dispositifs IoT conçus pour exécuter des algorithmes d'apprentissage automatique pour analyser les données :

Le STM32Cube.AI est un pack d'extension du très utilisé outil de configuration et de génération de code STM32CubeMX permettant la possibilité de mapper et d'exécuter des réseaux neuronaux artificiels (ANN) pré-entraînés sur des micro-contrôleurs STM32 basés sur Arm^® Cortex^®-M.

TRANSLATE:

Matrice de bus STM32H753xI issue de la fiche technique

L'informatique embarquée dans l'IoT et d'autres domaines d'application va continuer à progresser, et vous pouvez maximiser la performance de votre prochain système avec le bon microcontrôleur ou un autre dispositif logique programmable. Commencez votre recherche avec certaines de nos recommandations !

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