Programowalne układy logiczne dla wbudowanych systemów obliczeniowych i IoT

Pierwsze systemy wbudowane zostały opracowane w latach 60. dla potrzeb przemysłu kosmicznego i wojska, a dziś nadal wspierają nowe aplikacje poprzez liczne ulepszenia funkcji oraz poprawę stosunku kosztów do wydajności mikrokontrolerów i programowalnych układów logicznych. Obecnie systemy wbudowane sterują codziennymi urządzeniami, o których zazwyczaj nie myślimy jako o „komputerach”: aparatami cyfrowymi, samochodami, inteligentnymi zegarkami, urządzeniami domowymi, a nawet inteligentną odzieżą. Te systemy wbudowane są powszechnie stosowane w aplikacjach konsumenckich, przemysłowych, motoryzacyjnych, medycznych, komercyjnych i wojskowych.

W przeciwieństwie do komputerów ogólnego przeznaczenia, systemy sterowania wbudowane są zwykle projektowane do wykonywania konkretnych zadań. Zadaniem projektanta systemów wbudowanych jest zidentyfikowanie zestawu komponentów, które zaimplementują funkcjonalne, wydajnościowe, użytecznościowe i niezawodnościowe wymagania systemu, zazwyczaj w ramach ścisłych ograniczeń kosztów i harmonogramu rozwoju. W związku z tym, wybór mikrokontrolera i jego cech, w tym zdolności przetwarzania danych, szybkości, peryferiów i zużycia energii, jest jednym z najwcześniejszych i najważniejszych aspektów projektowania systemu.

Częścią odpowiedzialności projektanta jest świadomość trendów w swojej branży i korzystanie z odpowiednich komponentów i technik. Spójrzmy na przykłady z najważniejszych branż dla zastosowań mikrokontrolerów, Internetu Rzeczy.

Co to jest IoT?

Internet Rzeczy (IoT) jest zwykle definiowany jako „rozszerzenie łączności internetowej na fizyczne obiekty i urządzenia”. Urządzenia IoT mogą komunikować się i wchodzić w interakcje ze sobą przez Internet lub bezpośrednio za pomocą protokołu bezprzewodowego, i mogą być zdalnie monitorowane i kontrolowane. Urządzenia IoT na rynku konsumenckim zazwyczaj dotyczą produktów umożliwiających inteligentne domy, np. urządzenia domowe, oświetlenie, termostaty, systemy bezpieczeństwa domowego i kamery. Najnowsza klasa produktów może być kontrolowana ze smartfona lub innych urządzeń połączonych z chmurą.

Przykład kontrolera inteligentnej blokady IoT. Tożsamość użytkownika, przesyłana do chmury za pośrednictwem smartfona, jest weryfikowana, a polecenie przetwarzane. Smartfon kontroluje operację inteligentnej blokady (otwarcie/zamknięcie) za pomocą Bluetooth.

Urządzenia IoT mają szereg kluczowych komponentów wspólnych. Oprócz mikrokontrolera, wbudowanej pamięci i zarządzania energią, te urządzenia zwykle obejmują szereg czujników i aktuatorów z komponentami kondycjonowania sygnału w jednym pakiecie. Układy komunikacyjne wymagane do przesyłania danych do i z lokalnego procesora sieciowego i/lub zasobu obliczeniowego w chmurze są często zawarte w mikrokontrolerach zaprojektowanych dla aplikacji IoT.

Wyzwania projektowe dla urządzeń IoT nowej generacji

Urządzenia IoT stają się wszechobecne w przemysłowych, konsumenckich, medycznych i rolniczych zastosowaniach. W miarę jak stają się one liczniejsze i bogatsze w funkcje, deweloperzy systemów wbudowanych będą nadal napotykać następujące wyzwania projektowe:

• Bezpieczeństwo: To największe obawy związane z przyjęciem technologii IoT. W szczególności, w miarę jak używanie urządzeń IoT staje się bardziej powszechne, cyberataki prawdopodobnie staną się coraz częstszym zagrożeniem.

• Żywotność baterii i czas pracy: Znacząca część urządzeń IoT jest zasilana bateriami. W miarę jak te urządzenia stają się bogatsze w funkcje, ich zapotrzebowanie na energię wzrasta, co wymaga większych baterii lub lepszych schematów zarządzania energią.

• De-centralizacja: Tradycyjne architektury chmurowe zapewniają scentralizowane przetwarzanie dla aplikacji w centrum danych opartych na chmurze. Odległość między centrum danych a urządzeniem IoT może zwiększać opóźnienia, co okazuje się zbyt wolne dla przepływów pracy w czasie rzeczywistym. W przeciwieństwie do tego, edge computing umożliwia urządzeniom IoT podejmowanie inteligentnych decyzji i reagowanie w czasie rzeczywistym na bodźce zewnętrzne. Oferuje to również zalety suwerenności danych użytkownika, ponieważ dane osobowe są wstępnie analizowane i dostarczane dostawcom usług z wyższym poziomem interpretacji.

Mikrokontrolery do obliczeń wbudowanych z urządzeniami IoT

Urządzenia IoT mają być tanie, dlatego mikrokontroler musi być wybrany tak, aby jego możliwości nie były niedowartościowane przez aplikację. Specyfikacje mikrokontrolera, które określają najlepszą część dla twojej aplikacji, to:

• Głębokość bitowa: Szerokość rejestru i ścieżki danych wpływa na szybkość i dokładność, z jaką mikrokontrolery mogą wykonywać skomplikowane obliczenia.

• Pamięć: Ilość RAM i Flash w mikrokontrolerze określa rozmiar kodu i złożoność, jaką komponent może obsługiwać z pełną prędkością. Duże pamięci mają większą powierzchnię krzemu i koszt komponentu.

• GPIO: Są to piny mikrokontrolera używane do łączenia się z czujnikami i aktuatorami w systemie. Często dzielą one swoją funkcjonalność z innymi peryferiami mikrokontrolera, takimi jak komunikacja szeregowa, przetworniki A/D i D/A.

• Zużycie energii: Zużycie energii jest krytycznie ważne dla urządzeń zasilanych bateriami i zwykle wzrasta wraz z prędkością mikrokontrolera i rozmiarem pamięci.

Cypress Semiconductor, CY8C6246BZI-D04

Programowalny system na chipie (PSoC) 6 MCU o architekturze CY8C6246BZI-D04 jest stworzony specjalnie dla IoT i skierowany na zwiększone bezpieczeństwo. Wypełnia lukę między drogimi, energochłonnymi procesorami aplikacji a mikrokontrolerami o niskiej wydajności. Architektura ultra-niskiego zużycia energii PSoC 6 MCU oferuje wydajność przetwarzania wymaganą dla nowych produktów IoT. Bezpieczeństwo jest wbudowane poprzez zintegrowane, sprzętowe środowisko wykonawcze zaufania (TTE) z bezpiecznym przechowywaniem danych.

Architektura MCU PSoC 6 jest oparta na zaawansowanej, ultra-niskiej mocy, technologii procesowej 40 nm z podwójną architekturą rdzenia Arm^® Cortex^®-M. Aktywne zużycie energii jest tak niskie, jak 22-μA/MHz dla rdzenia M4, i 15-μA/MHz dla rdzenia M0+. Cypress dostarcza również zestaw deweloperski do programowania CY8C6246BZI-D04:

Programator PSoC 3.26.0 zapewnia wsparcie programistyczne i debugowanie dla najnowszej rodziny urządzeń PSoC 6 firmy Cypress zarówno za pośrednictwem Programatora PSoC, jak i PSoC Creator. Obsługuje programowanie i debugowanie urządzeń PSoC 6 za pośrednictwem interfejsów SWD i JTAG.

Architektura MCU Cypress PSoC 6 od Cypress Semiconductor

Texas Instruments, MPS430FR2676 CapTIvate^™

MPS430FR2676 to mikrokontroler do wykrywania dotyku pojemnościowego MSP430^™ o ultra-niskim poborze mocy z 64KB FRAM, 8KB SRAM, 43 IO i 12-bitowym ADC. Linia technologii CapTIvate jest idealna dla urządzeń IoT z przyciskami, suwakami, kołami i funkcjami zbliżeniowymi. FRAM, czyli ferroelektryczna pamięć o dostępie swobodnym, to technologia pamięci łącząca nieulotność Flash z elastycznością i niskim poborem mocy SRAM. Ta sprawdzona technologia pamięci jest zintegrowana z mikrokontrolerami (MCU) MSP430 o ultra-niskim poborze mocy, aby przenieść jej unikalne zalety do rzeczywistych aplikacji.

*Mikrokontrolery MSP430 z technologią CapTIvate zapewniają najbardziej zintegrowane i autonomiczne rozwiązanie do dotyku pojemnościowego na rynku z wysoką niezawodnością i odpornością na zakłócenia przy najniższym poborze mocy. Technologia dotyku pojemnościowego TI obsługuje równoczesne elektrody samo-pojemnościowe i wzajemnie-pojemnościowe w tym samym projekcie dla maksymalnej elastyczności. *

Schemat blokowy funkcjonalny od Texas Instruments

ST Microelectronics STM32H753BIT6

Mikrokontroler STM32H753BIT6 jest zaprojektowany do obliczeń na krawędzi sieci i oparty na rdzeniu ARM Cortex M7 o częstotliwości 480 MHz z pamięcią Flash 2M x 8. Ten MCU zawiera nawet wbudowany czujnik temperatury, co czyni go użytecznym w aplikacjach domowych lub przemysłowych. Rdzeń Cortex-M7 zawiera jednostkę zmiennoprzecinkową (FPU), która obsługuje instrukcje przetwarzania danych zgodne z IEEE 754 dla danych pojedynczej i podwójnej precyzji. Urządzenia te obsługują pełny zestaw instrukcji DSP i zawierają jednostkę ochrony pamięci (MPU) w celu poprawy bezpieczeństwa. Ten mikrokontroler jest również idealny dla urządzeń IoT, które są zaprojektowane do uruchamiania algorytmów uczenia maszynowego do analizy danych:

STM32Cube.AI to pakiet rozszerzeń szeroko używanego narzędzia do konfiguracji i generowania kodu STM32CubeMX, umożliwiający mapowanie i uruchamianie wytrenowanych wcześniej Sztucznych Sieci Neuronowych (ANN) na mikrokontrolerach STM32 opartych na rdzeniu ARM^® Cortex^®-M.

Macierz magistrali STM32H753xI z karty katalogowej

Wbudowane systemy obliczeniowe w IoT oraz innych obszarach zastosowań będą się nieustannie rozwijać, a Ty możesz maksymalizować wydajność swojego następnego systemu, wybierając odpowiedni mikrokontroler lub inne programowalne urządzenie logiczne. Rozpocznij swoje poszukiwania od niektórych z naszych rekomendacji!

Mamy nadzieję, że ten artykuł okazał się dla Ciebie przydatny! Jeśli chciałbyś otrzymywać treści tego typu prosto do swojej skrzynki odbiorczej, zapisz się na nasz miesięczny newsletter!