Dispositivos Lógicos Programáveis para Computação Embarcada e IoT

Desenvolvidos inicialmente na década de 1960 para aeroespacial e militar, os sistemas de computação embarcada continuam a apoiar novas aplicações através de inúmeras melhorias de recursos e melhorias de custo-desempenho de microcontroladores e dispositivos lógicos programáveis. Hoje, sistemas de computação embarcada controlam dispositivos do dia a dia que geralmente não consideramos como "computadores": câmeras digitais, automóveis, relógios inteligentes, eletrodomésticos e até mesmo vestimentas inteligentes. Esses sistemas de computação embarcada são comumente encontrados em aplicações de consumo, industriais, automotivas, médicas, comerciais e militares.

Ao contrário dos computadores de propósito geral, os sistemas de controle embarcados são tipicamente projetados para realizar tarefas específicas. A tarefa do projetista de sistemas de computação embarcada é identificar o conjunto de componentes que implementará os requisitos funcionais, de desempenho, usabilidade e confiabilidade do sistema, tipicamente dentro de restrições apertadas de custo e prazo de desenvolvimento. Assim, a seleção de um microcontrolador e suas características, incluindo capacidades de processamento de dados, velocidade, periféricos e consumo de energia, é um dos aspectos mais críticos e iniciais do design do sistema.

Parte da responsabilidade do projetista envolve estar ciente das tendências em sua indústria particular e aproveitar os componentes e técnicas relevantes. Vamos procurar exemplos entre as principais indústrias para aplicações de microcontroladores, a Internet das Coisas.

O que é IoT?

A Internet das Coisas (IoT) é tipicamente definida como a "extensão da conectividade da Internet a objetos físicos e dispositivos". Dispositivos IoT podem se comunicar e interagir uns com os outros pela Internet ou diretamente via um protocolo sem fio, e eles podem ser monitorados e controlados remotamente. Dispositivos IoT no mercado de consumo tipicamente se referem a produtos que possibilitam casas inteligentes, por exemplo, eletrodomésticos, luminárias, termostatos, sistemas de segurança doméstica e câmeras. A mais nova classe de produtos pode ser controlada de um smartphone ou outros dispositivos conectados à nuvem.

Exemplo de controlador de fechadura inteligente IoT. A identidade do usuário, transmitida para a Nuvem via smartphone, é validada e o comando é processado. O smartphone controla uma operação de Fechadura Inteligente (abrir/fechar) via Bluetooth.

Dispositivos IoT têm vários componentes chave em comum. Além de um microcontrolador, memória embarcada e gestão de energia, esses dispositivos tipicamente incluem vários sensores e atuadores com componentes de condicionamento de sinal em um único pacote. A circuitaria de comunicação necessária para o dispositivo transferir dados para e de um processador de rede local e/ou o recurso de computação em nuvem é frequentemente incluída em microcontroladores projetados para aplicações IoT.

Desafios de Design para Dispositivos IoT de Próxima Geração

Dispositivos IoT estão se tornando onipresentes em aplicações industriais, de consumo, médicas e agrícolas. À medida que se tornam mais numerosos e ricos em recursos, o desenvolvedor de sistemas embarcados continuará a encontrar os seguintes desafios de design:

• Segurança: Esta é a maior preocupação na adoção da tecnologia IoT. Em particular, à medida que o uso de dispositivos IoT se torna mais pervasivo, ataques cibernéticos provavelmente se tornarão uma ameaça cada vez mais comum.

• Vida útil da bateria e Tempo de operação: Uma parte significativa dos dispositivos IoT opera com baterias. À medida que esses dispositivos se tornam mais ricos em recursos, sua demanda por energia aumenta, exigindo baterias maiores ou melhores esquemas de gerenciamento de energia.

• Descentralização: Arquiteturas de nuvem tradicionais fornecem processamento centralizado para aplicações em centros de dados baseados na nuvem. A distância entre o centro de dados e o dispositivo IoT pode aumentar a latência, o que se mostra muito lento para fluxos de trabalho em tempo real. Em contraste, a computação de borda permite que dispositivos IoT tomem decisões inteligentes e respondam em tempo real a estímulos externos. Isso também oferece vantagens de soberania de dados do usuário, pois os dados pessoais são pré-analisados e fornecidos aos provedores de serviços com um nível mais alto de interpretação.

Microcontroladores para Computação Embarcada com Dispositivos IoT

Dispositivos IoT devem ser baratos, portanto, o microcontrolador precisa ser escolhido de modo que suas capacidades não sejam subutilizadas pela aplicação. As especificações do microcontrolador que determinam a melhor peça para sua aplicação são:

• Profundidade de bits: A largura do registrador e do caminho de dados impacta a velocidade e a precisão com que os microcontroladores podem realizar cálculos não triviais.

• Memória: A quantidade de RAM e Flash em um microcontrolador determina o tamanho do código e a complexidade que o componente pode suportar em plena velocidade. Grandes memórias têm maior área de die e custo de componente.

• GPIO: Estes são os pinos do microcontrolador usados para conectar a sensores e atuadores no sistema. Estes frequentemente compartilham sua funcionalidade com outros periféricos do microcontrolador, como comunicação serial, conversores A/D e D/A.

• Consumo de energia: O consumo de energia é criticamente importante para dispositivos operados por bateria e geralmente aumenta com a velocidade do microcontrolador e o tamanho da memória.

Cypress Semiconductor, CY8C6246BZI-D04

O sistema programável em chip (PSoC) 6 MCU CY8C6246BZI-D04, arquitetura é construída especificamente para o IoT e é direcionada para segurança aprimorada. Preenchendo a lacuna entre processadores de aplicações caros e famintos por energia e MCUs de baixo desempenho. A arquitetura de MCU PSoC 6 de ultra-baixo consumo oferece o desempenho de processamento necessário para novos produtos IoT. A segurança é integrada por meio de um ambiente de execução confiável (TTE) baseado em hardware com armazenamento de dados seguro.

A arquitetura MCU PSoC 6 é construída sobre uma tecnologia de processo de 40 nm de ultra-baixo consumo, com uma arquitetura de núcleo duplo Arm^® Cortex^®-M. O consumo de energia ativo é tão baixo quanto 22-μA/MHz para o núcleo M4, e 15-μA/MHz para o núcleo M0+. A Cypress também fornece um kit de desenvolvimento para programar o CY8C6246BZI-D04:

PSoC Programmer 3.26.0 fornece suporte de programação e depuração para a mais recente família de dispositivos PSoC 6 da Cypress através do PSoC Programmer e do PSoC Creator. Ele suporta programação e depuração de dispositivos PSoC 6 via interfaces SWD e JTAG.

Arquitetura MCU PSoC 6 da Cypress Semiconductor

Texas Instruments, MPS430FR2676 CapTIvate^™

O MPS430FR2676 é um microcontrolador de toque capacitivo MSP430^™ de ultra-baixo consumo com 64KB de FRAM, 8KB de SRAM, 43 IOs e um ADC de 12 bits. A linha CapTIvate de tecnologia é ideal para dispositivos IoT com botões, deslizantes, rodas e funções de proximidade. FRAM, ou memória de acesso aleatório ferroelétrica, é uma tecnologia de memória que combina a não volatilidade do Flash e a flexibilidade e baixo consumo de SRAM. Esta tecnologia de memória comprovada está integrada nos microcontroladores (MCUs) de ultra-baixo consumo MSP430 para trazer suas vantagens únicas para aplicações do mundo real.

*MCUs MSP430 com tecnologia CapTIvate fornecem a solução de toque capacitivo mais integrada e autônoma do mercado com alta confiabilidade e imunidade a ruídos no menor consumo de energia. A tecnologia de toque capacitivo da TI suporta eletrodos de auto-capacitância e de capacidade mútua simultâneos no mesmo design para máxima flexibilidade. *

Diagrama de blocos funcionais da Texas Instruments

ST Microelectronics STM32H753BIT6

O microcontrolador STM32H753BIT6 é projetado para computação de borda e é construído em cima de um núcleo ARM Cortex M7 de 32-BIT e 480 MHz com 2M x 8 de memória Flash. Este MCU até inclui um sensor de temperatura embutido, tornando-o útil em aplicações de casa inteligente ou industriais. O núcleo Cortex-M7 possui uma unidade de ponto flutuante (FPU) que suporta instruções de processamento de dados e tipos de dados de precisão dupla e simples compatíveis com IEEE 754. Esses dispositivos suportam um conjunto completo de instruções DSP e incluem uma unidade de proteção de memória (MPU) para melhorar a segurança. Este microcontrolador também é ideal para dispositivos IoT que são projetados para executar algoritmos de aprendizado de máquina para análise de dados:

O STM32Cube.AI é um pacote de extensão da ferramenta de configuração e geração de código STM32CubeMX amplamente utilizada, possibilitando a mapear e executar Redes Neurais Artificiais (ANN) pré-treinadas em microcontroladores baseados em ARM^® Cortex^®-M da STM32.

Matriz de barramento do STM32H753xI a partir da folha de dados

A computação embarcada em IoT e outras áreas de aplicação continuará avançando, e você pode maximizar o desempenho do seu próximo sistema com o microcontrolador certo ou outro dispositivo lógico programável. Comece sua busca com algumas de nossas recomendações!

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