Программируемые логические устройства для встраиваемых вычислений и Интернета вещей

Впервые разработанные в 1960-х годах для аэрокосмической отрасли и военных, встроенные вычислительные системы продолжают поддерживать новые приложения благодаря многочисленным улучшениям функций и снижению стоимости по отношению к производительности микроконтроллеров и программируемых логических устройств. Сегодня встроенные вычислительные системы управляют повседневными устройствами, которые мы обычно не считаем «компьютерами»: цифровыми камерами, автомобилями, умными часами, бытовой техникой и даже умной одеждой. Эти встроенные вычислительные системы широко используются в потребительских, промышленных, автомобильных, медицинских, коммерческих и военных приложениях.

В отличие от универсальных компьютеров, системы встроенного управления обычно предназначены для выполнения конкретных задач. Задача дизайнера встроенных вычислительных систем заключается в определении набора компонентов, которые будут реализовывать функциональные, производительные, удобство использования и надежность требований системы, обычно в условиях строгих ограничений по стоимости и времени разработки. Соответственно, выбор микроконтроллера и его характеристик, включая возможности обработки данных, скорость, периферийные устройства и потребление энергии, является одним из первых и наиболее критических аспектов проектирования системы.

Частью обязанностей дизайнера является осведомленность о тенденциях в своей конкретной отрасли и использование соответствующих компонентов и техник. Давайте посмотрим на примеры среди ведущих отраслей для приложений микроконтроллеров, Интернет вещей.

Что такое IoT?

Интернет вещей (IoT) обычно определяется как «расширение подключения к Интернету на физические объекты и устройства». Устройства IoT могут общаться и взаимодействовать друг с другом через Интернет или непосредственно через беспроводной протокол, и их можно удаленно мониторить и контролировать. Устройства IoT на потребительском рынке обычно относятся к продуктам, которые обеспечивают умный дом, например, бытовая техника, осветительные приборы, термостаты, системы безопасности дома и камеры. Новейший класс продуктов может управляться со смартфона или других устройств, подключенных к облаку.

Пример контроллера умного замка IoT. Идентификация пользователя, переданная в облако через смартфон, проверяется, и команда обрабатывается. Смартфон управляет операцией умного замка (открыть/закрыть) через Bluetooth.

Устройства IoT имеют ряд общих ключевых компонентов. Помимо микроконтроллера, встроенной памяти и управления питанием, эти устройства обычно включают в себя ряд датчиков и исполнительных механизмов с компонентами условной обработки сигналов в одном пакете. Коммуникационная аппаратура, необходимая для передачи данных устройством в локальный сетевой процессор и/или ресурс облачных вычислений, часто включается в микроконтроллеры, предназначенные для приложений IoT.

Проблемы проектирования устройств IoT следующего поколения

Устройства IoT становятся повсеместными в промышленных, потребительских, медицинских и сельскохозяйственных приложениях. По мере того как они становятся более многочисленными и функционально насыщенными, разработчик встроенных систем будет продолжать сталкиваться со следующими проблемами проектирования:

• Безопасность: Это самая большая проблема при внедрении технологии IoT. В частности, по мере того как использование устройств IoT становится более широким, кибератаки, вероятно, станут все более распространенной угрозой.

• Срок службы батареи и время работы: Значительная часть устройств IoT работает от батарей. По мере того как эти устройства становятся более функциональными, их потребность в энергии увеличивается, что требует использования более крупных батарей или лучших схем управления питанием.

• Децентрализация: Традиционные облачные архитектуры обеспечивают централизованную обработку для приложений в облачных центрах обработки данных. Расстояние между центром обработки данных и устройством IoT может увеличивать задержку, что слишком медленно для рабочих процессов в реальном времени. В отличие от этого, вычисления на краю сети позволяют устройствам IoT принимать интеллектуальные решения и реагировать в реальном времени на внешние стимулы. Это также предлагает преимущества суверенитета пользовательских данных, поскольку личные данные предварительно анализируются и предоставляются поставщикам услуг с более высоким уровнем интерпретации.

Микроконтроллеры для встроенных вычислений с устройствами IoT

Устройства IoT предназначены для того, чтобы быть недорогими, поэтому микроконтроллер должен быть выбран так, чтобы его возможности не были недоиспользованы приложением. Спецификации микроконтроллера, определяющие лучшую часть для вашего приложения, включают:

• Разрядность: Ширина регистра и пути данных влияет на скорость и точность, с которой микроконтроллеры могут выполнять нетривиальные вычисления.

• Память: Количество RAM и Flash в микроконтроллере определяет размер кода и сложность, которые компонент может поддерживать на полной скорости. Большие объемы памяти имеют большую площадь кристалла и стоимость компонента.

• GPIO: Это контакты микроконтроллера, используемые для подключения к датчикам и исполнительным устройствам в системе. Они часто разделяют свои функции с другими периферийными устройствами микроконтроллера, такими как последовательная связь, АЦП и ЦАП.

• Потребление энергии: Потребление энергии критически важно для устройств, работающих от батарей, и обычно увеличивается с увеличением скорости микроконтроллера и размера памяти.

Cypress Semiconductor, CY8C6246BZI-D04

Программируемая система на кристалле (PSoC) 6 MCU архитектура CY8C6246BZI-D04, созданная специально для IoT и ориентированная на повышенную безопасность. Заполняя пробел между дорогими, энергоемкими процессорами приложений и микроконтроллерами с низкой производительностью. Архитектура микроконтроллера PSoC 6 с ультранизким энергопотреблением предлагает производительность обработки, необходимую для новых продуктов IoT. Безопасность обеспечивается за счет интегрированной аппаратной доверенной исполнительной среды (TTE) с безопасным хранением данных.

Архитектура микроконтроллера PSoC 6 построена на передовой технологии с ультранизким энергопотреблением, 40-нм техпроцессе с двухъядерной архитектурой Arm^® Cortex^®-M. Активное энергопотребление составляет всего 22-μA/MHz для ядра M4 и 15-μA/MHz для ядра M0+. Cypress также предоставляет набор для разработки для программирования CY8C6246BZI-D04:

PSoC Programmer 3.26.0 обеспечивает поддержку программирования и отладки для последнего семейства устройств PSoC 6 от Cypress как через PSoC Programmer, так и через PSoC Creator. Он поддерживает программирование и отладку устройств PSoC 6 через интерфейсы SWD и JTAG.

Архитектура MCU Cypress PSoC 6 от Cypress Semiconductor

Texas Instruments, MPS430FR2676 CapTIvate^™

MPS430FR2676 - это микроконтроллер с ультранизким энергопотреблением для сенсорного управления на основе емкостного сенсора MSP430^™ с 64KB FRAM, 8KB SRAM, 43 IO и 12-битным АЦП. Линейка CapTIvate идеально подходит для устройств IoT с кнопками, слайдерами, колесами и функциями приближения. FRAM, или ферроэлектрическая оперативная память, - это технология памяти, сочетающая неволатильность Flash и гибкость и низкое энергопотребление SRAM. Эта проверенная технология памяти интегрирована в микроконтроллеры MSP430 с ультранизким энергопотреблением, чтобы принести ее уникальные преимущества в реальные приложения.

*Микроконтроллеры MSP430 с технологией CapTIvate предоставляют наиболее интегрированное и автономное решение для емкостного сенсорного управления на рынке с высокой надежностью и устойчивостью к помехам при минимальном энергопотреблении. Технология емкостного сенсорного управления от TI поддерживает одновременное использование электродов самоемкости и взаимной емкости в одном и том же дизайне для максимальной гибкости. *

Функциональная схема от Texas Instruments

ST Microelectronics STM32H753BIT6

STM32H753BIT6 микроконтроллер предназначен для вычислений на периферии и построен на основе 32-битного ядра ARM Cortex M7 с частотой 480 МГц с 2M x 8 Flash памяти. Этот МК также включает в себя встроенный датчик температуры, что делает его полезным в приложениях для умного дома или промышленности. Ядро Cortex-M7 оснащено блоком с плавающей точкой (FPU), поддерживающим инструкции и типы данных для обработки данных с одинарной и двойной точностью, соответствующие стандарту IEEE 754. Эти устройства поддерживают полный набор инструкций DSP и включают блок защиты памяти (MPU) для повышения безопасности. Этот микроконтроллер также идеально подходит для устройств IoT, предназначенных для выполнения алгоритмов машинного обучения для анализа данных:

STM32Cube.AI - это пакет расширения широко используемого инструмента конфигурации и генерации кода STM32CubeMX, который позволяет картографировать и запускать предварительно обученные искусственные нейронные сети (ANN) на микроконтроллерах STM32 на основе Arm^® Cortex^®-M.

Матрица шин STM32H753xI из технического описания

Встроенные вычисления в IoT и других областях применения будут продолжать развиваться, и вы можете максимизировать производительность вашей следующей системы с помощью правильного микроконтроллера или другого программируемого логического устройства. Начните ваш поиск с некоторых наших рекомендаций!

Мы надеемся, что вы нашли эту статью полезной! Если вы хотите получать подобный контент на свой почтовый ящик, подпишитесь на нашу ежемесячную рассылку!