Thiết bị Logic Lập trình cho Tính toán Nhúng và IoT

Được phát triển lần đầu vào những năm 1960 cho ngành hàng không vũ trụ và quân sự, hệ thống máy tính nhúng tiếp tục hỗ trợ các ứng dụng mới thông qua nhiều cải tiến về tính năng và cải thiện tỷ lệ chi phí so với hiệu suất của vi điều khiển và thiết bị lập trình logic. Ngày nay, hệ thống máy tính nhúng điều khiển các thiết bị hàng ngày mà chúng ta thường không nghĩ đến là “máy tính”: máy ảnh số, ô tô, đồng hồ thông minh, thiết bị gia dụng và thậm chí cả quần áo thông minh. Những hệ thống máy tính nhúng này thường được tìm thấy trong các ứng dụng tiêu dùng, công nghiệp, ô tô, y tế, thương mại và quân sự.

Không giống như máy tính đa năng, hệ thống điều khiển nhúng thường được thiết kế để thực hiện các nhiệm vụ cụ thể. Nhiệm vụ của nhà thiết kế hệ thống máy tính nhúng là xác định bộ phận nào sẽ thực hiện các yêu cầu về chức năng, hiệu suất, khả năng sử dụng và độ tin cậy của hệ thống, thường trong các ràng buộc về chi phí và thời gian phát triển chặt chẽ. Do đó, việc lựa chọn một vi điều khiển và các đặc tính của nó, bao gồm khả năng xử lý dữ liệu, tốc độ, các thiết bị ngoại vi và tiêu thụ năng lượng, là một trong những khía cạnh sớm nhất và quan trọng nhất của thiết kế hệ thống.

Một phần trách nhiệm của nhà thiết kế bao gồm việc nhận thức về xu hướng trong ngành cụ thể của họ và tận dụng các thành phần và kỹ thuật liên quan. Hãy tìm ví dụ trong số các ngành hàng đầu cho ứng dụng vi điều khiển, Internet vạn vật.

IoT là gì?

Internet vạn vật (IoT) thường được định nghĩa là “sự mở rộng của kết nối Internet đến các vật thể và thiết bị vật lý”. Các thiết bị IoT có thể giao tiếp và tương tác với nhau qua Internet hoặc trực tiếp qua một giao thức không dây, và chúng có thể được giám sát và điều khiển từ xa. Các thiết bị IoT trên thị trường tiêu dùng thường liên quan đến các sản phẩm cho phép ngôi nhà thông minh, ví dụ, thiết bị gia dụng, đèn, bộ điều chỉnh nhiệt độ, hệ thống an ninh nhà và camera. Lớp sản phẩm mới nhất có thể được điều khiển từ điện thoại thông minh hoặc các thiết bị kết nối đám mây khác.

Ví dụ về bộ điều khiển khóa thông minh IoT. Danh tính của người dùng, được truyền đến Đám mây qua điện thoại thông minh, được xác thực và lệnh được xử lý. Điện thoại thông minh điều khiển hoạt động Khóa Thông minh (mở/khóa) qua Bluetooth.

Các thiết bị IoT có một số thành phần chính chung. Ngoài vi điều khiển, bộ nhớ nhúng và quản lý năng lượng, những thiết bị này thường bao gồm một số cảm biến và bộ điều khiển với các thành phần điều kiện tín hiệu trong một gói duy nhất. Mạch truyền thông cần thiết để thiết bị chuyển dữ liệu đến và từ bộ xử lý mạng địa phương và/hoặc tài nguyên điện toán đám mây thường được bao gồm trong vi điều khiển được thiết kế cho các ứng dụng IoT.

Thách thức Thiết kế cho Thiết bị IoT Thế hệ Tiếp theo

Thiết bị IoT đang trở nên phổ biến trong các ứng dụng công nghiệp, tiêu dùng, y tế và nông nghiệp. Khi chúng trở nên đa dạng và giàu tính năng hơn, nhà phát triển hệ thống nhúng sẽ tiếp tục đối mặt với các thách thức thiết kế sau:

• An ninh: Đây là mối quan tâm lớn nhất trong việc áp dụng công nghệ IoT. Cụ thể, khi việc sử dụng thiết bị IoT trở nên phổ biến hơn, các cuộc tấn công mạng có khả năng trở thành mối đe dọa ngày càng phổ biến.

• Thời lượng pin và Thời gian hoạt động: Một phần lớn thiết bị IoT hoạt động bằng pin. Khi những thiết bị này trở nên giàu tính năng hơn, nhu cầu về năng lượng của chúng tăng lên, đòi hỏi phải có pin lớn hơn hoặc các kế hoạch quản lý năng lượng tốt hơn.

• Phi tập trung: Kiến trúc đám mây truyền thống cung cấp xử lý tập trung cho các ứng dụng trong các trung tâm dữ liệu dựa trên đám mây. Khoảng cách giữa trung tâm dữ liệu và thiết bị IoT có thể làm tăng độ trễ, điều này chứng tỏ quá chậm đối với các quy trình làm việc thời gian thực. Ngược lại, tính toán tại biên cho phép thiết bị IoT đưa ra quyết định thông minh và phản hồi ngay lập tức với các kích thích bên ngoài. Điều này cũng mang lại lợi ích về quyền lợi dữ liệu của người dùng, vì dữ liệu cá nhân được phân tích trước và cung cấp cho nhà cung cấp dịch vụ với mức độ giải thích cao hơn.

Vi điều khiển cho Tính toán Nhúng với Thiết bị IoT

Thiết bị IoT được thiết kế để có giá thành rẻ, do đó vi điều khiển cần được chọn sao cho khả năng của nó không bị lãng phí bởi ứng dụng. Các thông số kỹ thuật của vi điều khiển quyết định phần nào tốt nhất cho ứng dụng của bạn là:

• Độ sâu bit: Độ rộng của bộ đăng ký và đường dẫn dữ liệu ảnh hưởng đến tốc độ và độ chính xác mà vi điều khiển có thể thực hiện các phép tính không đơn giản.

• Bộ nhớ: Lượng RAM và Flash trong một vi điều khiển quyết định kích thước và độ phức tạp của mã mà linh kiện có thể hỗ trợ với tốc độ đầy đủ. Bộ nhớ lớn có diện tích die và chi phí linh kiện lớn hơn.

• GPIO: Đây là các chân của vi điều khiển được sử dụng để kết nối với cảm biến và bộ điều khiển trong hệ thống. Chúng thường chia sẻ chức năng của mình với các ngoại vi khác của vi điều khiển, như truyền thông nối tiếp, bộ chuyển đổi A/D và D/A.

• Mức tiêu thụ năng lượng: Mức tiêu thụ năng lượng cực kỳ quan trọng đối với các thiết bị hoạt động bằng pin và nó thường tăng lên với tốc độ và kích thước bộ nhớ của vi điều khiển.

Cypress Semiconductor, CY8C6246BZI-D04

Vi điều khiển lập trình được hệ thống trên chip (PSoC) 6 CY8C6246BZI-D04 được thiết kế đặc biệt cho IoT và nhắm đến việc tăng cường an ninh. Lấp đầy khoảng trống giữa các bộ xử lý ứng dụng đắt tiền, tiêu thụ năng lượng cao và các MCU hiệu suất thấp. Kiến trúc MCU PSoC 6 tiêu thụ năng lượng cực thấp cung cấp hiệu suất xử lý cần thiết cho các sản phẩm IoT mới. An ninh được tích hợp thông qua một môi trường thực thi đáng tin cậy dựa trên phần cứng (TTE) với lưu trữ dữ liệu an toàn.

Kiến trúc MCU PSoC 6 được xây dựng trên công nghệ quy trình 40-nm tiên tiến, tiêu thụ năng lượng cực thấp với kiến trúc lõi kép Arm^® Cortex^®-M. Mức tiêu thụ năng lượng hoạt động chỉ từ 22-μA/MHz cho lõi M4, và 15-μA/MHz cho lõi M0+. Cypress cũng cung cấp một bộ phát triển để lập trình CY8C6246BZI-D04:

PSoC Programmer 3.26.0 cung cấp hỗ trợ lập trình và gỡ lỗi cho dòng sản phẩm PSoC 6 mới nhất của Cypress thông qua cả PSoC Programmer và PSoC Creator. Nó hỗ trợ lập trình và gỡ lỗi các thiết bị PSoC 6 qua các giao diện SWD và JTAG.

Kiến trúc MCU PSoC 6 từ Cypress Semiconductor

Texas Instruments, MPS430FR2676 CapTIvate^™

MPS430FR2676 là một vi điều khiển cảm ứng dung lượng cực thấp MSP430^™ với 64KB FRAM, 8KB SRAM, 43 IO, và một ADC 12-bit. Dòng công nghệ CapTIvate là lý tưởng cho các thiết bị IoT với các nút, thanh trượt, bánh xe, và chức năng tiệm cận. FRAM, hay bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên ferroelectric, là một công nghệ bộ nhớ kết hợp tính không dễ bay hơi của Flash và tính linh hoạt và tiêu thụ điện năng thấp của SRAM. Công nghệ bộ nhớ đã được chứng minh này được tích hợp trong các vi điều khiển cực thấp điện năng MSP430 (MCUs) để mang lại những lợi ích độc đáo cho các ứng dụng thực tế.

*MSP430 MCUs với công nghệ CapTIvate cung cấp giải pháp cảm ứng dung lượng tự động và tích hợp nhất trên thị trường với độ tin cậy cao và khả năng chống nhiễu tốt nhất ở mức công suất thấp nhất. Công nghệ cảm ứng dung lượng của TI hỗ trợ các điện cực tự dung lượng và dung lượng tương hỗ cùng một lúc trên cùng một thiết kế để tối đa hóa tính linh hoạt. *

Sơ đồ khối chức năng từ Texas Instruments

ST Microelectronics STM32H753BIT6

STM32H753BIT6 vi điều khiển được thiết kế cho tính toán biên và được xây dựng trên nền tảng lõi ARM Cortex M7 32-BIT 480 MHz với bộ nhớ Flash 2M x 8. Vi điều khiển này thậm chí còn bao gồm cảm biến nhiệt độ tích hợp, làm cho nó hữu ích trong các ứng dụng nhà thông minh hoặc công nghiệp. Lõi Cortex-M7 có đơn vị xử lý số học dấu phẩy động (FPU) hỗ trợ các chỉ thị và kiểu dữ liệu xử lý dữ liệu đơn và đôi chính xác tuân thủ IEEE 754. Những thiết bị này hỗ trợ một bộ đầy đủ các chỉ thị DSP và bao gồm một đơn vị bảo vệ bộ nhớ (MPU) để cải thiện bảo mật. Vi điều khiển này cũng lý tưởng cho các thiết bị IoT được thiết kế để chạy các thuật toán học máy để phân tích dữ liệu:

Gói mở rộng STM32Cube.AI của công cụ cấu hình và tạo mã STM32CubeMX được sử dụng rộng rãi cho phép khả năng ánh xạ và chạy các Mạng Nơ-ron Nhân tạo (ANN) đã được huấn luyện trước trên các vi điều khiển dựa trên ARM^® Cortex^®-M của STM32.

Ma trận bus STM32H753xI từ bảng dữ liệu

Việc tích hợp máy tính trong IoT và các lĩnh vực ứng dụng khác sẽ tiếp tục phát triển, và bạn có thể tối đa hóa hiệu suất của hệ thống tiếp theo với vi điều khiển phù hợp hoặc thiết bị logic lập trình khác. Hãy bắt đầu tìm kiếm với một số gợi ý của chúng tôi!

Chúng tôi hy vọng bạn thấy bài viết này hữu ích! Nếu bạn muốn nhận nội dung như thế này gửi vào hộp thư của mình, đăng ký nhận bản tin hàng tháng của chúng tôi!