Przyspiesz rozwój wbudowanych systemów bezprzewodowego Internetu rzeczy dzięki gotowej, opartej na Linuxie wielordzeniowej platformie do systemów wbudowanych

Zaawansowane przemysłowe, medyczne, transportowe i rolnicze zastosowania Internetu rzeczy (IoT) wymagają bardziej złożonych projektów systemów wbudowanych. W takich sytuacjach programiści nie mają większego wyboru i muszą budować niestandardowe płytki, aby spełnić wymagania dotyczące wydajności, łączności i urządzeń peryferyjnych, pomimo napiętych harmonogramów i kurczących się budżetów. Nawet jeśli płytki te są dostępne od ręki, ich parametry, moc, rozmiar, forma i zestaw funkcji mogą wykluczać ich zastosowanie.

W czasach wszechobecnego Internetu rzeczy i przemysłowego Internetu rzeczy (IIoT) nawet najbardziej produktywne zespoły ds. niestandardowych prac rozwojowych stoją w miejscu ze względu na lokalne wymogi w zakresie certyfikacji podsystemów bezprzewodowych, które spowalniają dostawy i ograniczają możliwości rynkowe.

W poniższym artykule omówiono problem produkcji oraz zakupu płytek wbudowanych z funkcjami bezprzewodowymi. Następnie przedstawiono gotową platformę rozwojową firmy Digi, która zapewnia kompleksowe środowisko programistyczne i zoptymalizowaną platformę sprzętową z wstępnie certyfikowanymi modułami bezprzewodowymi. Przedstawiono również sposób wykorzystania zestawu, by wesprzeć programistów w szybkim i prostym dostarczaniu mocniejszych rozwiązań w zakresie połączonych systemów wbudowanych.

Produkcja a zakup - płytki wbudowane

Twórcy systemów wbudowanych muszą mierzyć się z tym, że oczekiwania użytkowników końcowych i presja konkurencji nadal napędzają popyt na produkty o większej funkcjonalności, dostarczane na rynek w krótszym czasie. Użytkownicy domagają się systemów, które łatwiej podłączyć i które są prostsze w obsłudze i konserwacji. W rezultacie deweloperzy stają przed coraz większymi wyzwaniami na wielu frontach. W przypadku łączności bezprzewodowej rozwiązania bezprzewodowe bliskiego i dalekiego zasięgu wiążą się z wymaganiami w zakresie certyfikacji projektów. Zapewnienie odpowiednich możliwości wyświetlacza zwiększa złożoność projektu i koszty. Natomiast konieczność zapewnienia ciągłej niezawodności i długoterminowej dostępności tych systemów stawia przed programistami wyzwania polegające na znalezieniu rozwiązań, które wytrzymają trudne warunki, a także będą działać przy wydłużonym cyklu użytkowania, co często spotyka się w zastosowaniach przemysłowych lub medycznych.

W niektórych zastosowaniach odpowiednie rozwiązanie zależy w znacznym stopniu od niestandardowego podejścia projektowego, które ma na celu optymalizację każdego podsystemu pod kątem spełnienia wymagań. Coraz częściej jednak gotowe rozwiązania projektowe zapewniają platformy, które można łatwo rozbudować, aby sprostać unikalnym wymaganiom szerokiego wachlarza obszarów zastosowań. Jednak czasami decyzję o budowie niestandardowych rozwiązań lub zakupie gotowych systemów zespoły programistów podejmują wyłącznie na podstawie kosztów rozwoju, obliczając, że zbudowanie niestandardowego projektu od podstaw będzie kosztowało mniej niż zakup gotowego projektu.

Ale może również okazać się, że inne kwestie, w tym certyfikacja bezprzewodowa, dostępność, łatwość utrzymania i inne kwestie związane z cyklem użytkowania mogą zwiększyć ogólne koszty. Opóźnienie we wdrożeniu niestandardowego projektu na szybko rozwijającym się rynku może jeszcze bardziej zmniejszyć udział w rynku i czas wymagany do osiągnięcia zysków, co ostatecznie ograniczy rentowność nowego produktu.

Zestaw rozwojowy CC-WMX8MN-KIT ConnectCore 8M Nano firmy Digi rozwiązuje te problemy, stanowiąc skuteczną alternatywę dla niestandardowych prac rozwojowych i zapewniając gotową platformę spełniającą wymagania w zakresie wydajności i kosztów w szerokim zakresie zastosowań (ilustracja 1).

Ilustracja 1: zestaw rozwojowy CC-WMX8MN-KIT ConnectCore 8M Nano firmy Digi zapewnia wszystko, co jest potrzebne do rozpoczęcia pracy nad połączonymi systemami zdolnymi sprostać rosnącym wymaganiom w zakresie projektowania HMI, przetwarzania audio/wideo, systemów przetwarzania brzegowego i uczenia maszynowego. (Źródło ilustracji: Digi)

Jak gotowe rozwiązanie spełnia różnorodne wymagania funkcjonalne

Zestaw rozwojowy CC-WMX8MN-KIT ConnectCore 8M Nano firmy Digi zapewnia kompleksową platformę sprzętową zaprojektowaną w celu skrócenia czasu opracowywania i wprowadzania systemów na rynek. Korzystając z tego zestawu, programiści mogą z łatwością wdrożyć systemy, które można skalować do obsługi tak różnorodnych zastosowań, jak projektowanie interfejsów człowiek-maszyna (HMI), przetwarzanie audio/wideo, systemy przetwarzania brzegowego, uczenie maszynowe i wiele innych. Poza płytką rozwojową ConnectCore 8M Nano firmy Digi, zestaw zawiera również antenę dwuzakresową, kabel portu konsoli oraz zasilacz, dzięki czemu programiści mogą natychmiast rozpocząć tworzenie połączonych zastosowań.

Tak jak w przypadku innych zestawów CoreConnect firmy Digi, zestaw rozwojowy ConnectCore 8M Nano wykorzystuje wysoce zintegrowane rozwiązania typu system-on-module (SoM) firmy Digi. Rozwiązania typu SOM ConnectCore firmy Digi opierają się na procesorach serii i.MX firmy NXP Semiconductors. Poza innymi funkcjami wymaganymi w typowych zastosowaniach wbudowanych, integrują one możliwości w zakresie multimediów, zabezpieczeń, łączności przewodowej i wstępnie certyfikowanej łączności bezprzewodowej. W połączeniu z rozległym środowiskiem programistycznym rozwiązania typu SoM upraszczają tworzenie systemów wbudowanych, umożliwiając producentom dostarczanie bardziej zaawansowanych produktów szybciej i przy mniejszym ryzyku, niż jest to zazwyczaj możliwe w przypadku niestandardowych rozwiązań sprzętowych.

Ilustracja 2: rozwiązania SoM firmy Digi pracują na wielordzeniowych procesorach i.MX 8M Nano firmy NXP i integrują możliwości w zakresie pamięci, opcji łączności, zabezpieczeń i zarządzania energią wymagane w typowych projektach systemów wbudowanych. (Źródło ilustracji: Digi)

W ramach swoich podsystemów SoM integruje również urządzenie zabezpieczające CryptoAuthentication firmy Microchip Technology, które stanowi uzupełnienie zabezpieczeń TrustZone rdzeni Arm Cortex-A53. Urządzenie CryptoAuthentication łączy w sobie dedykowany procesor kryptograficzny, wysokiej jakości generator liczb losowych i chronioną pamięć masową do szybkiego bezpiecznego wykonywania algorytmów haszu i infrastrukturę klucza publicznego (PKI).

Wbudowane opcje łączności w SoM obsługują gigabitowy Ethernet (GbE), a także certyfikowane wcześniej Wi-Fi 802.11 a/b/g/n/ac oraz Bluetooth 5. Aby sprostać wymaganiom rozległej sieci komputerowej programiści mogą dodać opcje połączeń komórkowych i innych opcji połączeń po prostu łącząc moduły komórkowe XBEE firmy Digi z zestawem złączy kompatybilnych z XBEE na płytce CC-WMX8MN-KIT.

Wraz z pełnym zestawem standardowych interfejsów peryferyjnych, SoM obsługuje wiele interfejsów multimedialnych obsługujących dźwięk, kamery i wyświetlacze. Zintegrowany procesor graficzny i kontroler interfejsu wyświetlacza ciekłokrystalicznego (LCDIF) pozwala programistom na łatwe dodanie opcjonalnego panelu LCD, takiego jak CC-ACC-LCDW-10 firmy Digi i szybkie rozpoczęcie tworzenia projektów HMI dla wbudowanych zastosowań.

Zarządzanie energią w projektach opartych na zaawansowanych procesorach

Zarządzanie energią w złożonym, wbudowanym systemie może być znacznym wyzwaniem, szczególnie gdy projekt systemu zawiera zaawansowany procesor taki jak i.MX 8M Nano firmy NXP. Podobnie jak inne procesory tej klasy, i.MX 8M Nano firmy NXP grupuje wiele różnych podsystemów w osobne domeny zasilania dla swoich procesorów rdzeniowych (VDD_ARM i VDD_SOC), GPU (VDD_GPU), pamięci (VDDD_DRAM, NVCC_DRAM), bezpiecznej pamięci nieulotnej (NVCC_SNVS_1P8, VDDD_SNVS_0P8) i kilku innych. Programiści muszą nie tylko zapewnić odpowiednie szyny zasilające dla każdej domeny, ale także zadbać o dostarczanie (i odłączanie) energii dla każdej domeny w określonej sekwencji czasowej (Ilustracja 3).

Ilustracja 3: podobnie jak w przypadku większości zaawansowanych procesorów, NXP i.MX 8M Nano partycjonuje swoje podsystemy w oddzielnych domenach zasilania, które wymagają, aby podczas uruchamiania ich poszczególne szyny zasilające były włączane w określonej kolejności. (Źródło ilustracji: NXP Semiconductor)

ConnectCore i.MX 8M Nano SoM firmy Digi wymaga tylko dwóch wejść zasilania i używa układu scalonego zarządzania energią (PMIC) BD71850MWV firmy ROHM Semiconductors do dostarczania wielu poziomów napięcia zasilania wymaganych przez procesor i.MX 8M Nano i inne urządzenia. Zaprojektowany specjalnie do obsługi procesora i.MX 8M Nano firmy NXP, układ BD71850MWV firmy ROHM łączy w sobie wiele regulatorów obniżających i regulatorów LDO, dostarczając kompletny zestaw szyn zasilających z głównego zasilania VSYS 5V (ilustracja 4).

Ilustracja 4: zaprojektowany specjalnie do zasilania procesora i.MX 8M Nano firmy NXP, układ PMIC BD71850MWV firmy ROHM stanowi kompletny zestaw szyn zasilających wymaganych przez procesor, jak również innych urządzeń w typowym projekcie systemu wbudowanego. (Źródło ilustracji: ROHM Semiconductor)

Chociaż układ BD71850MWV zarządza szczegółowymi sekwencjami włączania i wyłączania wymaganymi przez procesor, firma Digi dodaje kolejny poziom kontroli zaprojektowany w celu optymalizacji ogólnego zużycia energii i utrzymania niezawodności systemu. Moduł SoM posiada wbudowany mikrokontroler asystujący (MCA) firmy Digi, który wykorzystuje dedykowany mikrokontroler MCU Kinetis KL17 MKL17Z64VDA4 firmy NXP do zarządzania energią na poziomie systemu. Mikrokontroler MCU Kinetis KL17 firmy NXP, oparty na rdzeniu Cortex-M0+ Arm o ultraniskim zużyciu energii, pobiera tylko 46μA na 1 MHz w trybie pracy przy bardzo małej mocy oraz 1,68μA w trybie zatrzymania, gdzie utrzymuje funkcję pamięci i czasu rzeczywistego (RTC).

Zaprojektowany tak, aby pozostawał aktywny nawet wtedy, gdy system znajduje się w trybie uśpienia, mikrokontroler asystujący MCA pozwala na działanie aktualizowanego oprogramowania układowego na mikrokontrolerze MCU KL17, zapewniając kilka możliwości wybudzenia procesora systemowego i.MX 8M Nano firmy NXP. Na przykład: firma Digi ustawia domyślnie funkcję, która wyłącza zegar czasu rzeczywistego (RTC) procesora systemowego na rzecz funkcji zegara RTC o mniejszej mocy, wdrożonych w oprogramowaniu układowym mikrokontrolera asystującego MCA. Deweloperzy mogą korzystać z 12-bitowego przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC) mikrokontrolera asystującego MCA do monitorowania zdarzeń zewnętrznych i generowania przerw w celu wybudzenia procesora systemowego tylko w razie potrzeby. I odwrotnie, oprogramowanie układowe mikrokontrolera asystującego MCA wykorzystuje trzy wielokanałowe kontrolery z modulacją częstotliwości impulsów (PWM) do operacji zewnętrznych. Aby zapewnić ogólną niezawodność systemu, oprogramowanie układowe mikrokontrolera asystującego MCA oferuje również funkcję układu czasowego w układzie nadzorującym, która resetuje cały system lub tylko procesor systemowy, jeśli oprogramowanie uruchomione na tym procesorze zawiesi się lub w inny sposób nie będzie wykonywać zwyczajowej konserwacji układu czasowego w układzie nadzorującym podczas normalnego działania oprogramowania.

Podczas uruchamiania systemu, mikrokontroler asystujący MCA zaczyna działać, gdy tylko otrzyma zasilanie. Po zaprogramowanym opóźnieniu, mikrokontroler asystujący MCA uruchamia z kolei układ scalony zarządzania zasilaniem (PMIC) BD71850MWV, który wykonuje opisaną wcześniej sekwencję włączania procesora i.MX 8M Nano. Reset systemu lub przejście ze stanów uśpienia o niskim poborze mocy działa w taki sam sposób, jak mikrokontroler asystujący MCA koordynujący przywracanie zasilania z układem scalonym zarządzania zasilaniem (PMIC) i procesorem.

Gotowe do produkcji, wbudowane środowisko programistyczne Linux

Zestaw rozwojowy CC-WMX8MN-KIT firmy Digi wykorzystuje rozległą bazę sprzętową do stworzenia gotowego do produkcji środowiska programistycznego wykorzystującego Digi Embedded Yocto (DEY) typu open source. DEY bazuje na popularnej, wbudowanej dystrybucji Linuxa pod marką Yocto Project i rozszerza podstawową dystrybucję o dodatkowe możliwości pakietu pomocy technicznej dla płyt głównych (BSP) zaprojektowanego specjalnie do obsługi platformy sprzętowej Digi (ilustracja 5).

Ilustracja 5: Digi Embedded Yocto rozszerza podstawową dystrybucję Linuxa pod marką Yocto Project o pakiet pomocy technicznej dla płyt głównych (BSP - Board Support Packages) dla sprzętu Digi. (Źródło ilustracji: Digi)

Wśród rozszerzeń BSP dla jądra Linuxa, TrustFence firmy Digi zapewnia strukturę zabezpieczeń dla urządzeń Linux. Wykorzystując swoje możliwości uwierzytelniania i zarządzania tożsamościami, TrustFence oferuje usługi od niskopoziomowej kontroli dostępu do wewnętrznych i zewnętrznych portów wejścia-wyjścia po wysokopoziomową obsługę bezpiecznych połączeń sieciowych i bezpieczne uruchamianie przy użyciu zatwierdzonych obrazów oprogramowania układowego. Chociaż początkowo usługa TrustZone firmy Digi nie była obsługiwana przez moduł ConnectCore 8M Nano, będzie ona dostępna w przyszłym wydaniu DEY.

Oprócz stosowania zabezpieczeń i zarządzania na poziomie poszczególnych urządzeń, duże zastosowania IoT koniecznie potrzebują możliwości monitorowania i zarządzania flotami urządzeń IoT. Aby spełnić te wymagania, narzędzie Digi Remote Manager oferuje usługę opartą na chmurze, która umożliwia monitorowanie stanu urządzeń, zarządzanie konfiguracją i aktualizacje oprogramowania układowego. Korzystając z aplikacji mobilnej lub oprogramowania stacjonarnego, programiści mogą używać narzędzia Digi Remote Manager do wyświetlania szczegółów dotyczących działania floty urządzeń, w tym stanu floty, alarmów, statusu połączenia i siły sygnału (ilustracja 6).

Ilustracja 6: usługa Digi Remote Manager oparta na chmurze pozwala programistom na monitorowanie i zarządzanie wielkoskalowymi wdrożeniami Internetu rzeczy z poziomu komputera stacjonarnego lub urządzenia przenośnego. (Źródło ilustracji: Digi)

Oprócz możliwości monitorowania, Digi Remote Manager pozwala programistom na bardziej aktywne zarządzanie danymi, połączeniami i oprogramowaniem urządzeń w sposób interaktywny z wykorzystaniem wiersza poleceń lub korzystając z interfejsów programowania aplikacji (API) usługi. Korzystając z tych możliwości, programiści mogą restartować urządzenia i przesyłać pliki, łatwo wykonując masowe aktualizacje oprogramowania układowego i oprogramowania w całej flocie, które są wymagane przy typowych projektach połączonych urządzeń, ale często stanowią wyzwanie logistyczne we wdrożeniach na dużą skalę.

Podsumowanie

Zapotrzebowanie na bardziej zaawansowane zastosowania w przemyśle, medycynie, transporcie i rolnictwie napędza popyt na bardziej złożone projekty systemów wbudowanych zorientowanych na IoT. Lokalne wymagania certyfikacyjne dla związanych z nimi podsystemów bezprzewodowych są skomplikowane i spowalniają projektowanie.

Zestaw rozwojowy firmy Digi jest odpowiedzią na te problemy i zapewnia kompleksowe środowisko programistyczne i zoptymalizowaną platformę sprzętową z wstępnie certyfikowanymi modułami bezprzewodowymi. Jak wykazano powyżej, zestaw pozwala deweloperom na łatwiejsze i szybsze dostarczanie potężnych rozwiązań dla systemów wbudowanych.