EUR | USD

Snelheid ingebedde draadloze IoT-ontwikkeling met een standaard ingebed Linux Multicore-platform

Door Stephen Evanczuk

Bijgedragen door De Noord-Amerikaanse redacteurs van Digi-Key

Geavanceerde industriële, medische, transport- en landbouwtoepassingen van het Internet of Things (IoT) vereisen complexere ingebedde systeemontwerpen. In dergelijke situaties hadden de ontwikkelaars weinig andere keuze dan het bouwen van aangepaste borden om te voldoen aan de prestaties, de connectiviteit en de vereisten van de periferie, ondanks het feit dat ze geconfronteerd werden met krappere schema's en krimpende budgetten. Hoewel kant-en-klare borden beschikbaar kunnen zijn, hebben prestaties, kracht, grootte, vormfactor en functiemix het gebruik ervan uitgesloten.

In een tijdperk van alomtegenwoordig IoT en industrieel IoT (IIoT) zijn echter zelfs de meest productieve aangepaste ontwikkelingsteams vertraagd door regionale certificeringsvereisten voor draadloze subsystemen die de levering hebben vertraagd en de marktkansen hebben uitgehold.

Dit artikel bespreekt het probleem van maken versus (vs) kopen voor draadloos geactiveerde ingebedde borden. Het introduceert vervolgens een kant-en-klaar ontwikkelplatform van Digi dat een uitgebreide software-omgeving en een geoptimaliseerd hardware-platform met voorgecertificeerde draadloze modules biedt. Het artikel laat zien hoe de kit kan worden gebruikt om ontwikkelaars te helpen snel en eenvoudig krachtigere aangesloten ingebedde systeemoplossingen te leveren.

Maken vs. kopen voor ingebedde bordontwikkeling

Voor ingebedde systeemontwikkelaars blijven de verwachtingen van de eindgebruiker en de concurrentiedruk de vraag naar producten met een grotere functionaliteit die in krimpende time-to-market-vensters worden geleverd, stimuleren. Gebruikers dringen aan op systemen die eenvoudiger aan te sluiten, te gebruiken en te onderhouden zijn. Als gevolg daarvan worden ontwikkelaars op een aantal fronten voor steeds grotere uitdagingen gesteld. Voor draadloze connectiviteit brengen korte- en lange-afstands draadloze oplossingen de bijbehorende eisen voor certificering van hun ontwerpen met zich mee; de implementatie van geschikte displaymogelijkheden voegt ontwerpcomplexiteit en kosten toe; en het garanderen van voortdurende betrouwbaarheid en beschikbaarheid op lange termijn van deze systemen daagt ontwikkelaars uit om oplossingen te vinden die bestand zijn tegen zware omstandigheden en die ook beschikbaar blijven voor de verlengde levensduur die vaak wordt aangetroffen in industriële of medische toepassingen.

Voor sommige toepassingen hangt een geschikte oplossing sterk af van een aangepaste ontwerpbenadering om elk subsysteem te optimaliseren om aan de eisen te voldoen. Steeds vaker bieden kant-en-klare ontwerpoplossingen echter een platform dat gemakkelijk kan worden uitgebreid om de unieke eisen van een breed scala aan toepassingsgebieden te ondersteunen. Toch benaderen ontwikkelingsteams soms de beslissing om maatwerkoplossingen te bouwen vs. het kopen van voorgeconstrueerde systemen puur in termen van ontwikkelingskosten, waarbij berekend wordt dat het bouwen van een maatwerkontwerp van de grond af aan minder kost dan het kopen van een kant-en-klaar ontwerp.

In feite kunnen ontwikkelingsteams vaststellen dat andere overwegingen, zoals draadloze certificering, beschikbaarheid, onderhoudbaarheid en andere kwesties met betrekking tot de levenscyclus, de totale kosten kunnen verhogen. In een snel veranderende markt kan de vertraging die nodig is om een op maat gemaakt ontwerp te implementeren, het marktaandeel en de tijd die nodig is voor de omzet verder uithollen, waardoor de winstgevendheid van een nieuw product uiteindelijk wordt beperkt.

Om deze problemen aan te pakken, biedt Digi's CC-WMX8MN-KIT ConnectCore 8M Nano ontwikkelingskit een effectief alternatief voor aangepaste ontwikkeling, en biedt een kant-en-klaar platform dat kan voldoen aan de eisen voor prestaties en kosten in een breed scala van toepassingen (Afbeelding 1).

Afbeelding van Digi CC-WMX8MN-KIT ConnectCore 8M Nano ontwikkelingskit Afbeelding 1: De Digi CC-WMX8MN-KIT ConnectCore 8M Nano ontwikkelingskit biedt alles wat nodig is om te beginnen met het ontwikkelen van aangesloten systemen die kunnen voldoen aan de groeiende eisen voor HMI-ontwerp, audio/video-verwerking, edge computing en machinaal leren. (Bron afbeelding: Digi))

Hoe een kant-en-klare oplossing tegemoet komt aan uiteenlopende functionele eisen

De Digi CC-WMX8MN-KIT ConnectCore 8M Nano ontwikkelingskit biedt een uitgebreid hardware-platform dat is ontworpen om de ontwikkelingstijd en de time-to-market van systemen te verkorten. Met behulp van deze kit kunnen ontwikkelaars eenvoudig systemen implementeren die op grote schaal toepassingen ondersteunen die zo gevarieerd zijn als mens-machine-interface (HMI), audio/videoverwerking, edge computing, machinaal leren en meer. Samen met het Digi ConnectCore 8M Nano ontwikkelingsbord bevat de kit een dual-band antenne, een console-poortkabel en een voeding, zodat ontwikkelaars direct kunnen beginnen met het maken van aangesloten applicaties.

Net als bij andere Digi CoreConnect ontwikkelingskits, maakt de ConnectCore 8M Nano ontwikkelingskit gebruik van Digi's sterk geïntegreerde system-on-module (SoM) oplossingen. Gebaseerd op leden van NXP Semiconductor's familie van i.MX processors, Digi's ConnectCore SOM's integreren mogelijkheden voor multimedia, beveiliging, bekabelde connectiviteit en voorgecertificeerde draadloze connectiviteit, naast andere functies die nodig zijn voor typische ingebedde applicaties. In combinatie met een uitgebreide software-omgeving vereenvoudigen deze SoM's de ontwikkeling van ingebedde systemen, waardoor productfabrikanten sneller en met minder risico's meer geavanceerde producten kunnen leveren dan normaal gesproken mogelijk is met een aangepaste hardware-aanpak.

Voor de CC-WMX8MN-KIT ontwikkelkit combineert een Digi SOM de mogelijkheden van NXP's i.MX 8M Nano processor gebaseerd op quad Arm® Cortex®-A53 en Arm Cortex-M7 kernen met maximaal 8 gigabyte (GB) Flash, maximaal 1 GB laag vermogen dubbele datarate (LPDDR) dynamisch random-access geheugen (DRAM), en een array van extra subsystemen (Afbeelding 2).

Afbeelding van Digi SoM op basis van NXP's i.MX 8M Nano multicore processorAfbeelding 2: Gebaseerd op NXP's i.MX 8M Nano multicore processor, integreert een Digi SoM het geheugen, de connectiviteitsopties, de beveiliging en de mogelijkheden voor energiebeheer die nodig zijn in typische ingebedde systeemontwerpen. (Bron afbeelding: Digi))

Onder de subsystemen integreert de SoM een beveiligingsapparaat van Microchip Technology's CryptoAuthenticatie die de TrustZone beveiligingsfuncties van de Arm Cortex-A53-kernen aanvult. Het CryptoAuthenticatie-apparaat combineert een speciale cryptografische processor, een hoogwaardige random number generator en een beveiligde sleutelopslag voor het uitvoeren van snelle en veilige hash- en PKI-algoritmen (public-key infrastructuur).

De ingebouwde connectiviteitsopties van de SoM ondersteunen gigabit Ethernet (GbE) en vooraf gecertificeerde 802.11 a/b/g/n/ac Wi-Fi en Bluetooth 5. Om te voldoen aan de eisen van een breed netwerk, kunnen ontwikkelaars cellulaire en andere connectiviteitsopties toevoegen door eenvoudigweg Digi XBEE cellulaire modules aan te sluiten op de set XBEE-compatibele connectors van de CC-WMX8MN-KIT-kaart.

Samen met een volledige set van standaard randapparatuur interfaces, ondersteunt de SoM meerdere multimedia interfaces voor audio, camera en displays. Met een geïntegreerde grafische verwerkingseenheid en een LCDIF-controller (liquid crystal display interface) kunnen ontwikkelaars eenvoudig een optioneel LCD-paneel zoals de Digi CC-ACC-LCDW-10 toevoegen en snel beginnen met het maken van HMI-ontwerpen voor hun ingebedde toepassingen.

Beheer van kracht in ontwerpen op basis van geavanceerde processoren

Het beheren van stroom in een complex ingebed systeem kan een grote uitdaging zijn, vooral wanneer een systeemontwerp een geavanceerde processor zoals de NXP i.MX 8M Nano integreert. Net als bij andere processors in deze klasse groepeert de NXP i.MX 8M Nano zijn vele verschillende subsystemen in afzonderlijke stroomdomeinen voor zijn kernprocessors (VDD_ARM en VDDD_SOC), GPU (VDD_GPU), geheugen (VDD_DRAM, NVCC_DRAM), beveiligde niet-vluchtige opslag (NVCC_SNVS_1P8, VDD_SNVS_0P8), en nog enkele andere. Ontwikkelaars moeten niet alleen voor elk domein de juiste stroomrails leveren, maar ook elk domein in een specifieke tijdvolgorde van stroom voorzien (en deze verwijderen) (Afbeelding 3).

Afbeelding van NXP i.MX 8M Nano partities zijn subsystemenAfbeelding 3: Zoals bij de meeste geavanceerde processors, deelt de NXP i.MX 8M Nano zijn subsystemen in afzonderlijke voedingsdomeinen in die hun individuele voedingsspanningsrails in een specifieke volgorde moeten worden ingeschakeld bij het opstarten. (Bron afbeelding: NXP Semiconductor)

In feite heeft Digi's ConnectCore i.MX 8M Nano SoM slechts twee voedingsingangen nodig en gebruikt ROHM Semiconductor's BD71850MWV power management IC (PMIC) om de meervoudige voedingsspanningsniveaus te leveren die nodig zijn voor de i.MX 8M Nano-processor en andere apparaten. De ROHM BD71850MWV is speciaal ontworpen om de NXP i.MX 8M Nano-processor te ondersteunen en integreert meerdere buck-regelaars en low dropout (LDO) regelaars om een complete set stroomrails van een primaire VSYS 5 volt voeding te leveren (Afbeelding 4).

Diagram van ROHM BD71850MWV PMICAfbeelding 4: De ROHM BD71850MWV PMIC is speciaal ontworpen om de NXP i.MX 8M Nano-processor te leveren en biedt een complete set stroomrails die de processor nodig heeft, evenals andere apparaten in een typisch ingebed systeemontwerp. (Bron afbeelding: ROHM Semiconductor)

Hoewel de BD71850MWV de gedetailleerde inschakel- en uitschakelsequenties beheert die nodig zijn voor de processor, voegt Digi een extra niveau van controle toe dat is ontworpen om het totale stroomverbruik te optimaliseren en de betrouwbaarheid van het systeem te behouden. Geïntegreerd in de SoM maakt de Digi Microcontroller Assist (MCA) gebruik van een speciale NXP Kinetis KL17 MKL17Z64VDA4 microcontroller (MCU) voor energiebeheer op systeemniveau. De NXP Kinetis KL17 MCU, die gebaseerd is op de Cortex-M0+-kern met ultra-laag vermogen, verbruikt slechts 46 microampère (μA) per megahertz (MHz) in de modus voor zeer laag vermogen en 1,68 μA in de stopmodus, waar hij het geheugen en de real-time klokfunctie (RTC) in stand houdt.

De MCA is ontworpen om actief te blijven, zelfs als het systeem in de slaapstand staat, en voert de upgradebare firmware uit die op de KL17 MCU draait om verschillende opties voor het wekken van de NXP i.MX 8M Nano systeemprocessor te bieden. Digi stelt bijvoorbeeld een standaardinstelling in die de RTC van de systeemprocessor uitschakelt ten gunste van de RTC-functionaliteit met een lager vermogen die in de MCA-firmware is geïmplementeerd. Ontwikkelaars kunnen de 12-bits analoog-digitaal convertor (ADC) van de MCA gebruiken om externe gebeurtenissen te monitoren en een interrupt te genereren om de systeemprocessor alleen te wekken als dat nodig is. Omgekeerd implementeert de MCA-firmware drie meerkanaals pulsbreedtemodulatie (PWM)-controllers voor externe bewerkingen. Om de algehele betrouwbaarheid van het systeem te helpen garanderen, biedt de MCA-firmware ook watchdog-timerfunctionaliteit die het hele systeem reset of alleen de systeemprocessor als er software op die processor hangt, of anders niet het gebruikelijke watchdog-timeronderhoud uitvoert tijdens de normale uitvoering van de software.

Bij het opstarten van het systeem begint de MCA te draaien zodra deze stroom krijgt. Na een programmeerbare vertraging start de MCA op zijn beurt de BD71850MWV PMIC op, die de eerder beschreven i.MX 8M Nano power up reeks uitvoert. Het resetten van het systeem of de overgang van de spaarstand werkt op dezelfde manier als de MCA die het herstel van het vermogen coördineert met de PMIC en de processor.

Een productieklare ingebedde Linux-softwareomgeving

De Digi CC-WMX8MN-KIT ontwikkelingskit maakt gebruik van de uitgebreide hardware basis om een productieklare software-omgeving te bieden waarop de open source Digi Embedded Yocto (DEY) draait. Gebaseerd op de populaire ingebedde Linux-distributie van het Yocto-project, breidt DEY die basisdistributie uit met extra BSP-mogelijkheden (Board Support Package) die speciaal zijn ontworpen om het Digi-hardwareplatform te ondersteunen (Afbeelding 5).

Diagram van Digi Embedded YoctoAfbeelding 5: De Digi Embedded Yocto breidt de basislijn Yocto Project Linux-distributie uit met BSP-uitbreidingen (steunpakket voor het bord) voor Digi-hardware. (Bron afbeelding: Digi))

Onder de BSP-uitbreidingen van de Linux-kernel biedt Digi's TrustFence een beveiligingsraamwerk voor Linux-apparaten. Met behulp van de mogelijkheden voor authenticatie en identiteitsbeheer strekken de TrustFence-services zich uit van toegangscontrole op laag niveau van interne en externe I/O-poorten tot ondersteuning op hoog niveau voor veilige netwerkverbindingen en veilig opstarten met behulp van gevalideerde firmware-images. Hoewel de ConnectCore 8M Nano-module in eerste instantie niet wordt ondersteund, zal Digi TrustZone in een toekomstige versie van DEY beschikbaar zijn.

Naast het gebruik van beveiliging en beheer op het niveau van individuele apparaten, is het onvermijdelijk dat grootschalige IoT-toepassingen de mogelijkheid moeten hebben om de vloot van IoT-apparaten te controleren en te beheren. Om deze vereisten te ondersteunen, biedt Digi Remote Manager een cloud-gebaseerde dienst aan die ontworpen is om de gezondheidsbewaking van het apparaat, het configuratiebeheer en de firmware-updates te ondersteunen. Met behulp van een mobiele app of desktopsoftware kunnen ontwikkelaars Digi Remote Manager gebruiken om details over de werking van het machinepark weer te geven, zoals de gezondheid van het machinepark, waarschuwingen, verbindingsstatus en signaalsterkte (Afbeelding 6).

Afbeelding van Digi Remote Manager cloud-gebaseerde service (klik om te vergroten)Afbeelding 6: Met de Digi Remote Manager cloud-gebaseerde service kunnen ontwikkelaars grootschalige IoT-implementaties monitoren en beheren vanaf hun desktop of mobiele apparaat. (Bron afbeelding: Digi))

Naast de monitoringmogelijkheden kunnen ontwikkelaars met Digi Remote Manager gegevens, verbindingen en apparaatsoftware interactiever beheren via de commandoregel of programmatisch via de applicatieprogrammeringsinterfaces (API's) van de dienst. Met behulp van deze mogelijkheden kunnen ontwikkelaars apparaten herstarten en bestanden uploaden, waarbij ze gemakkelijk firmware- en software-updates voor het hele wagenpark kunnen uitvoeren die vereist zijn met de typische aangesloten apparaten, maar die vaak logistiek gezien een uitdaging vormen bij grootschalige implementaties.

Conclusie

De vraag naar meer geavanceerde toepassingen in industriële, medische, transport- en agrarische marktsegmenten drijft de vraag naar meer complexe IoT georiënteerde ingebedde systemen aan. Ook de regionale certificeringseisen voor bijbehorende draadloze subsystemen hebben de zaken gecompliceerd en de ontwerpen vertraagd.

Om de problemen aan te pakken, biedt een ontwikkelingskit van Digi een uitgebreide software-omgeving en een geoptimaliseerd hardware-platform met vooraf gecertificeerde draadloze modules. Zoals te zien is, kunnen ontwikkelaars met deze kit eenvoudiger en sneller krachtige, aangesloten ingebedde systeemoplossingen leveren.

Disclaimer: The opinions, beliefs, and viewpoints expressed by the various authors and/or forum participants on this website do not necessarily reflect the opinions, beliefs, and viewpoints of Digi-Key Electronics or official policies of Digi-Key Electronics.

Achtergrondinformatie over deze auteur

Stephen Evanczuk

Stephen Evanczuk heeft meer dan 20 jaar ervaring in het schrijven voor en over de elektronicasector met betrekking tot heel wat onderwerpen, waaronder hardware, software, systemen en toepassingen zoals het IoT. Hij behaalde zijn filosofiediplomain neurowetenschappen over neuronale netwerken en werkte in de ruimtevaartsector op massaal verspreide veilige systemen en algoritmeversnellingsmethoden. Wanneer hij geen artikels over technologie en techniek schrijft, werkt hij aan toepassingen voor “deep learning” voor herkennings- en aanbevelingssystemen.

Over deze uitgever

De Noord-Amerikaanse redacteurs van Digi-Key