Hurtig indlejret trådløs IoT-udvikling med en off-the-shelf integreret Linux multicore-platform

Avancerede applikationer til industriel, medicinsk, transport og landbrugs-internet (IoT) kræver mere komplekse integrerede systemdesign. I sådanne situationer har udviklere ikke haft andet valg end at oprette brugerdefinerede kort til at imødekomme ydeevne, tilslutningsmuligheder og perifere krav på trods af at de står over for strammere tidsplaner og skrumpende budgetter. Selvom off-the-shelf kort muligvis er tilgængelige, udelukker ydeevne, effekt, størrelse, formfaktor og funktionsblanding deres anvendelse.

I en æra med allestedsnærværende IoT og Industrial IoT (IIoT) er selv de mest produktive specialudviklingshold imidlertid blevet forsinket af regionale certificeringskrav til trådløse undersystemer, der har bremset levering og eroderet markedsmulighederne.

Denne artikel diskuterer problemet med fabrikat versus (vs) køb for trådløst aktiverede indlejrede kort. Derefter introducerer den en nøglefærdig udviklingsplatform fra Digi der giver et omfattende softwaremiljø og en optimeret hardwareplatform med forcertificerede trådløse moduler. Artiklen viser, hvordan sættet kan bruges til at hjælpe udviklere hurtigt og nemt med at levere mere kraftfulde tilsluttede integrerede systemløsninger.

Foretag vs køb til indbygget kortudvikling

For integrerede systemudviklere fortsætter slutbrugernes forventninger og konkurrencepres med til at øge efterspørgslen efter produkter med større funktionalitet leveret i faldende time-to-market-vinduer. Brugere insisterer på systemer, der er enklere at oprette forbindelse til, bruge og vedligeholde. Som et resultat står udviklere over for voksende udfordringer langs en række fronter. For trådløs tilslutning medfører trådløse kortdistance- og langtrækkende løsninger tilknyttede krav til certificering af deres design; implementering af egnede displayfunktioner tilføjer designkompleksitet og omkostninger; og at sikre løbende pålidelighed og langvarig tilgængelighed af disse systemer udfordrer udviklere til at finde løsninger, der er i stand til at modstå barske forhold og også være tilgængelige i de forlængede livscyklusser, der ofte findes i industrielle eller medicinske applikationer.

For nogle applikationer afhænger en passende løsning kritisk af tilpassede designtilgange til at optimere hvert delsystem for at imødekomme kravene. I stigende grad giver designløsninger fra hylden imidlertid en platform, der let kan udvides til at understøtte de unikke krav til en bred vifte af applikationsområder. Alligevel nærmer udviklingshold nogle gange beslutningen om at oprette brugerdefinerede løsninger i forhold til at købe forudbyggede systemer udelukkende med hensyn til udviklingsomkostninger og beregne, at opbygning af et brugerdefineret design fra bunden koster mindre end at købe et færdigt design.

Faktisk kan udviklingshold finde, at andre overvejelser, herunder trådløs certificering, tilgængelighed, vedligeholdelsesevne og andre livscyklusproblemer, kan øge de samlede omkostninger. I et marked med hurtig bevægelse kan den forsinkelse, der kræves for at implementere et brugerdefineret design, yderligere ødelægge markedsandele og tid til indtægter og i sidste ende begrænse rentabiliteten af et nyt produkt.

For at løse disse problemer, Digi's CC-WMX8MN-KIT ConnectCore 8M Nano-udviklingssæt tilbyder et effektivt alternativ til brugerdefineret udvikling, der leverer en nøglefærdig platform, der er i stand til at opfylde kravene til ydeevne og omkostninger i en bred vifte af applikationer (figur 1).

Figur 1: Digi CC-WMX8MN-KIT ConnectCore 8M Nano-udviklingssættet indeholder alt, hvad der er nødvendigt for at begynde at udvikle tilsluttede systemer, der er i stand til at imødekomme voksende krav til HMI-design, lyd-/videobehandling, edge-computering og maskinindlæring. (Billedkilde: Digi)

Hvordan en nøglefærdig løsning løser forskellige funktionelle krav

Digi CC-WMX8MN-KIT ConnectCore 8M Nano-udviklingssæt giver en omfattende hardwareplatform designet til at reducere udviklingstid og time-to-market af systemer. Ved hjælp af dette sæt kan udviklere nemt implementere systemer, der skaleres til at understøtte applikationer, der er så forskellige som HMI-design (human-machine interface), lyd-/videobehandling, edge-computing, maskinlæring og mere. Sammen med Digi ConnectCore 8M Nano-udviklingskort inkluderer sættet en dobbeltbåndsantenne, et konsolportkabel og en strømforsyning, så udviklere straks kan begynde at oprette tilsluttede applikationer.

Som med andre Digi CoreConnect-udviklingssæt , ConnectCore 8M Nano-udviklingssæt drager fordel af Digis meget integrerede system-on-modul (SoM) løsninger. Baseret på medlemmer af NXP Semiconductor's familie af i.MX-processorer Digi ConnectCore SOM'er integrere funktioner til multimedie, sikkerhed, kabelforbindelse og præ-certificeret trådløs forbindelse, blandt andre funktioner, der kræves til typiske integrerede applikationer. Brugt i kombination med et omfattende softwaremiljø forenkler disse SoM'er udviklingen af integrerede systemer, hvilket gør det muligt for producenter af produkter at levere mere sofistikerede produkter hurtigere og med lavere risiko end typisk muligt med brugerdefinerede hardwaretilgang.

Til udviklingssættet CC-WMX8MN-KIT kombinerer en Digi SOM mulighederne i NXPs i.MX 8M Nano processor baseret på quad Arm ® Cortex®-A53 og Arm Cortex-M7-kerner med op til 8 gigabyte (GB) Flash, op til 1 GB dynamisk random-access-hukommelse (DRAM) med lav effekt, dobbelt datahastighed (LPDDR) og en række yderligere undersystemer ( Figur 2).

Figur 2: Baseret på NXPs i.MX 8M Nano multicore-processor, integrerer en Digi SOM hukommelse, tilslutningsmuligheder, sikkerhed og strømstyringsfunktioner, der kræves i typiske integrerede systemdesign. (Billedkilde: Digi)

Blandt dets undersystemer integrerer SoM en sikkerhedsenhed fra Microchip-teknologierCryptoAuthentication familie, der supplerer Arm Cortex-A53-kernernes TrustZone-sikkerhedsfunktioner. CryptoAuthentication-enheden kombinerer en dedikeret kryptografisk processor, tilfældig talgenerator af høj kvalitet og beskyttet nøgleopbevaring for at udføre hurtig udførelse af hash og PKI-algoritmer (Public Key).

SoM's indbyggede tilslutningsmuligheder understøtter gigabit Ethernet (GbE) samt præ-certificeret 802.11 a/b/g/n/ac Wi-Fi og Bluetooth 5. For at imødekomme kravene til netværk i bredt område kan udviklere tilføje mobil- og andre tilslutningsmuligheder ved blot at forbinde Digi XBEE cellulære moduler til CC-WMX8MN-KIT-kortets sæt af XBEE-kompatible stik.

Sammen med et komplet sæt standard perifere grænseflader understøtter SoM flere multimediegrænseflader til lyd, kamera og skærme. En integreret grafikbehandlingsenhed og LCDIF-controller (Liquid Crystal Display Interface) gør det let for udviklere at tilføje et valgfrit LCD-panel som f.eks. Digi CC-ACC-LCDW-10 og begynd hurtigt at oprette HMI-design til deres integrerede applikationer.

Styring af kraft i design baseret på avancerede processorer

Styring af strøm i et komplekst integreret system kan være en væsentlig udfordring, især når et systemdesign integrerer en avanceret processor såsom NXP i.MX 8M Nano. Som med andre processorer i denne klasse grupperer NXP i.MX 8M Nano sine mange forskellige undersystemer i separate strømdomæner til sine kerneprocessorer (VDD_ARM og VDD_SOC), GPU (VDD_GPU), hukommelse (VDD_DRAM, NVCC_DRAM), sikker ikke-flygtig lagring (NVCC_SNVS_1P8, VDD_SNVS_0P8) og flere flere. Udviklere har ikke kun brug for at levere passende strømskinner til hvert domæne, men også levere (og fjerne) strøm til hvert domæne i en bestemt tidsrækkefølge (figur 3).

Figur 3: Som med de fleste avancerede processorer opdeler NXP i.MX 8M Nano sine undersystemer i separate strømdomæner, hvor deres individuelle spændingsforsyningsskinner skal tændes i en bestemt rækkefølge ved opstart. (Billedkilde: NXP Semiconductor)

Faktisk kræver Digi's ConnectCore i.MX 8M Nano SoM kun to strømforsyningsindgange og anvendelser ROHM Semiconductor's BD71850MWV strømstyrings-IC (PMIC) til at levere de flere forsyningsspændingsniveauer, der kræves af i.MX 8M Nano-processoren og andre enheder. ROHM BD71850MWV er specielt designet til at understøtte NXP i.MX 8M Nano-processor og integrerer flere regulatorer og LDO-regulatorer (Low Dropout) til at levere et komplet sæt strømskinner fra en primær VSYS 5 volt forsyning (figur 4).

Figur 4: ROHM BD71850MWV PMIC er designet specielt til at levere NXP i.MX 8M Nano-processoren og leverer et komplet sæt strømskinner, der kræves af processoren såvel som andre enheder i et typisk integreret systemdesign. (Billedkilde: ROHM Semiconductor)

Selvom BD71850MWV styrer de detaljerede opstarts- og nedlukningssekvenser, der kræves til processoren, tilføjer Digi et yderligere niveau af kontrol designet til at optimere det samlede strømforbrug og opretholde systemets pålidelighed. Integreret i SoM bruger Digi Microcontroller Assist (MCA) en dedikeret NXP Kinetis KL17 MKL17Z64VDA4 mikrokontroller (MCU) til strømstyring på systemniveau. Baseret på ultra-low-power Arm Cortex-M0 + -kernen, forbruger NXP Kinetis KL17 MCU kun 46 mikroampere (μA) pr. Megahertz (MHz) i meget lavt strømforbrug og 1,68 μA i stoptilstand, hvor den opretholder hukommelse og realtidsur (RTC) -funktion.

Designet til at forblive aktivt, selv når systemet er i dvaletilstand, udfører MCA opgraderbar firmware, der kører på KL17 MCU for at give flere muligheder for at vække NXP i.MX 8M Nano-systemprocessoren. For eksempel indstiller Digi en standardindstilling, der deaktiverer systemprocessorens RTC til fordel for den lavere effekt RTC-funktionalitet, der er implementeret i MCA-firmware. Udviklere kan bruge MCA's 12-bit analog-til-digital-konverter (ADC) til at overvåge eksterne begivenheder og generere en afbrydelse for kun at vække systemprocessoren, når det er nødvendigt. Omvendt implementerer MCA-firmware tre PWM-controllere (multichannel pulse width modulation) til ekstern drift. For at sikre den samlede systempålidelighed leverer MCA-firmwaren også watchdog-funktionalitet, der nulstiller hele systemet eller kun systemprocessoren, hvis software, der kører på den pågældende processor, hænger op eller på anden måde ikke udfører sædvanlig vedligeholdelse af watchdog-timer under normal softwareudførelse.

Ved start af systemet begynder MCA at køre, så snart det får strøm. Efter en programmerbar forsinkelse starter MCA igen BD71850MWV PMIC, som udfører i.MX 8M Nano-opstartssekvensen beskrevet tidligere. System-nulstilling eller overgang fra dvaletilstand med lavt strømniveau fungerer på samme måde som MCA-koordinerende effektgendannelse med PMIC og processor.

Et produktionsklar indlejret Linux-softwaremiljø

Digi CC-WMX8MN-KIT-udviklingssættet bruger sin omfattende hardwarebase til at levere et produktionsklar softwaremiljø, der kører den open source Digi Embedded Yocto (DEY). Baseret på Yocto-projekts populære indlejrede Linux-distribution udvider DEY denne basislinjedistribution med ekstra kortstøttepakke (BSP) -funktioner designet specielt til at understøtte Digi-hardwareplatformen (figur 5).

Figur 5: Digi Embedded Yocto udvider baseline-distributionen til Yocto Project Linux med BSP-udvidelser (Board Support Package) til Digi-hardware. (Billedkilde: Digi)

Blandt BSP-udvidelserne til Linux-kernen giver Digi's TrustFence en sikkerhedsramme for Linux-enheder. Ved hjælp af dets godkendelses- og identitetsstyringsfunktioner udvides TrustFence-tjenester fra adgangskontrol på lavt niveau af interne og eksterne I/O-porte op til support på højt niveau for sikre netværksforbindelser og sikker opstart ved hjælp af validerede firmwarebilleder. Selvom det ikke oprindeligt understøttes på ConnectCore 8M Nano-modulet, vil Digi TrustZone være tilgængelig i en fremtidig DEY-udgivelse.

Udover at anvende sikkerhed og styring på det enkelte enhedsniveau har store IoT-applikationer uundgåeligt brug for evnen til at overvåge og administrere flåder af IoT-enheder. For at understøtte disse krav, Digi Remote Manager leverer en cloud-baseret service designet til at understøtte overvågning af enhedens sundhed, konfigurationsstyring og firmwareopdateringer. Ved hjælp af en mobilapp eller desktop-software kan udviklere bruge Digi Remote Manager til at vise detaljer om enhedsflådefunktioner inklusive flådestatus, alarmer, forbindelsesstatus og signalstyrke (figur 6).

Figur 6: Den cloud-baserede tjeneste Digi Remote Manager giver udviklere mulighed for at overvåge og administrere IoT-implementeringer i stor skala fra deres stationære eller mobile enhed. (Billedkilde: Digi)

Udover sine overvågningsfunktioner lader Digi Remote Manager udviklere mere aktivt styre data, forbindelser og enhedssoftware interaktivt ved hjælp af kommandolinjen eller programmatisk ved hjælp af tjenestens applikationsprogrammeringsgrænseflader (API'er). Ved hjælp af disse funktioner kan udviklere genstarte enheder og uploade filer, der let udfører masse-flåde-firmware- og softwareopdateringer, der kræves med typiske tilsluttede enheder, men ofte logistisk udfordrende i store implementeringer.

Konklusion

Efterspørgsel efter mere sofistikerede applikationer inden for industrielle, medicinske, transport- og landbrugsmarkedssegmenter stiller krav til mere kompleks IoT-orienteret indlejret systemdesign. Regionale certificeringskrav til tilknyttede trådløse delsystemer har også kompliceret forhold og bremset design.

For at løse problemerne leverer et udviklingssæt fra Digi et omfattende softwaremiljø og en optimeret hardwareplatform med forcertificerede trådløse moduler. Som vist giver sættet lettere og hurtigere udviklere mulighed for at levere kraftfulde tilsluttede indlejrede systemløsninger.