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Beschleunigen Sie die Entwicklung eingebetteter drahtloser IoTs mit einer handelsüblichen Embedded-Linux-Multicore-Plattform

Von Stephen Evanczuk

Zur Verfügung gestellt von Nordamerikanische Fachredakteure von Digi-Key

Fortschrittliche industrielle, medizinische, Transport- und landwirtschaftliche Internet of Things (IoT)-Anwendungen erfordern komplexere eingebettete Systementwürfe. In solchen Situationen hatten die Entwickler trotz engerer Zeitpläne und schrumpfender Budgets kaum eine andere Wahl, als kundenspezifische Boards zu bauen, um die Anforderungen an Leistung, Konnektivität und Peripherie zu erfüllen. Auch wenn Boards von der Stange erhältlich sind, schlossen Leistung, Leistung, Größe, Formfaktor und Funktionsmischung ihre Verwendung aus.

In einer Ära des allgegenwärtigen IoT und industriellen IoT (IIoT) wurden jedoch selbst die produktivsten kundenspezifischen Entwicklungsteams durch regionale Zertifizierungsanforderungen für drahtlose Subsysteme, die die Bereitstellung verlangsamt und die Marktchancen verringert haben, aufgehalten.

In diesem Artikel wird das Problem "make versus (vs) buy" für drahtlos-aktivierte eingebettete Boards diskutiert. Es stellt dann eine schlüsselfertige Entwicklungsplattform von Digi vor, die eine umfassende Softwareumgebung und eine optimierte Hardwareplattform mit vorzertifizierten drahtlosen Modulen bietet. Der Artikel zeigt, wie das Kit verwendet werden kann, um Entwicklern zu helfen, schnell und einfach leistungsfähigere Lösungen für vernetzte eingebettete Systeme zu liefern.

Make vs. Buy für die Entwicklung eingebetteter Boards

Für Entwickler eingebetteter Systeme treiben die Erwartungen der Endbenutzer und der Wettbewerbsdruck die Nachfrage nach Produkten mit größerer Funktionalität, die in immer kürzeren Zeitfenstern bis zur Markteinführung geliefert werden, weiter voran. Benutzer bestehen auf Systemen, die einfacher anzuschließen, zu verwenden und zu warten sind. Infolgedessen sehen sich die Entwickler an verschiedenen Fronten wachsenden Herausforderungen gegenüber. Für die drahtlose Konnektivität bringen drahtlose Lösungen mit kurzer und langer Reichweite entsprechende Anforderungen für die Zertifizierung ihrer Designs mit sich; die Implementierung geeigneter Anzeigefunktionen erhöht die Komplexität des Designs und die Kosten; und die Gewährleistung der fortlaufenden Zuverlässigkeit und langfristigen Verfügbarkeit dieser Systeme stellt die Entwickler vor die Herausforderung, Lösungen zu finden, die rauen Bedingungen standhalten und auch für die verlängerten Lebenszyklen verfügbar bleiben, die häufig in industriellen oder medizinischen Anwendungen zu finden sind.

Für einige Anwendungen hängt eine geeignete Lösung entscheidend von kundenspezifischen Entwurfsansätzen zur Optimierung jedes Teilsystems ab, um den Anforderungen gerecht zu werden. In zunehmendem Maße bieten jedoch Konstruktionslösungen von der Stange eine Plattform, die leicht erweitert werden kann, um die einzigartigen Anforderungen eines breiten Spektrums von Anwendungsbereichen zu unterstützen. Dennoch nähern sich Entwicklungsteams der Entscheidung, kundenspezifische Lösungen zu bauen, manchmal rein unter dem Gesichtspunkt der Entwicklungskosten dem Kauf vorgefertigter Systeme an, wobei sie berechnen, dass der Bau eines kundenspezifischen Designs von Grund auf weniger kostet als der Kauf eines fertigen Designs.

In der Tat können Entwicklungsteams feststellen, dass andere Erwägungen, einschließlich der Zertifizierung drahtloser Geräte, Verfügbarkeit, Wartbarkeit und andere Fragen des Lebenszyklus die Gesamtkosten erhöhen können. In einem schnelllebigen Markt kann die Verzögerung, die für die Implementierung eines kundenspezifischen Designs erforderlich ist, den Marktanteil und die Zeit bis zum Umsatz weiter schmälern, was letztlich die Rentabilität eines neuen Produkts einschränkt.

Um diese Probleme zu lösen, bietet das Digi's CC-WMX8MN-KIT ConnectCore 8M Nano Entwicklungskit eine effektive Alternative zur kundenspezifischen Entwicklung und stellt eine schlüsselfertige Plattform bereit, die in der Lage ist, die Anforderungen an Leistung und Kosten für eine breite Palette von Anwendungen zu erfüllen (Abbildung 1).

Abbildung des Entwicklungskits Digi CC-WMX8MN-KIT ConnectCore 8M Nano <Abbildung 1: Das Digi CC-WMX8MN-KIT ConnectCore 8MN Nano Entwicklungskit bietet alles, was für den Beginn der Entwicklung angeschlossener Systeme benötigt wird, die den wachsenden Anforderungen für HMI-Design, Audio-/Videoverarbeitung, Edge-Computing und maschinelles Lernen gerecht werden. (Bildquelle: Digi)

Wie eine schlüsselfertige Lösung verschiedene funktionelle Anforderungen erfüllt

Das Entwicklungskit Digi CC-WMX8MN-KIT ConnectCore 8M Nano bietet eine umfassende Hardware-Plattform, die die Entwicklungszeit und die Markteinführung von Systemen verkürzt. Mit diesem Kit können Entwickler problemlos Systeme implementieren, die skalierbar sind, um so unterschiedliche Anwendungen wie HMI-Design (Human-Machine-Interface), Audio-/Videoverarbeitung, Edge-Computing, maschinelles Lernen und mehr zu unterstützen. Zusammen mit dem Entwicklungsboard Digi ConnectCore 8M Nano enthält das Kit eine Dual-Band-Antenne, ein Konsolenportkabel und ein Netzteil, so dass Entwickler sofort mit der Erstellung angeschlossener Anwendungen beginnen können.

Wie bei anderen Digi CoreConnect Entwicklungskits nutzt das ConnectCore 8M Nano Entwicklungskit die Vorteile der hochintegrierten System-on-Module (SoM)-Lösungen von Digi. Basierend auf Mitgliedern der NXP Semiconductor's Familie von i.MX Prozessoren, integrieren Digi's ConnectCore SOMs Fähigkeiten für Multimedia, Sicherheit, drahtgebundene Konnektivität und vorzertifizierte drahtlose Konnektivität, unter anderem Funktionen, die für typische eingebettete Anwendungen erforderlich sind. In Kombination mit einer umfangreichen Softwareumgebung vereinfachen diese SoMs die Entwicklung eingebetteter Systeme und ermöglichen es Produktherstellern, anspruchsvollere Produkte schneller und mit geringerem Risiko zu liefern, als dies normalerweise mit kundenspezifischen Hardwareansätzen möglich ist.

Für das CC-WMX8MN-KIT-Entwicklungskit kombiniert ein Digi SOM die Fähigkeiten der i von NXP.MX 8M Nano-Prozessor basierend auf quad Arm® Cortex®-A53- und Arm Cortex-M7-Cores mit bis zu 8 Gigabyte (GB) Flash, bis zu 1 GB Low-Power Double Data Rate (LPDDR) Dynamic Random Access Memory (DRAM) und einer Reihe zusätzlicher Subsysteme (Abbildung 2).

Abbildung von Digi SoM basierend auf dem Nano-Mehrkernprozessor i.MX 8M von NXPAbbildung 2: Basierend auf dem i.MX 8M Nano-Multicore-Prozessor von NXP integriert ein Digi SoM die Speicher-, Konnektivitätsoptionen, Sicherheits- und Energieverwaltungsfunktionen, die in typischen Embedded-System-Designs benötigt werden. (Bildquelle: Digi)

Unter seinen Subsystemen integriert das SoM eine Sicherheitsvorrichtung aus der Microchip Technology's CryptoAuthenticationFamilie, die die TrustZone-Sicherheitsmerkmale der Arm Cortex-A53-Kerne ergänzt. Das CryptoAuthentifizierungsgerät kombiniert einen dedizierten kryptografischen Prozessor, einen hochwertigen Zufallszahlengenerator und einen geschützten Schlüsselspeicher, um eine sichere Hochgeschwindigkeitsausführung von Hash-Algorithmen und PKI-Algorithmen (Public-Key-Infrastruktur) durchzuführen.

Die integrierten Konnektivitätsoptionen des SoM unterstützen Gigabit-Ethernet (GbE) sowie vorzertifiziertes 802.11 a/b/g/n/ac Wi-Fi und Bluetooth 5. Um die Anforderungen an Weitbereichsnetzwerke zu erfüllen, können Entwickler zellulare und andere Konnektivitätsoptionen hinzufügen, indem sie einfach die Digi XBEE-Zellularmodule mit dem Satz XBEE-kompatibler Steckverbinder der CC-WMX8MN-KIT-Karte verbinden.

Neben einem vollständigen Satz von Standard-Peripherieschnittstellen unterstützt die SoM mehrere Multimedia-Schnittstellen für Audio, Kamera und Displays. Mit einer integrierten Grafikverarbeitungseinheit und einem LCDIF-Controller (Liquid Crystal Display Interface) können Entwickler einfach ein optionales LCD-Panel wie das Digi CC-ACC-LCDW-10 hinzufügen und schnell mit der Erstellung von HMI-Designs für ihre eingebetteten Anwendungen beginnen.

Leistungsverwaltung in Designs, die auf fortschrittlichen Prozessoren basieren

Das Energiemanagement in einem komplexen eingebetteten System kann eine erhebliche Herausforderung darstellen, insbesondere wenn ein Systementwurf einen fortschrittlichen Prozessor wie den NXP i.MX 8M Nano integriert. Wie bei anderen Prozessoren dieser Klasse gruppiert der NXP i.MX 8M Nano seine vielen verschiedenen Subsysteme in separate Power-Domains für seine Kernprozessoren (VDD_ARM und VDD_SOC), GPU (VDD_GPU), Speicher (VDD_DRAM, NVCC_DRAM), sicheren nichtflüchtigen Speicher (NVCC_SNVS_1P8, VDD_SNVS_0P8) und einige weitere. Entwickler müssen nicht nur geeignete Stromschienen für jede Domäne bereitstellen, sondern auch jede Domäne in einer bestimmten zeitlichen Abfolge mit Strom versorgen (und Strom entfernen) (Abbildung 3).

Bild von NXP i.MX 8M Nano partitioniert seine SubsystemeAbbildung 3: Wie die meisten fortschrittlichen Prozessoren partitioniert der NXP i.MX 8M Nano seine Subsysteme in separate Leistungsbereiche, deren einzelne Spannungsversorgungsschienen beim Start in einer bestimmten Reihenfolge eingeschaltet werden müssen. (Bildquelle: NXP Semiconductor)

Tatsächlich benötigt Digi's ConnectCore i.MX 8M Nano SoM nur zwei Stromversorgungseingänge und verwendet ROHM Semiconductor's BD71850MWV Power Management IC (PMIC), um die verschiedenen Versorgungsspannungspegel zu liefern, die für den i.MX 8M Nano Prozessor und andere Geräte erforderlich sind. Der ROHM BD71850MWV, der speziell zur Unterstützung des NXP i.MX 8M Nano-Prozessors entwickelt wurde, integriert mehrere Buck-Regler und LDO-Regler (Low Dropout), um einen kompletten Satz von Stromschienen von einer primären VSYS 5-Volt-Versorgung zu liefern (Abbildung 4).

Diagramm von ROHM BD71850MWV PMIC<Abbildung 4: Der ROHM BD71850MWV PMIC wurde speziell für die Versorgung des NXP i.MX 8M Nano-Prozessors entwickelt und bietet einen kompletten Satz von Stromschienen, die für den Prozessor sowie für andere Geräte in einem typischen Embedded-System-Design erforderlich sind. (Bildquelle: ROHM Semiconductor)

Obwohl der BD71850MWV die für den Prozessor erforderlichen detaillierten Ein- und Ausschaltsequenzen verwaltet, fügt Digi eine weitere Steuerungsebene hinzu, die den Gesamtstromverbrauch optimiert und die Systemzuverlässigkeit aufrechterhält. Der in das SoM integrierte Digi Microcontroller Assist (MCA) verwendet einen dedizierten NXP Kinetis KL17 MKL17Z64VDA4 Mikrocontroller (MCU) für das Power-Management auf Systemebene. Basierend auf dem extrem stromsparenden Arm-Cortex-M0+-Kern verbraucht die NXP Kinetis KL17 MCU nur 46 Mikroampere (μA) pro Megahertz (MHz) im sehr stromsparenden Betriebsmodus und 1,68 μA im Stopp-Modus, wo sie Speicher und Echtzeituhrfunktion (RTC) aufrechterhält.

Der MCA ist so konzipiert, dass er auch dann aktiv bleibt, wenn sich das System im Ruhezustand befindet. Er führt aktualisierbare Firmware aus, die auf der MCU KL17 ausgeführt wird, um mehrere Optionen zum Aufwecken des Systemprozessors NXP i.MX 8M Nano zu bieten. Beispielsweise legt Digi eine Standardeinstellung fest, die die RTC des Systemprozessors zugunsten der in der MCA-Firmware implementierten RTC-Funktionalität mit niedrigerem Stromverbrauch deaktiviert. Entwickler können den 12-Bit-Analog-Digital-Wandler (ADC) des MCA verwenden, um externe Ereignisse zu überwachen und einen Interrupt zu erzeugen, um den Systemprozessor nur bei Bedarf zu wecken. Umgekehrt implementiert die MCA-Firmware drei Mehrkanal-PWM-Controller (Pulsweitenmodulation) für externe Operationen. Um die Zuverlässigkeit des Gesamtsystems zu gewährleisten, bietet die MCA-Firmware auch eine Watchdog-Timer-Funktionalität, die das gesamte System oder nur den Systemprozessor zurücksetzt, wenn Software, die auf diesem Prozessor läuft, hängen bleibt oder anderweitig während der normalen Software-Ausführung nicht die übliche Watchdog-Timer-Wartung durchführt.

Beim Systemstart beginnt der MCA zu laufen, sobald er Strom erhält. Nach einer programmierbaren Verzögerung startet der MCA wiederum den BD71850MWV PMIC, der die zuvor beschriebene i.MX 8M Nano-Einschaltsequenz ausführt. Das Zurücksetzen des Systems oder der Übergang aus dem energiesparenden Ruhezustand funktioniert ähnlich wie der MCA, der die Wiederherstellung der Stromversorgung mit dem PMIC und dem Prozessor koordiniert.

Eine serienreife eingebettete Linux-Softwareumgebung

Das Entwicklungskit Digi CC-WMX8MN-KIT nutzt seine umfangreiche Hardwarebasis, um eine produktionsreife Softwareumgebung mit dem Open Source Digi Embedded Yocto (DEY) bereitzustellen. Basierend auf der beliebten Embedded-Linux-Distribution des Yocto-Projekts erweitert DEY diese Basisdistribution um zusätzliche Board Support Package (BSP)-Funktionen, die speziell für die Unterstützung der Digi-Hardware-Plattform entwickelt wurden (Abbildung 5).

Diagramm des eingebetteten Digi YoctoAbbildung 5: Das Digi Embedded Yocto erweitert die Basis-Linux-Distribution Yocto Project um Board Support Package (BSP)-Erweiterungen für Digi-Hardware. (Bildquelle: Digi)

Unter den BSP-Erweiterungen für den Linux-Kernel bietet Digi's TrustFence ein Sicherheits-Framework für Linux-Geräte. Mit Hilfe seiner Authentifizierungs- und Identitätsmanagement-Funktionen reichen die TrustFence-Dienste von der Low-Level-Zugriffskontrolle interner und externer E/A-Ports bis hin zur High-Level-Unterstützung für sichere Netzwerkverbindungen und sicheres Booten unter Verwendung validierter Firmware-Images. Obwohl das ConnectCore 8M Nano-Modul anfänglich nicht unterstützt wurde, wird Digi TrustZone in einer zukünftigen DEY-Version verfügbar sein.

Neben dem Einsatz von Sicherheit und Management auf der Ebene der einzelnen Geräte benötigen groß angelegte IoT-Anwendungen zwangsläufig die Fähigkeit, Flotten von IoT-Geräten zu überwachen und zu verwalten. Um diese Anforderungen zu unterstützen, bietet Digi Remote Manager einen Cloud-basierten Dienst, der die Überwachung des Gerätezustands, das Konfigurationsmanagement und Firmware-Updates unterstützt. Mithilfe einer mobilen Anwendung oder einer Desktop-Software können Entwickler mit dem Digi Remote Manager Details des Geräteflottenbetriebs einschließlich Flottenzustand, Warnmeldungen, Verbindungsstatus und Signalstärke anzeigen (Abbildung 6).

Bild des Cloud-basierten Dienstes Digi Remote Manager (zum Vergrößern anklicken)Abbildung 6: Der Cloud-basierte Dienst Digi Remote Manager ermöglicht es Entwicklern, umfangreiche IoT-Bereitstellungen von ihrem Desktop oder mobilen Gerät aus zu überwachen und zu verwalten. (Bildquelle: Digi)

Neben seinen Überwachungsfunktionen bietet der Digi Remote Manager Entwicklern die Möglichkeit, Daten, Verbindungen und Gerätesoftware aktiver zu verwalten, und zwar interaktiv über die Befehlszeile oder programmgesteuert über die Anwendungsprogrammierschnittstellen (APIs) des Dienstes. Mithilfe dieser Funktionen können Entwickler Geräte neu starten und Dateien hochladen, was die Durchführung von flottenweiten Firmware- und Software-Updates erleichtert, die bei typischen angeschlossenen Geräten erforderlich sind, aber bei groß angelegten Einsätzen oft eine logistische Herausforderung darstellen.

Fazit:

Die Nachfrage nach anspruchsvolleren Anwendungen in den Marktsegmenten Industrie, Medizin, Transport und Landwirtschaft treibt die Anforderungen an komplexere IoT-orientierte eingebettete Systeme voran. Regionale Zertifizierungsanforderungen für zugehörige drahtlose Subsysteme haben die Sache ebenfalls kompliziert und die Entwicklung verlangsamt.

Um diese Probleme zu lösen, bietet ein Entwicklungskit von Digi eine umfassende Softwareumgebung und eine optimierte Hardwareplattform mit vorzertifizierten drahtlosen Modulen. Wie gezeigt, ermöglicht das Kit Entwicklern eine einfachere und schnellere Bereitstellung leistungsstarker Lösungen für vernetzte eingebettete Systeme.

Haftungsausschluss: Die Meinungen, Überzeugungen und Standpunkte der verschiedenen Autoren und/oder Forumsteilnehmer dieser Website spiegeln nicht notwendigerweise die Meinungen, Überzeugungen und Standpunkte der Digi-Key Electronics oder offiziellen Politik der Digi-Key Electronics wider.

Über den Autor

Stephen Evanczuk

Stephen Evanczuk hat mehr als 20 Jahre Erfahrung im Schreiben für und über die Elektronikindustrie zu einem breiten Spektrum von Themen wie Hardware, Software, Systeme und Anwendungen einschließlich des IoT. Er promoviertein Neurowissenschaften über neuronale Netzwerke und arbeitete in der Luft- und Raumfahrtindustrie an massiv verteilten sicheren Systemen und Methoden zur Beschleunigung von Algorithmen. Derzeit, wenn er nicht gerade Artikel über Technologie und Ingenieurwesen schreibt, arbeitet er an Anwendungen des tiefen Lernens (Deep Learning) zu Erkennungs- und Empfehlungssystemen.

Über den Verlag

Nordamerikanische Fachredakteure von Digi-Key