Sistemele embedded continuă să evolueze tehnologic într-un ritm tot mai rapid, iar dispozitivele din locuințele, vehiculele și locurile noastre de muncă își extind capabilitățile într-un ritm accelerat. Un factor esențial al acestui progres este posibilitatea ca până și cele mai mici dispozitive electronice să se conecteze la infrastructura modernă de rețea. Wi-Fi®, Bluetooth® și alte opțiuni de conectivitate permit actualizări în teren și simplifică întreținerea, oferind în același timp avantajele algoritmilor de inteligență artificială (AI) și de învățare automată (Machine Learning – ML). Această conectivitate sporită transformă efectiv dispozitivele în noduri edge IoT, însă presupune cerințe mai mari de procesare și subsisteme de memorie cu o capacitate mai mare.
Provocări la nivel de sistem
Majoritatea sistemelor embedded sunt, de asemenea, “conectate” la mediul lor imediat, ceea ce înseamnă că integrează funcții pentru detectarea parametrilor de mediu, acționare mecanică sau interfațare cu utilizatorul. De exemplu, termostatele inteligente sunt conectate la rețele locale de senzori de temperatură și umiditate și integrează, în același timp, o serie de butoane sau senzori capacitivi pentru introducerea comenzilor de către utilizator. Desigur, obiectivul principal al unui aparat de gătit conectat este să interpreteze preferințele utilizatorului privind temperatura alimentelor și să le transpună în cantități de căldură aplicate cu precizie.
Aceste sisteme predominant “analogice” pătrund într-o lume a comunicațiilor cloud care funcționează într-un ritm din ce în ce mai rapid, ceea ce ridică o problemă aparte: adaptați sistemul la intrările lente ale lumii analogice sau sacrificați fidelitatea analogică în favoarea vitezei și a unei funcționalități generale sporite? Pentru a analiza această problemă în profunzime, vom lua în considerare un exemplu simplu și foarte răspândit al acestui tip de aplicație – nodul edge IoT.
Subsisteme analogice
Nodurile edge IoT au nevoie de un subsistem analogic pentru a măsura și monitoriza parametri de mediu precum temperatura, umiditatea, mișcarea și altele. Aceste subsisteme includ un microcontroler (MCU) care citește datele furnizate de senzori, le procesează și le transmite prin rețea.
În general, parametrii de mediu se modifică lent, astfel încât majoritatea nodurilor edge nu trebuie să proceseze un flux continuu și neîntrerupt de date. Deoarece un astfel de nod funcționează adesea timp de mai mulți ani cu aceeași baterie de dimensiuni reduse, acesta petrece cea mai mare parte a timpului într-un mod de “repaus” cu consum redus de energie și se activează doar periodic pentru a detecta schimbările din mediul înconjurător.
În perioada de activitate, nodul colectează date și le transmite prin rețea, apoi revine în starea de repaus până când trebuie efectuată următoarea măsurătoare. Pe măsură ce numărul nodurilor edge și volumul datelor colectate cresc în lumea noastră hiperconectată, eficiența energetică și funcționarea cu consum redus devin criterii esențiale de proiectare pentru prelungirea duratei de viață a bateriei în subsistemele analogice.
Segmentarea sistemelor embedded
Pentru realizarea unor sisteme embedded eficiente, este recomandată segmentarea sistemului în diferite “domenii de viteză”, utilizând o punte pentru conectarea procesorului principal de mare viteză la subsistemele analogice. Partiționarea permite subsistemului analogic să gestioneze sarcinile care evoluează lent, în timp ce sarcinile de procesare foarte rapide și cu cerințe ridicate de calcul sunt preluate de procesorul principal, valorificând astfel cât mai bine avantajele funcționale ale fiecărui tip de procesor.
Pe fondul creșterii numărului de dispozitive conectate, I3C® reprezintă interfața de comunicație serială de nouă generație destinată comunicațiilor de mare viteză între cipuri. Ca succesoare a interfeței I2C, interfața I3C este mai potrivită pentru aplicațiile viitoare, oferind viteze mai mari, funcții mai inteligente și capabilități avansate de control.
I3C păstrează compatibilitatea cu dispozitivele I2C existente, aspect esențial pentru facilitarea adoptării sale în platformele hardware actuale. De asemenea, dispozitivele I2C pot coexista cu controlere I3C care funcționează la 12,5 MHz, ceea ce permite migrarea proiectelor existente bazate pe magistrala I2C către specificația I3C.
De exemplu, un microcontroler care suportă atât I3C, cât și o interfață de comunicație tradițională precum I2C, SPI sau UART poate funcționa ca dispozitiv-punte. Prin intermediul microcontrolerului, această punte conectează un procesor rapid la un senzor. Microcontrolerul măsoară semnalul furnizat de senzor, calculează rezultatele și transferă eficient datele.
Această configurație păstrează integritatea și viteza magistralei I3C, permițând în același timp comunicația dintre controlerul I3C și dispozitivele I2C/SPI prin intermediul microcontrolerului. Prin partiționarea sistemelor embedded și utilizarea I3C pot fi realizate proiecte de sistem robuste și eficiente.
Microcontrolerul PIC18-Q20
Microchip a dezvoltat familia PIC18-Q20 special pentru sistemele embedded moderne cu procesoare distribuite. Aceste microcontrolere oferă interfețe avansate de comunicație serială, inclusiv până la două periferice I3C, asigurând conectivitate de mare viteză la mai multe magistrale și o flexibilitate sporită.
În plus, ele integrează protocoale de comunicație tradiționale precum UART, SPI, I2C și SMBus, ceea ce permite utilizarea lor fără dificultate ca dispozitive-punte și izolarea dispozitivelor client I2C/SPI de o magistrală exclusiv I3C. Această configurație păstrează viteza magistralei I3C, permițând în același timp unui controler I3C să comunice cu dispozitive I2C/SPI prin intermediul microcontrolerului.
PIC18-Q20 suportă, de asemenea, mai multe domenii de tensiune, putând fi conectat cu ușurință la componente care funcționează la niveluri de tensiune diferite. Astfel, nu mai sunt necesare circuite suplimentare de conversie a nivelului logic, ceea ce reduce costul listei de materiale (BOM) și simplifică proiectarea sistemului.
Periferice independente de nucleu pentru funcții mai eficiente
Microcontrolerele PIC18-Q20 includ și periferice independente de nucleu (Core Independent Peripherals – CIP), integrate pe cip, care pot funcționa fără intervenția permanentă a CPU-ului și pot comunica direct cu alte periferice. Aceste periferice implementate în hardware au un consum redus de energie, necesită foarte puțin cod sau chiar deloc și folosesc mai puțină memorie RAM și Flash decât ar fi necesar pentru implementarea în software a acelorași funcții.
În plus, într-un singur microcontroler pot funcționa simultan mai multe astfel de funcții. Proiectanții pot configura cu ușurință combinații de CIP-uri, inclusiv perifericul I3C, utilizând MPLAB® Code Configurator (MCC), un mediu simplu bazat pe o interfață grafică cu utilizatorul (GUI), pentru generarea codului aplicației fără a fi necesară parcurgerea în detaliu a fișelor tehnice.
Cu ajutorul CIP-urilor, inginerii pot repartiza diferitele sarcini ale sistemului astfel încât funcțiile să fie mai ușor de gestionat, reducând totodată numărul de componente, dimensiunea codului, timpul de dezvoltare și consumul de energie.
Concluzie
Într-o lume aflată în continuă schimbare, inovațiile și progresele tehnologice impun viteze de procesare mai mari, conectivitate mai rapidă și un grad tot mai ridicat de miniaturizare. În același timp, pe măsură ce dispozitivele electronice moderne devin tot mai conectate la mediul exterior, sunt necesare subsisteme analogice compacte și eficiente energetic pentru detectarea și măsurarea parametrilor din “lumea reală” în cadrul sistemelor conectate. Deoarece variațiile parametrilor de mediu se produc, de regulă, lent, cerințele de proiectare ajung să evolueze în direcții opuse.
Sistemele embedded eficiente pot fi realizate prin împărțirea lor în domenii de viteză diferite și utilizarea unei punți care conectează procesorul rapid la zonele sistemului în care se află subsistemele analogice. Pe măsură ce I3C devine interfața de facto pentru comunicații de mare viteză între cipuri, este important ca inginerii să aleagă microcontrolere avansate capabile să răspundă cerințelor tot mai ridicate de performanță din domeniul digital și, în același timp, să mențină o precizie analogică ridicată pentru proiectele de nouă generație.
Pentru mai multe informații despre familia de microcontrolere PIC18-Q20, vizitați: https://www.microchip.com/Q20.
Autor:
Greg Robinson
Corporate Vice President, 8-bit MCU Business Unit, Microchip
Greg Robinson este Corporate Vice President al diviziei de microcontrolere pe 8-biți și are peste 30 de ani de experiență în industria semiconductorilor. S-a alăturat Microchip Technology în 1995 și, de atunci, a ocupat funcții cu responsabilități diverse în cadrul companiei. Și-a început cariera ca inginer de produs și testare, apoi a acumulat experiență în mai multe domenii, printre care activitățile operaționale ale companiei, ingineria aplicațiilor auto, managementul vânzărilor și marketingul. Această experiență i-a oferit o perspectivă amplă asupra diferitelor arii funcționale ale companiei Microchip. Greg Robinson deține o diplomă de licență în inginerie electrică de la Washington State University și un MBA în Technology Management.
Glosar de termeni
Sistem embedded – Sistem electronic dedicat îndeplinirii unor funcții specifice, în care componentele hardware și software sunt integrate într-o aplicație sau într-un echipament.
Nod edge IoT – Dispozitiv aflat la marginea unei rețele IoT care colectează, procesează și transmite date provenite de la senzori sau alte surse locale.
Subsistem analogic – Parte a unui sistem electronic destinată achiziției, măsurării sau procesării semnalelor analogice provenite din lumea reală.
Microcontroler (MCU) – Circuit integrat care include un procesor, memorie și periferice și este utilizat pentru controlul funcțiilor unui sistem embedded.
Domeniu de viteză – Parte a unui sistem proiectată să opereze la o anumită viteză de procesare sau comunicație, în funcție de cerințele sarcinilor executate.
Dispozitiv-punte – Componentă care permite comunicația între procesoare, periferice sau magistrale care utilizează interfețe ori viteze diferite.
I3C – Interfață serială de comunicație de nouă generație destinată comunicațiilor de mare viteză între circuite integrate și proiectată ca succesoare a I2C.
I2C – Magistrală serială utilizată pentru comunicația între circuite integrate și periferice într-un sistem electronic.
CIP (Core Independent Peripheral) – Periferic independent de nucleu care poate executa anumite funcții hardware fără intervenția permanentă a CPU-ului.
MPLAB® Code Configurator (MCC) – Instrument Microchip cu interfață grafică utilizat pentru configurarea perifericelor și generarea codului pentru aplicații embedded.
Conversie a nivelului logic – Adaptarea nivelurilor de tensiune între componente care funcționează cu tensiuni logice diferite.
BOM (Bill of Materials) – Lista componentelor și materialelor necesare pentru realizarea unui produs sau sistem electronic.