Snabb inbäddad trådlös IoT-utveckling med en inbyggd Linux-multicore-plattform som finns kommersiellt tillgänglig

Avancerade applikationer för IoT för industri-, vård-, transport- och jordbrukssektorn (IoT) kräver mer komplexa konstruktioner med inbäddade system. I sådana situationer har utvecklare haft föga annat val än att bygga egna specialkort för att klara kraven på prestanda, anslutningsmöjligheter och kringkretsar, trots att de har snävare tidsscheman och krympande budgetar. Även om kommersiella lösningar kan ha funnits tillgängliga, har prestanda, effekt, storlek, format och funktionsblandning förhindrat deras användning.

I en tidsålder av ständigt närvarande IoT och industriellt IoT (IIoT) har dock även de mest produktiva utvecklingsteamen försenats av regionala certifieringskrav för trådlösa delsystem, vilket har bromsat utrullningen och urholkat marknadsmöjligheterna.

Denna artikel diskuterar avvägningen mellan att köpa eller bygga själv för inbäddade kort med trådlösa funktioner. Den presenterar sedan en nyckelfärdig utvecklingsplattform från Digi som erbjuder en omfattande mjukvarumiljö och en optimerad hårdvaruplattform med förcertifierade trådlösa moduler. Artikeln visar hur satsen kan användas för att hjälpa utvecklare att snabbt och enkelt leverera kraftfullare, uppkopplade, inbäddade systemlösningar.

Bygga vs. köpa för utveckling av inbyggda kort

För utvecklare av inbyggda system fortsätter slutanvändarnas förväntningar och konkurrensen att driva efterfrågan på produkter med större funktionalitet som levereras i ett krympande tidsfönster för marknadslansering. Användare eftertraktar system som är enklare att ansluta, använda och underhålla. Som ett resultat, står utvecklare inför utmaningar längs flera fronter. För trådlös konnektivitet medför trådlösa lösningar för kort eller lång räckvidd ytterligare krav för certifiering av deras konstruktioner; implementering av lämpliga visningsfunktioner ökar konstruktionens komplexitet och kostnad; och att säkerställa fortlöpande tillförlitlighet och långsiktig tillgänglighet av dessa system utmanar utvecklare att hitta lösningar som tål tuffa förhållanden och som även förblir tillgängliga under de långa livscykler som ofta hittas i industriella eller medicinska tillämpningar.

För vissa tillämpningar är en lämplig lösning kritiskt beroende av anpassade konstruktionsmetoder för att optimera varje delsystem för att uppfylla kraven. I allt högre grad erbjuder kommersiellt tillgängliga lösningar en plattform som lätt kan expanderas för att stödja de unika kraven inom en lång rad tillämpningsområden. Ändå betraktar utvecklingsteam ibland beslutet att bygga anpassade lösningar jämfört med att köpa färdigbyggda system enbart i termer av utvecklingskostnader, och räknar med att det kostar mindre att bygga en anpassad konstruktion från grunden än att köpa en färdig konstruktion.

Faktum är att utvecklingsteam kan upptäcka att andra överväganden, inklusive trådlös certifiering, tillgänglighet, underhållsmöjligheter och andra livscykelaspekter kan öka den totala kostnaden. På en snabbrörlig marknad kan fördröjningen som krävs för att implementera en anpassad konstruktion ytterligare urholka marknadsandelarna och förkorta den lönsamma perioden, vilket i slutändan begränsar lönsamheten för en ny produkt.

För att ta itu med dessa problem, erbjuder Digi CC-WMX8MN-KIT ConnectCore 8M Nano-utvecklingssats ett effektivt alternativ till egen utveckling, vilket ger en nyckelfärdig plattform som uppfyller kraven på prestanda och kostnader inom ett brett fält av tillämpningar (figur 1).

Figur 1: Digi CC-WMX8MN-KIT ConnectCore 8M Nano-utvecklingssats ger allt som behövs för att börja utveckla anslutna system som kan uppfylla de allt högre kraven på HMI-design, ljud-/videobehandling, beräkningar i molnkanten och maskininlärning. (Bildkälla: Digi)

Hur en nyckelfärdig lösning tillgodoser olika funktionsbehov

Digi CC-WMX8MN-KIT ConnectCore 8M Nano-utvecklingssats ger en bred hårdvaruplattform som är utformad för att minska utvecklingstiden och tiden till marknadslansering av system. Med hjälp av denna sats kan utvecklare enkelt implementera system som skalas upp för att stödja tillämpningar som varierar så brett som HMI-design, ljud-/videobehandling, molnkantsberäkningar, maskininlärning och annat. Tillsammans med Digi ConnectCore 8M Nano-utvecklingskort, innehåller satsen en dubbelbandsantenn, en konsolportkabel och en strömförsörjning så att utvecklare omedelbart kan börja skapa uppkopplade tillämpningar.

Som med andra CoreConnect-utvecklingssatser från Digi, utnyttjar ConnectCore 8M Nano-utvecklingssatsen Digi högintegrerade system-på-modul-lösningar (SoM). Digi ConnectCore SOM är baserad på medlemmar i NXP Semiconductors familj av i.MX-processorer och har integrerade funktioner för multimedia, säkerhet, trådbunden anslutning och förcertifierad trådlös anslutning, bland andra funktioner som krävs för typiska inbäddade applikationer. När de används i kombination med en omfattande mjukvarumiljö, förenklar dessa SoM inbyggd systemutveckling, vilket gör det möjligt för produkttillverkare att leverera mer sofistikerade produkter snabbare och med lägre risk än vad som vanligtvis är möjligt med anpassade hårdvarumetodiker.

För utvecklingskitet CC-WMX8MN-KIT kombinerar en Digi SOM kapaciteten hos NXP:s i.MX 8M Nano-processor baserad på fyra Arm®Cortex®-A53- och Arm Cortex-M7-kärnor med upp till 8 gigabyte (GB) Flash, upp till 1 GB LPDDR (Low Power Double Data Rate) dynamiskt slumpmässigt minnesutrymme (DRAM) och en rad ytterligare delsystem (figur 2).

Figur 2: Digis SoM är baserad på NXP:s i.MX 8M Nano-multicore-processor och integrerar funktioner för minne, konnektivitet, säkerhet och strömförsörjningshantering, vilket krävs i typiska konstruktioner av inbäddade system. (Bildkälla: Digi)

Bland sina delsystem har SoM en integrerad säkerhetsmodul från Microchip TechnologyCryptoAuthentication-familj som kompletterar Arm Cortex-A53-kärnornas TrustZone-säkerhetsfunktioner. CryptoAuthentication-modulen kombinerar en dedikerad kryptografisk processor, högkvalitativ slumptalsgenerator och skyddad nyckellagring för att köra säker, snabb exekvering av hash- och public key-infrastrukturalgoritmer (PKI).

SoM:ens inbyggda anslutningsmöjligheter stödjer gigabit Ethernet (GbE) samt förcertifierat 802.11 a/b/g/n/ac Wi-Fi och Bluetooth 5. För att uppfylla Wide-Area-nätverkskraven, kan utvecklare lägga till mobila och andra anslutningsmöjligheter genom att enkelt ansluta Digi XBEE-mobilmoduler till CC-WMX8MN-KIT-kortets uppsättning XBEE-kompatibla kontaktdon.

Tillsammans med en komplett uppsättning standardgränssnitt för kringutrustning, stöder SoM flera multimediagränssnitt för ljud, kamera och skärmar. En integrerad grafikprocessor och LCDIF-styrenhet (Liquid Crystal Display Interface) gör det möjligt för utvecklare att enkelt lägga till en extra LCD-panel som Digi CC-ACC-LCDW-10 och snabbt börja utforma HMI för sina inbäddade applikationer.

Hantera strömförsörjningen i konstruktioner med avancerade processorer

Att hantera strömförsörjningen i ett komplext inbäddat system kan vara en betydande utmaning, särskilt när en systemkonstruktion inbegriper en avancerad processor som NXP i.MX 8M Nano. Som med andra processorer i den här klassen grupperar NXP i.MX 8M Nano sina många distinkta delsystem i separata strömförsörjningssektioner för sina kärnprocessorer (VDD_ARM och VDD_SOC), GPU (VDD_GPU), minne (VDD_DRAM, NVCC_DRAM), säker icke-flyktig lagring (NVCC_SNVS_1P8, VDD_SNVS_0P8) och många andra. Utvecklarna behöver inte bara tillhandahålla lämpliga strömmatningsbanor för varje domän, utan också mata (och avlägsna) strömmen till varje domän i en specifik tidssekvens (Figur 3).

Figur 3: Som med de flesta avancerade processorer delar NXP i.MX 8M Nano upp sina delsystem i separata strömförsörjningsdomäner som kräver att deras enskilda strömmatningsbanor slås på i en specifik sekvens vid uppstart. (Bildkälla: NXP Semiconductor)

I själva verket kräver Digis ConnectCore i.MX 8M Nano SoM bara två strömförsörjningsingångar och använder ROHM SemiconductorsBD71850MWV Power Management IC (PMIC) för att leverera de olika matningsspänningsnivåer som behövs av i.MX 8M Nano-processorn och andra enheter. ROHM BD71850MWV är utformad speciellt för att stödja NXP i.MX 8M Nano-processorn och integrerar flera buck-regulatorer och LDO-regulatorer (Low Dropout) för att leverera en komplett uppsättning strömmatningsbanor från en primär VSYS 5-voltsförsörjning (Figur 4).

Figur 4: ROHM BD71850MWV PMIC är speciellt utformad för att leverera NXP i.MX 8M Nano-processor och ger en komplett uppsättning strömskenor som krävs av processorn samt andra enheter i en typisk inbäddad systemkonstruktion. (Bildkälla: ROHM Semiconductor)

Även om BD71850MWV hanterar de detaljerade uppstarts- och avstängningssekvenser som krävs för processorn, lägger Digi till ytterligare en styrnivå som är utvecklad för att optimera den totala energiförbrukningen och hålla systemet tillförlitligt. Digis Microcontroller Assist (MCA) använder - integrerat i SoM:en - en dedikerad NXP Kinetis KL17 MKL17Z64VDA4-microcontroller för strömhantering på systemnivå. NXP Kinetis KL17-microcontrollern - som bygger på Ultra Cortex-M0+-kärnan med låg effekt - förbrukar endast 46 μA per MHz i lågeffektdrivläge och 1,68 μA i stoppläge, där den bibehåller minnes- och realtidsklockfunktion (RTC).

MCA:n är konstruerad för att vara aktiv även när systemet är i viloläge och kör uppgraderbar firmware på KL17-microcontrollern för att ge större möjligheter att väcka NXP i.MX 8M Nano-systemprocessorn. Exempelvis ställer Digi in en standardinställning som inaktiverar systemprocessorns RTC, till förmån för en RTC-funktionalitet med lägre effekt som är implementerad i MCA:ns firmware. Utvecklare kan använda MCA:ns 12 bitars A/D-omvandlare (ADC) för att övervaka externa händelser och generera ett interrupt för att bara väcka systemprocessorn när det behövs. Och omvänt implementerar MCA:ns firmware tre flerkanaliga pulsbreddsstyrenheter (PWM) för externa operationer. För att säkerställa övergripande systemtillförlitlighet, erbjuder MCA:ns firmware också watchdog-timerfunktionalitet som resettar hela systemet eller bara systemprocessorn, om programvaran som körs på den processorn hänger sig eller på annat sätt inte utför sedvanligt watchdog-timerunderhåll under normal programkörning.

Vid systemstart startar MCA-körningen så snart den får ström. Efter en programmerbar fördröjning startar MCA:n i sin tur BD71850MWV PMIC:en, som kör i.MX 8M Nano power up-sekvensen som beskrivits tidigare. Systemåterställning eller övergång från viloläge med låg effekt fungerar på ungefär samma sätt som den MCA-koordinerande effektåterställningen med PMIC och processor.

En produktionsklar inbäddad Linux-mjukvarumiljö

Digi-utvecklingssatsen CC-WMX8MN-KIT använder sin omfattande hårdvarubas för att tillhandahålla en produktionsklar mjukvarumiljö som kör den öppna källkoden Digi Embedded Yocto (DEY). Baserat på Yocto-projekts populära inbäddade Linux-distribution, utökar DEY denna grunddistribution med ytterligare kortstödsfunktioner (BSP) utformade specifikt för att stödja Digi-hårdvaruplattformen (figur 5).

Figur 5: Digi Embedded Yocto utökar distributionen av Yocto Project Linux-grunden med BSP-tillägg för Digi-hårdvara. (Bildkälla: Digi)

Bland BSP-tilläggen till Linux-kärnan erbjuder Digi TrustFence en säkerhetsram för Linux-enheter. Med hjälp av autentiserings- och identitetshanteringsfunktionerna sträcker sig TrustFence-tjänster från lågnivå-åtkomstkontroll av interna och externa I/O-portar till högnivåsupport för säkra nätverksanslutningar och säker bootning med validerade firmwareavbildningar. Även om det inte stöds initialt på ConnectCore 8M Nano-modulen, kommer Digi TrustZone att finnas tillgängligt i en framtida DEY-utgåva.

Förutom att använda säkerhet och hantering på individuell enhetsnivå, behöver storskaliga IoT-applikationer utan tvekan förmågan att övervaka och hantera flottor av IoT-enheter. För att möta dessa krav, erbjuder Digi Remote Manager en molnbaserad tjänst utformad för att stödja övervakning av enhetens hälsa, konfigurationshantering och firmwareuppdateringar. Med hjälp av en mobilapp eller applikation på dator kan utvecklare använda Digi Remote Manager för att visa detaljer om enhetsflottans operationer, inklusive enheters hälsotillstånd, varningar, anslutningsstatus och signalstyrka (figur 6).

Figur 6: Den molnbaserade tjänsten Digi Remote Manager tillåter utvecklare att övervaka och hantera storskaliga IoT-distributioner från sin stationära eller mobila enhet. (Bildkälla: Digi)

Förutom sina övervakningsfunktioner låter Digi Remote Manager utvecklare mer aktivt hantera data, anslutningar och enhetsprogramvara interaktivt med kommandoraden eller programmatiskt med hjälp av tjänstens applikationsprogrammeringsgränssnitt (API). Med hjälp av dessa funktioner kan utvecklare starta om enheter och ladda upp filer, enkelt utföra massuppdateringar av firmware och mjukvara för hela flottan som krävs med typiska, anslutna enheter, men som ofta är logistiskt utmanande i storskaliga distributioner.

Slutsats

Efterfrågan på mer sofistikerade applikationer inom industri-, medicin-, transport- och jordbrukssektorn ställer krav på mer komplex IoT-orienterad inbäddad systemkonstruktion. Regionala certifieringskrav för tillhörande trådlösa delsystem har också komplicerat saker och ting och saktat ner konstruktionsarbetet.

För att lösa problemen finns ett utvecklingspaket från Digi som erbjuder en omfattande mjukvarumiljö och en optimerad hårdvaruplattform med förcertifierade trådlösa moduler. Som vi har visat kan utvecklare med hjälp av satsen lättare och snabbare leverera kraftfulla uppkopplade inbäddade systemlösningar.