嵌入式系統(tǒng)原型設(shè)計(jì)

嵌入式系統(tǒng)原型設(shè)計(jì)的未來(lái)

盡管一些行業(yè)年復(fù)一年地經(jīng)歷了嵌入式系統(tǒng)復(fù)雜性的不斷增加，但未來(lái)幾年不太可能有任何行業(yè)能夠擺脫它。一些新興趨勢(shì)促成了這一點(diǎn)，主要是對(duì)互聯(lián)網(wǎng)連接或網(wǎng)絡(luò)傳感器、控制器和執(zhí)行器以及物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 的推動(dòng)。這種轉(zhuǎn)變也轉(zhuǎn)向電氣化系統(tǒng)，并為以前的機(jī)械或模擬電氣系統(tǒng)增加“智能”。因此，設(shè)計(jì)人員和開(kāi)發(fā)人員在進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的因素越來(lái)越多。

這些趨勢(shì)在可再生能源、汽車(chē)、工業(yè)和射頻/微波通信行業(yè)中很明顯，在短短幾年內(nèi)，傳統(tǒng)的模擬嵌入式電子控制系統(tǒng)主要被微控制器（MCU）、微處理器（MPU）、數(shù)字信號(hào)控制器（DSC）和大量數(shù)字驅(qū)動(dòng)外設(shè)所取代。

嵌入式系統(tǒng)的復(fù)雜性和數(shù)量不斷增加，為敏捷且技能嫻熟的組織創(chuàng)造了機(jī)會(huì)和新市場(chǎng)，以便在這些機(jī)會(huì)出現(xiàn)時(shí)快速響應(yīng)。然而，響應(yīng)市場(chǎng)的任務(wù)已成為一項(xiàng)更大的挑戰(zhàn)，這不僅是因?yàn)楝F(xiàn)代嵌入式系統(tǒng)的普遍復(fù)雜性，而且現(xiàn)在還由于消費(fèi)者需求的快速變化，從而減少了理想的市場(chǎng)窗口。這在幾乎每個(gè)行業(yè)的原始電子制造商（OEM）中引起了爭(zhēng)論。無(wú)論是購(gòu)買(mǎi)商用現(xiàn)貨 （COTS） 解決方案、從頭開(kāi)始開(kāi)發(fā)產(chǎn)品，還是修改 COTS 以適應(yīng)所需的規(guī)格，可能的解決方案的數(shù)量只會(huì)使情況變得更加復(fù)雜。

無(wú)論采用哪種方法，在為新的嵌入式設(shè)計(jì)選擇MCU、MPU或DSC時(shí)，有幾個(gè)主要考慮因素。這包括開(kāi)發(fā)板的選擇、補(bǔ)充應(yīng)用程序并與開(kāi)發(fā)板兼容的模塊、早期開(kāi)發(fā)軟件和資源、原型/概念驗(yàn)證系統(tǒng)安全性和最終產(chǎn)品安全性之間的差異，以及從原型到生產(chǎn)的過(guò)渡。Microchip設(shè)計(jì)人員認(rèn)識(shí)到這些挑戰(zhàn)，實(shí)施了開(kāi)發(fā)硬件，軟件和資源的生態(tài)系統(tǒng)，以幫助設(shè)計(jì)人員和開(kāi)發(fā)人員進(jìn)行這些考慮和過(guò)渡。

本文旨在討論與為嵌入式設(shè)計(jì)選擇MCU、MPU或DSC相關(guān)的早期設(shè)計(jì)階段考慮因素，以及Microchip的硬件和軟件工具生態(tài)系統(tǒng)如何在整個(gè)早期設(shè)計(jì)過(guò)程中為設(shè)計(jì)人員和開(kāi)發(fā)人員提供支持，然后過(guò)渡到生產(chǎn)。本文還介紹了最新物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的不同嵌入式設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)。

開(kāi)發(fā)板和 MCU、MPU 和 DSC 選項(xiàng)

開(kāi)發(fā)板是概念驗(yàn)證和原型設(shè)計(jì)階段的關(guān)鍵資源，使設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)能夠更輕松地適應(yīng)新 MCU、MPU 或 DSC 的學(xué)習(xí)曲線。一個(gè)好的開(kāi)發(fā)板通常包括訪問(wèn)器件的所有引腳、外設(shè)功能、外部模塊以及允許輕松編程和調(diào)試的接口。理想情況下，幾個(gè)LS開(kāi)發(fā)板可用于給定的器件系列，因此根據(jù)設(shè)計(jì)人員的需求、熟悉程度和技能水平，將有一個(gè)“最合適”的選項(xiàng)。對(duì)于不確定他們需要的確切器件的設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，另一個(gè)有價(jià)值的特性是能夠交換器件的開(kāi)發(fā)板，以便可以使用用于比較和開(kāi)發(fā)的通用平臺(tái)。

Microchip提供多種開(kāi)發(fā)板系列，旨在使早期開(kāi)發(fā)更容易獲得。許多Microchip開(kāi)發(fā)板選項(xiàng)通常專(zhuān)用于特定的處理器系列或具有可交換的處理器基礎(chǔ)設(shè)施，并且大多數(shù)包括擴(kuò)展選項(xiàng)以添加常用功能。這些板采用高效緊湊的設(shè)計(jì)，并與Microchip廣泛的軟件開(kāi)發(fā)工具和資源生態(tài)系統(tǒng)兼容。

模塊 在嵌入式系統(tǒng)原型設(shè)計(jì)已經(jīng)很繁忙的任務(wù)之上，必須設(shè)計(jì)、構(gòu)建和測(cè)試外部傳感器、執(zhí)行器、控制、通信和用戶(hù)界面模塊

通常本身就是一項(xiàng)壯舉。具有內(nèi)置外部模塊接口的開(kāi)發(fā)板支持各種功能，可以顯著縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間，評(píng)估模塊上安裝的組件，并允許進(jìn)行創(chuàng)造性實(shí)驗(yàn)。

一個(gè)由許多Microchip開(kāi)發(fā)板支持的優(yōu)秀模塊系統(tǒng)是MikroElektronika Click板。mikroBUS 模塊系統(tǒng)具有出色的可擴(kuò)展性和可訪問(wèn)性，有數(shù)百個(gè)模塊支持廣泛的傳感、控制、驅(qū)動(dòng)、通信和接口。此外，點(diǎn)擊板可以以相當(dāng)即插即用的風(fēng)格進(jìn)行交換，這使得點(diǎn)擊板和功能之間的切換變得簡(jiǎn)單。Click 板模塊的幾個(gè)示例包括顯示器、電機(jī)控制器、存儲(chǔ)、人機(jī)接口、傳感器、無(wú)線通信硬件等。

其他Microchip開(kāi)發(fā)板也可以通過(guò)擴(kuò)展套件（如Xplained PRO擴(kuò)展套件和附加板）進(jìn)行高度擴(kuò)展。此類(lèi)擴(kuò)展套件具有無(wú)線電收發(fā)器、Wi-Fi? 控制器、ZigBit 模塊、加密身份驗(yàn)證?設(shè)備、以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)、SD 卡接口、觸摸/圖形顯示器等。

安全性

在漏洞利用和黑客攻擊的時(shí)代，設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)嵌入式設(shè)備對(duì)于許多組織來(lái)說(shuō)是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。由于嵌入式設(shè)備（如采購(gòu)、硬件、固件、軟件、內(nèi)存/存儲(chǔ)、連接和云網(wǎng)絡(luò)）具有如此多的安全級(jí)別，因此設(shè)計(jì)人員和開(kāi)發(fā)人員在內(nèi)部處理安全性的各個(gè)方面都具有挑戰(zhàn)性。此外，測(cè)試和確保嵌入式設(shè)備各個(gè)方面都是安全的基礎(chǔ)設(shè)施超出了許多組織的范圍。

Microchip從多個(gè)角度加強(qiáng)了安全性。他們提供與其開(kāi)發(fā)板配合使用的加密身份驗(yàn)證模塊，使開(kāi)發(fā)安全功能更快、更容易，以及開(kāi)箱即用的安全設(shè)備解決方案。例如，Microchip的零接觸配置（ZTP）加密身份驗(yàn)證設(shè)備消除采購(gòu)、硬件、連接和云安全問(wèn)題，無(wú)需 OEM 修改或重新編程設(shè)備 。

ZTP 系統(tǒng)與用于 AWS IoT 應(yīng)用程序的 ATECC508AMAHAW 設(shè)備一樣，使用防篡改安全技術(shù)來(lái)保護(hù)存儲(chǔ)和集成的橢圓曲線加密 （ECC） 硬件加速器。它還利用 AWS IoT 服務(wù)的即時(shí)注冊(cè)功能以及用于批量證書(shū)上傳的強(qiáng)制性 TLS 1.2/相互身份驗(yàn)證，Microchip 的安全設(shè)施可以在運(yùn)送設(shè)備之前處理預(yù)置。預(yù)配置的安全/身份驗(yàn)證以及集成的加密硬件使開(kāi)發(fā)人員能夠自信地采購(gòu)安全硬件，而不會(huì)因采購(gòu)問(wèn)題而暴露泄漏。或者，如果任何設(shè)備被惡意獲取和逆向工程。

由于安全物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的原型設(shè)計(jì)通常具有挑戰(zhàn)性，Microchip還提供與Google Cloud IoT Core平臺(tái)安全集成的安全物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)板。例如，AVR-IoT WG 板 （AC164160） 和 PIC-IoT 板 （AC16164） 都允許開(kāi)發(fā)人員在 60 秒內(nèi)獲得開(kāi)箱即用的云連接，從而提供基于硬件的安全私鑰存儲(chǔ)。此外，物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)板具有完全認(rèn)證的Wi-Fi和CryptoAuthentication安全元件，可快速開(kāi)發(fā)安全無(wú)線解決方案。最后，AVR-IoT WG 板中的 ATECC608A 安全元件可處理每個(gè)器件的身份驗(yàn)證并提供 ZTP 功能。

軟件 隨著嵌入式系統(tǒng)硬件、工具、軟件、技術(shù)和方法的變化速度，即使是經(jīng)驗(yàn)豐富的開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)在使用新的嵌入式設(shè)備時(shí)也可能會(huì)經(jīng)歷學(xué)習(xí)曲線。對(duì)于未配備面向特定設(shè)備的工具和資源的通用集成開(kāi)發(fā)環(huán)境尤其如此。另一方面，由于接口和加載嵌入式設(shè)備庫(kù)的不熟悉方面，供應(yīng)商軟件也可能是一個(gè)適應(yīng)環(huán)境的挑戰(zhàn)。此外，一些供應(yīng)商軟件專(zhuān)為專(zhuān)家用戶(hù)設(shè)計(jì)，對(duì)于入門(mén)級(jí)開(kāi)發(fā)人員，甚至是經(jīng)驗(yàn)豐富的開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)，如果不學(xué)習(xí)新平臺(tái)，就會(huì)令人生畏。

Microchip擁有專(zhuān)業(yè)開(kāi)發(fā)的硬件、軟件和資源生態(tài)系統(tǒng)，通過(guò)提供各種IDE、易于整合的軟件庫(kù)以及豐富的參考設(shè)計(jì)和隨附的示例代碼，更好地為各種技能和熟悉程度的開(kāi)發(fā)人員提供便利。

此外，Microchip的許多設(shè)備都支持免費(fèi)提供的示例代碼，可通過(guò)IDE訪問(wèn)，包括IDE中的工具，這些工具有助于簡(jiǎn)化特定于設(shè)備的功能和特性的開(kāi)發(fā)。

過(guò)渡到生產(chǎn)

在開(kāi)發(fā)的概念驗(yàn)證和原型設(shè)計(jì)階段之后，通常在開(kāi)發(fā)階段期間，設(shè)計(jì)師和開(kāi)發(fā)人員需要開(kāi)始生產(chǎn)和軟件設(shè)計(jì)。在這個(gè)過(guò)渡過(guò)程中，許多設(shè)計(jì)師和開(kāi)發(fā)人員必須從頭開(kāi)始，因?yàn)樗麄兛赡苤皇撬缮⒌剡x擇了原型系統(tǒng)。表示可在生產(chǎn)中使用的內(nèi)容。

Microchip硬件和IDE的情況并非如此。由于在原型設(shè)計(jì)期間編寫(xiě)的代碼甚至可以從入門(mén)級(jí) IDE 輕松移植到專(zhuān)業(yè)級(jí)工具，因此它們將與生產(chǎn)硬件中實(shí)現(xiàn)的開(kāi)發(fā)板中的相同設(shè)備無(wú)縫協(xié)作。因此，在Microchip生態(tài)系統(tǒng)中工作使開(kāi)發(fā)人員能夠編寫(xiě)一次代碼，甚至可以輕松地在項(xiàng)目之間重用代碼。

簡(jiǎn)化原型設(shè)計(jì)到生產(chǎn)

現(xiàn)代嵌入式電子產(chǎn)品，無(wú)論是用于消費(fèi)、商業(yè)還是工業(yè)應(yīng)用，都變得越來(lái)越復(fù)雜，用于原型設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)此類(lèi)系統(tǒng)的工具也變得越來(lái)越復(fù)雜。開(kāi)發(fā)概念驗(yàn)證所需的學(xué)習(xí)曲線和設(shè)計(jì)資源隨著最新電子產(chǎn)品的復(fù)雜性和多樣性而變得成比例。

審核編輯：郭婷