使用現(xiàn)成即用的嵌入式 Linux 多核平臺(tái)加快嵌入式無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)

作者：Stephen Evanczuk

先進(jìn)的工業(yè)、醫(yī)療、交通和農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng) （IoT）應(yīng)用需要更復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在這種情況下，盡管面臨著更緊的工期和不斷縮減的預(yù)算，但開(kāi)發(fā)人員別無(wú)選擇，只能自制開(kāi)發(fā)板，以滿足性能、連接性和外設(shè)要求。即使可能有現(xiàn)成的開(kāi)發(fā)板，但性能、功耗、尺寸、外形和功能這些因素會(huì)限制其適用性。

然而，在物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) （IIoT）無(wú)處不在的時(shí)代，即使是最高效的定制開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)也會(huì)因無(wú)線子系統(tǒng)的區(qū)域認(rèn)證要求而被延誤，導(dǎo)致減緩交付速度，失去市場(chǎng)機(jī)會(huì)。

本文將討論無(wú)線嵌入式開(kāi)發(fā)板的造與買的問(wèn)題。然后介紹來(lái)自 Digi的一款交鑰匙型開(kāi)發(fā)平臺(tái)，該平臺(tái)提供了全面的軟件環(huán)境和具有預(yù)認(rèn)證無(wú)線模塊的優(yōu)化硬件平臺(tái)。本文還展示了如何使用該套件來(lái)幫助開(kāi)發(fā)人員快速輕松地交付功能更強(qiáng)大的嵌入式系統(tǒng)解決方案。

嵌入式開(kāi)發(fā)板自制與外購(gòu)之對(duì)比

伴隨著終端用戶的產(chǎn)品期望和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)壓力，嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員需要在不斷縮小的上市時(shí)間窗口內(nèi)提供更多功能。用戶偏愛(ài)更易于連接、使用和維護(hù)的系統(tǒng)。因此，開(kāi)發(fā)人員在許多方面面臨著日益增長(zhǎng)的挑戰(zhàn)。對(duì)于無(wú)線連接，短距離和長(zhǎng)距離無(wú)線解決方案帶來(lái)了相關(guān)的設(shè)計(jì)認(rèn)證要求；實(shí)現(xiàn)合適的顯示功能增加了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和成本；確保這些系統(tǒng)的持續(xù)可靠性和長(zhǎng)期可用性對(duì)開(kāi)發(fā)人員提出了挑戰(zhàn)，他們需要找到能夠承受嚴(yán)苛條件，還能在工業(yè)或醫(yī)療應(yīng)用中常見(jiàn)的長(zhǎng)生命周期內(nèi)保持可用的解決方案。

對(duì)于某些應(yīng)用，合適的解決方案非常依賴于定制設(shè)計(jì)方法來(lái)優(yōu)化每個(gè)子系統(tǒng)，以滿足要求。但是，越來(lái)越多的現(xiàn)成設(shè)計(jì)解決方案提供了一個(gè)可以輕松擴(kuò)展的平臺(tái)，以支持各種應(yīng)用領(lǐng)域的獨(dú)特要求。然而，開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)有時(shí)會(huì)純粹從開(kāi)發(fā)成本的角度來(lái)決定構(gòu)建定制解決方案而不是購(gòu)買預(yù)先構(gòu)建好的系統(tǒng)，他們計(jì)算得出從頭開(kāi)始構(gòu)建定制設(shè)計(jì)要比購(gòu)買現(xiàn)成的設(shè)計(jì)成本更低。

事實(shí)上，開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)會(huì)發(fā)現(xiàn)，包括無(wú)線認(rèn)證、可用性、可維護(hù)性和其他生命周期問(wèn)題在內(nèi)的其他考量因素會(huì)增加整體成本。在一個(gè)快速發(fā)展的市場(chǎng)中，實(shí)施定制設(shè)計(jì)造成的延遲會(huì)進(jìn)一步侵蝕市場(chǎng)份額和營(yíng)收時(shí)效，最終限制新產(chǎn)品的盈利能力。

為了解決這些問(wèn)題，Digi 推出了 CC-WMX8MN-KIT ConnectCore 8M Nano開(kāi)發(fā)套件，該套件是定制開(kāi)發(fā)的有效替代方案，提供了一個(gè)能夠滿足各種應(yīng)用的性能和成本要求的交鑰匙型平臺(tái)（圖 1）。

交鑰匙型解決方案如何滿足不同的功能需求

Digi CC-WMX8MN-KIT ConnectCore 8M Nano開(kāi)發(fā)套件提供了一個(gè)全面的硬件平臺(tái)，能夠縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間和系統(tǒng)上市時(shí)間。使用該套件，開(kāi)發(fā)人員可以輕松實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展的系統(tǒng)，以支持人機(jī)界面 （HMI）設(shè)計(jì)、音頻/視頻處理、邊緣計(jì)算、機(jī)器學(xué)習(xí)等各種應(yīng)用。除了 Digi ConnectCore 8M Nano開(kāi)發(fā)板，該套件還包括雙頻天線、控制臺(tái)端口電纜和電源，因此開(kāi)發(fā)人員可以立即開(kāi)始創(chuàng)建互連應(yīng)用。

與 Digi 的其他 CoreConnect 開(kāi)發(fā)套件一樣，ConnectCore 8M Nano 開(kāi)發(fā)套件也利用了 Digi 的高度集成系統(tǒng)級(jí)模塊（SoM） 解決方案。Digi 的 ConnectCore SOM 以 NXP Semiconductor 的 i.MX處理器系列為基礎(chǔ)，集成了多媒體、安全、有線連接和預(yù)認(rèn)證型無(wú)線連接等典型嵌入式應(yīng)用所需的功能。與廣泛的軟件環(huán)境結(jié)合使用，這些 SoM簡(jiǎn)化了嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，相比通常使用的定制硬件方法，能夠讓產(chǎn)品制造商以更快的速度和更低的風(fēng)險(xiǎn)提供更復(fù)雜的產(chǎn)品。

對(duì)于CC-WMX8MN-KIT開(kāi)發(fā)套件，Digi SOM將恩智浦基于四Arm? Cortex?-A53和Arm Cortex-M7內(nèi)核的i.MX 8MNano處理器的功能與高達(dá)8千兆字節(jié)（GB）的閃存、高達(dá)1GB的低功耗雙數(shù)據(jù)率（LPDDR）動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（DRAM）以及一系列附加子系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)（圖2）。

在其子系統(tǒng)中，該 SoM 集成了 Microchip Technology 的 CryptoAuthentication 系列安全器件，補(bǔ)充了 ArmCortex-A53 內(nèi)核的 TrustZone 安全功能。而 CryptoAuthentication器件結(jié)合了專用加密處理器、高質(zhì)量隨機(jī)數(shù)發(fā)生器和受保護(hù)密鑰存儲(chǔ)，用以實(shí)現(xiàn)哈希和公鑰基礎(chǔ)設(shè)施（PKI） 算法的高速安全執(zhí)行。

SoM 的內(nèi)置連接選項(xiàng)支持千兆位以太網(wǎng) （GbE） 以及預(yù)先認(rèn)證的 802.11 a/b/g/n/ac Wi-Fi 和藍(lán)牙5。為了滿足廣域網(wǎng)的需求，開(kāi)發(fā)人員只需將 Digi 的 XBEE 蜂窩模塊連接到 CC-WMX8MN-KIT 開(kāi)發(fā)板的 XBEE兼容連接器組，即可添加蜂窩連接和其他連接選項(xiàng)。

除了全套標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)接口，SoM 還支持用于音頻、攝像頭和顯示器的多種多媒體接口。集成的圖形處理單元和液晶顯示接口 （LCDIF）控制器讓開(kāi)發(fā)人員可以輕松添加可選的 LCD 面板，如 Digi 的 CC-ACC-LCDW-10，并快速開(kāi)始為其嵌入式應(yīng)用創(chuàng)建 HMI 設(shè)計(jì)。

基于高級(jí)處理器的設(shè)計(jì)中的電源管理

復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)的電源管理可能是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)，尤其是當(dāng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)集成了像 NXP 的 i.MX 8M Nano
這樣的高級(jí)處理器時(shí)。與同類其他處理器一樣，NXP 的 i.MX 8M Nano 將核心處理器（VDD_ARM 和 VDD_SOC）、GPU（VDD_GPU）、存儲(chǔ)器（VDD_DRAM、NVCC_DRAM）、安全非易失性存儲(chǔ)（NVCC_SNVS_1P8、VDD_SNVS_0P8）等許多不同的子系統(tǒng)分為獨(dú)立的功率域。開(kāi)發(fā)人員不僅需要為每個(gè)域提供適當(dāng)?shù)碾娫窜墸€需要以特定的時(shí)序?yàn)槊總€(gè)域供電（和斷電）（圖3）。

事實(shí)上，Digi 的 ConnectCore i.MX 8M Nano SoM 只需要兩個(gè)電源輸入并使用 ROHM Semiconductor 的BD71850MWV 電源管理 IC （PMIC） 提供 i.MX 8M Nano 處理器和其他器件所需的多種供電電壓電平。ROHM BD71850MWV專為支持 NXP 的 i.MX 8M Nano 處理器而設(shè)計(jì)，集成了多個(gè)降壓穩(wěn)壓器和低壓差 （LDO） 穩(wěn)壓器，從 VSYS 5 V 主電源提供整套電源軌（圖4）。

雖然 BD71850MWV 可管理處理器所需的詳細(xì)上電和斷電時(shí)序，但 Digi 進(jìn)一步提高了控制級(jí)別，旨在優(yōu)化總體功耗并保持系統(tǒng)可靠性。Digi微控制器輔助器件 （MCA） 集成在 SoM 中，采用 NXP 的專用 Kinetis KL17 MKL17Z64VDA4 微控制器 （MCU）進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)電源管理。NXP 的 Kinetis KL17 MCU 采用超低功耗 Arm Cortex-M0+ 內(nèi)核，在超低功耗運(yùn)行模式下，每兆赫 （MHz）僅消耗 46 微安 （μA），在維持內(nèi)存和實(shí)時(shí)時(shí)鐘 （RTC） 功能的停止模式下，僅消耗 1.68 μA。

MCA 即使在系統(tǒng)處于休眠模式時(shí)也能保持活動(dòng)狀態(tài)，能執(zhí)行在 KL17 MCU 上運(yùn)行的可升級(jí)固件，以提供多個(gè)選項(xiàng)來(lái)喚醒 NXP 的 i.MX 8MNano 系統(tǒng)處理器。例如，Digi 采用了一項(xiàng)默認(rèn)設(shè)置，以禁用系統(tǒng)處理器的 RTC，轉(zhuǎn)而利用 MCA 固件中實(shí)現(xiàn)的低功耗 RTC 功能。開(kāi)發(fā)人員可以使用該MCA 的 12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 來(lái)監(jiān)控外部事件，并僅在需要時(shí)生成中斷來(lái)喚醒系統(tǒng)處理器。反過(guò)來(lái)，MCA 固件實(shí)現(xiàn)了三個(gè)用于外部操作的多通道脈沖寬度調(diào)制（PWM） 控制器。為了幫助確保整體系統(tǒng)可靠性，MCA固件還提供看門(mén)狗定時(shí)器功能，如果該處理器上運(yùn)行的軟件掛起，或該軟件在正常軟件執(zhí)行期間不執(zhí)行常規(guī)的看門(mén)狗定時(shí)器維護(hù)，則該功能可重置整個(gè)系統(tǒng)或僅重置系統(tǒng)處理器。

在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，一旦通電，MCA 就會(huì)開(kāi)始運(yùn)行。經(jīng)過(guò)可編程的延遲后，MCA 又會(huì)啟動(dòng) BD71850MWV PMIC，后者執(zhí)行前文所述的 i.MX 8MNano 上電時(shí)序。系統(tǒng)復(fù)位或從低功耗休眠狀態(tài)轉(zhuǎn)換的方式與 MCA 協(xié)調(diào) PMIC 和處理器恢復(fù)電源的方式基本相同。

生產(chǎn)就緒型嵌入式 Linux 軟件環(huán)境

Digi CC-WMX8MN-KIT 開(kāi)發(fā)套件利用其廣泛的硬件基礎(chǔ)，提供了一個(gè)運(yùn)行開(kāi)源 Digi Embedded Yocto （DEY）的生產(chǎn)就緒型軟件環(huán)境。DEY 以 Yocto Project 廣受歡迎的嵌入式 Linux 發(fā)行版為基礎(chǔ)進(jìn)行了擴(kuò)展，增加了專門(mén)為支持 Digi硬件平臺(tái)而設(shè)計(jì)的附加板級(jí)支持包 （BSP） 功能（圖 5）。

在 Linux 內(nèi)核的 BSP 擴(kuò)展中，Digi 的 TrustFence 為 Linux設(shè)備提供了一個(gè)安全框架。利用其身份驗(yàn)證和身份管理功能，TrustFence 服務(wù)從低級(jí)別的內(nèi)部和外部 I/O端口訪問(wèn)控制，擴(kuò)展到高級(jí)別的支持，以確保安全的網(wǎng)絡(luò)連接以及使用經(jīng)驗(yàn)證固件映像進(jìn)行安全引導(dǎo)。雖然最初不受 ConnectCore 8M Nano 模塊支持，但Digi TrustZone 將在未來(lái)的 DEY 版本中提供。

除了各個(gè)設(shè)備層面的安全和管理，大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用還不可避免地需要監(jiān)控和管理物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備群的能力。為了支持這些要求，Digi Remote Manager提供基于云的服務(wù)，旨在支持設(shè)備運(yùn)行狀況監(jiān)視、配置管理和固件更新。使用移動(dòng) APP 或桌面軟件，開(kāi)發(fā)人員可以通過(guò) Digi Remote Manager來(lái)顯示設(shè)備群的詳細(xì)運(yùn)行信息，包括設(shè)備群運(yùn)行狀況、警報(bào)、連接狀態(tài)和信號(hào)強(qiáng)度（圖 6）。

除了監(jiān)視功能外，Digi Remote Manager 還能讓開(kāi)發(fā)人員交互使用命令行或以編程方式使用該服務(wù)的應(yīng)用編程接口（API），更主動(dòng)地管理數(shù)據(jù)、連接和設(shè)備軟件。借助這些功能，開(kāi)發(fā)人員可以重新引導(dǎo)設(shè)備并上傳文件，從而輕松執(zhí)行典型互連設(shè)備所需的大規(guī)模設(shè)備群固件和軟件更新，但在大規(guī)模部署時(shí)通常會(huì)面臨后勤方面的挑戰(zhàn)。

結(jié)語(yǔ)

在工業(yè)、醫(yī)療、交通和農(nóng)業(yè)等細(xì)分市場(chǎng)中，應(yīng)用需求越來(lái)越復(fù)雜，這推動(dòng)了對(duì)更復(fù)雜的面向物聯(lián)網(wǎng)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需求。相關(guān)無(wú)線子系統(tǒng)的地區(qū)性認(rèn)證要求也使問(wèn)題復(fù)雜化，并減緩了設(shè)計(jì)速度。

為了解決這些問(wèn)題，Digi推出一個(gè)開(kāi)發(fā)套件，為設(shè)計(jì)人員提供了一個(gè)全面的軟件環(huán)境和優(yōu)化的硬件平臺(tái)，并帶有經(jīng)過(guò)預(yù)先認(rèn)證的無(wú)線模塊。如上所述，該套件能夠讓開(kāi)發(fā)人員更輕松、更快速地交付功能強(qiáng)大的互連嵌入式系統(tǒng)解決方案。