Rutronik GmbH
Avtor: Bernd Hantsche
2017_255_8
Če naj »neumna« naprava postane pametna, se mora razvijalec spoprijeti s tehnologijami, kot so zaupanja vredni prehodi (trusted gateways), E2E-šifriranje, zasebni in javni ključi, protokoli in profili brezžične tehnologij ter Direktiva RED. Vendar pa obstajajo rešitve za IoT z enim čipom, ki upoštevajo vse vidike. V spodnjem pregledu je prikazano, ali ti resnično izpolnjujejo svoje obljube in katere pasti se pojavljajo pri tem.
Začetni razred: sistemi M0 Core
Majhno jedro ARM Cortex M0 oz. M0+ zadostuje za mnoge vrste uporabe. Z njim je mogoče posredovati merilne podatke v oblak, da se pridobijo podatki glede obrabe in vedenja med uporabo in za izvedbo daljinskega prilagajanja. Z namestitvami »Over The Air« je mogoče posodobiti vdelano programsko opremo, radijske sklade in kodo aplikacije, da je tako omogočeno odzivanje na nove zakone, napake ali varnostne grožnje tudi v poprodajnem obdobju.
Pametni telefon je pogosto prva postaja na poti na splet. V ta namen je lahko koristen energetsko učinkovit vmesnik Bluetooth Low Energy (BLE). Pri tem so priljubljene naslednje čudežne rešitve z enim čipom.
Vodilni na trgu glede povezav BLE je Nordic Semiconductor s sistemom nRF51822. Družina izdelkov je na voljo s 16 ali 32 kB pomnilnika RAM, s 128 ali 256 kB bliskovnega pomnilnika in v okrovu QFN (Quad Flat No Leads) ali WLCSP (Wafer-Level Chip-Scale Package). Strojna oprema je zasnovana za nizko porabo energije in jo dopolnjujejo lastni skladi standarda Bluetooth ter mnoga razvojna orodja (Software Development Kits – SDK), specifična za aplikacije, kakor tudi izvrstna podpora. Uspeh te družine integriranih vezij (Integrated Circuits – IC) in obsežna ponudba programske opreme sta privabila tudi proizvajalce modulov.
Fujitsu se tako s svojimi moduli na osnovi sistema nRF51822 osredotoča predvsem na stranke z večjimi proizvodnimi ambicijami.
Dynastream uporablja nRF51422, velikega brata sistema nRF51822. Moduli družine N5 tako dodatno podpirajo rešitve SoftDevice S210 in S310. Medtem ko je protokol S210 čisti sklad ANT, protokol S310 predstavlja ustrezno različico z več protokoli za istočasno uporabo tehnologije ANT in BLE. To je smiselno pri povezovanju energetsko varčnega mrežastega ANT-omrežja s telefonom Apple iPhone, ki sam ne podpira tehnologije ANT.
RF Digital poleg golih različic sistema nRF51822 ponuja tudi družino RFduino. Pri tej je S110 SoftDevice že nameščen, nad njim pa je plast programske opreme, ki poenostavlja uporabo tehnologije BLE in generičnih priključkov GPIO (General Purpose Input/Output). Tako je mogoče s samo nekaj vrsticami kode izvesti aktuatorje ali senzorske naprave. Naslednje velja za vse primere uporabe tehnologije BLE: za različne operacijske sisteme pametnih telefonov je treba programirati individualne aplikacije. To pa ne velja za modul nRF51822 SIMBLEE: pripadajoče aplikacije se programirajo le enkrat in se shranijo v radijski modul. V trgovinah za pametne telefone je treba namestiti samo aplikacijo SIMBLEE, ki uvozi dejanske vsebine iz modula.
Najnovejši zastopnik na vezju Linecard podjetja Rutronik je InsightSiP in njegove rešitve sistema v modulu (system on module) na osnovi sistema nRF51822. Moduli ISP1302 v okrovu LGA (Land Grid Array) so veliki le 8 x 8 mm in imajo vgrajeno celo anteno.
Pri najnovejših različicah integriranih vezij IC TC35678 in TC35679 podjetja Toshiba je poudarek predvsem na različici z izredno nizko porabo energije (ultra low power). Sistemi pri obratovalni napetosti 3 V porabijo samo 3,6 mA v načinu TX in 3,3 mA v načinu RX.
Renesas z družino izdelkov RL78/G1D z lastnim jedrom s 16 biti in taktom 32 MHz, ki doseže 41 DMIPS (Dhrystone Million Instructions Per Second), je predstavnik iste lige. Na voljo so štiri različice: sistemi z enim čipom (SoC) s 128 kB, 192 kB in 256 kB bliskovnega pomnilnika in sistem v modulu (SoM) na osnovi vezja IC z bliskovnim pomnilnikom z 256 kB.
Za bolj zahtevne: sistemi M4 Core
Sistem nRF52832 ima primerjalni indeks EEMBC CoreMark 215 – oz. 65 CoreMark/mA ali tudi 3,36 CoreMark/MHz – in je tako najbrž trenutno najučinkovitejši sistem BLE SoC. Ta SoC je nameščen v okrovu QFN velikosti 6 x 6 mm z 48 priključki (pini) oz. v okrovu WLCSP vel. 3,2 x 3,0 mm na način, primeren za predelavo, oziroma s posebej majhno izvedbo. Z napajalno napetostjo od 1,7 V, ugodno za baterije, in nastavljivo zmogljivostjo oddajanja med +4d Bm in –20 dBm je primeren za večje dosege in tudi za varnostno kritične vrste uporabe, pri katerih je zaželen krajši doseg.
Sistem nRF52832 se vedno pogosteje uporablja pri razvoju naprav, za katere bi zadostoval nRF51822. Argumenti za to so med drugim integrirani filter s simetrirnim členom (balunom) ali oddajnik-sprejemnik NFC (Near Field Communication) za hitro vzpostavljanje (fast pairing) povezave Bluetooth. Na zunanjih sestavnih delih je potrebno samo enajst pasivnih komponent in kvarčni oscilator z 32 MHz!
Poleg sistema s čipom (SoC) obstajajo tudi različice v modulu (SoM). Te so na voljo že certificirane, praviloma za Evropo, Ameriko in Kanado. Serija Dynastream D52 na osnovi sistema nRF52832 nudi tudi certifikate za Japonsko, Avstralijo, Novo Zelandijo in Korejo. Čeprav oba kvarčna oscilatorja vsebujeta tiskano anteno, je modul velik le 14 x 9,8 mm. Kdor na svoji plošči tiskanega vezja (PCB) lahko žrtvuje tudi 20 x 20 mm, bo posegel po različici s 30 generičnimi priključki GPIO ali z vgrajenim 3-osnim senzorjem pospeška.
Tudi Telit in Fujitsu izdelujeta module na osnovi sistema nRF52832. Telit pri modulih Bluetooth, tako kot pri svojih celularnih serijah, stavi na načelo družine: tako je novi modul BlueMod+S42 velikosti 10 x 17 mm po obliki in pinih združljiv s starejšima moduloma BlueMod+S in BlueMod+SR, poleg tega obsega iste vmesnike programske opreme. Modul FWM7BLZ20 podjetja Fujitsu je majhne velikosti 15,7 x 9,8 mm in ima porabo 5,4 mA, s tem pa se uvršča med module z izredno nizko porabo energije (ultra low power).
Modul ISP1507 podjetja InsightSiP odlikuje vgrajena antena pri samo 8 x 8 mm potrebne površine.
Tudi Redpine Signals stavi na jedro ARM M4, vendar glede povezljivosti izbere svojo pot: družina WiSeMCU poleg tehnologije BLE podpira tudi klasičen Bluetooth EDR (Enhanced Data Rate), ZigBee in Dual Band WiFi. Vsi protokoli in uporabniški profili različnih radijskih standardov so že integrirani, tako da je pomnilnik s svojimi 128 kB pomnilnika SRAM in 1 MB bliskovnega pomnilnika dimenzioniran bolj velikodušno. Če se zdi RS10003-NBZ-D0M velikosti 21 x 15 mm in s celotno periferijo prevelik, RS100002-NBZ-S0M predstavlja bolj ugodno različico brez podpore za 5 GHz, vendar s 104 kB pomnilnika SRAM, 512 kB bliskovnega pomnilnika in vitke podobe s 14 x15 mm. Pri obeh različicah se je mogoče odpovedati tehnologiji ZigBee, WiFi ali Bluetooth 4.0 DM. To pomeni stroškovno ugodno izbiro z bolj učinkovito razpoložljivostjo kapacitete pomnilnika.
Za profesionalce: sistemi Atom Core
Intel dokazuje čedalje več prednosti uporabe arhitekture x86. Nabori ukazov, znani in priljubljeni že v časih Pentiuma, se sedaj uporabljajo tudi v majhnih mikroprocesorjih, vse tja do družine sistemov Quark. Sedaj pa je Intel iz vreče potegnil še ogromno kladivo in s sistemom Joule predstavil SoM na osnovi jedra Atom z 1,5 GHz in 1,7 GHz takta. Z do 8 GB (!) pomnilnika RAM in 16 GB bliskovnega pomnilnika, tehnologija mi WiFi, BLE, HDMI, USB 3.0 in že nameščeno distribucijo Linux ima ta majhen modul velikosti 24 x 48 mm dovolj moči za 3D-modeliranje v realnem času, sledenje osebam, interakcije z ljudmi in naloge prepoznavanja objektov. Povezljivost sicer omogočata vgrajeni WiFi in Bluetooth, vendar pa lahko lokalna računalniška zmogljivost pri mnogih vrstah uporabe bistveno omejuje pretok podatkov v oblak. Joule je primeren celo za izdelavo brezpilotnih letal, robotov, VR-očal, digitalnih rokavic ali inteligentnih prehodov (gateway).
Za individualiste: multičip Do It Yourself
Sistemi SoC in SoM imajo po svoji naravi eno skupno lastnost: nikoli niso popolni. Vedno je nekaj odveč, na primer periferija, računalniške kapacitete, certifikati ali programska oprema v pomnilniku. Stranka tako plačuje za nepotrebne funkcionalnosti. Tehnično popolna rešitev je vedno izdelana po meri, to velja tako za strukturo strojne opreme kot tudi za radijske protokole. Pri strojni opremi je balast še sprejemljiv, saj se tako prihranijo stroški za certificiranje in čas do uvedbe na trgu. Pri radikalni visokofrekvenčni izvedbi po načelu »sam svoj mojster« bi bilo hitro potrebno 100 delovnih let izdelovalca in še več – tega pa dandanes ne more izvesti skoraj noben koncern.
Palec gor za SoC in SoM
Moderni sistemi SoC in SoM nudijo ogromno prihranka, razvijalci pa se lahko povsem posvetijo svojim osnovnim nalogam, specifičnim za aplikacije. Na podlagi rastočega trga rešitev z enim čipom se izboljšuje tudi prilagodljivost razpoložljivih komponent po velikosti. Katera komponenta je najboljša, je konec koncev odvisno od individualnih nalog, tako da pavšalnih priporočil skorajda ni mogoče navajati. Vsekakor je v zvezi s tem najbolj smiseln pogovor s strokovnjakom ekipe Wireless Competence Center.
