Durch diese verbesserte Vernetzung werden diese Geräte effektiv zu peripheren IoT-Knoten, allerdings auf Kosten erhöhter Verarbeitungsanforderungen und größerer Speichersubsysteme.

Systemherausforderungen:
Die meisten eingebetteten Systeme sind mit ihrer unmittelbaren Umgebung vernetzt und bieten somit Möglichkeiten zur Umwelterfassung, mechanischen Betätigung oder Mensch-Maschine-Schnittstelle. Intelligente Thermostate sind beispielsweise mit lokalen Netzwerken von Temperatur- und Feuchtigkeitssensoren verbunden und verfügen über Tasten oder kapazitive Sensoren zur Eingabe von Benutzerdaten. Das Hauptziel vernetzter Küchengeräte ist es natürlich, die bevorzugten Temperaturen von Speisen zu verstehen und diese präzise in die richtige Wärmemenge umzusetzen. Diese primär analogen Systeme halten Einzug in die immer schnellere Welt der Cloud-Kommunikation, was ein besonderes Problem mit sich bringt: Passt sich das System der langsameren Eingabe der analogen Welt an oder wird die analoge Genauigkeit zugunsten von Geschwindigkeit und erweiterter Funktionalität beeinträchtigt? Um dieses Problem genauer zu untersuchen, betrachten wir ein weit verbreitetes und einfaches Beispiel für diese Art von Anwendung: den IoT-Edge-Sensor-Knoten.

Analoge Subsysteme:
IoT-Edge-Sensorknoten benötigen ein analoges Subsystem zur Messung und Überwachung von Umgebungsbedingungen wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Bewegung usw. Diese Subsysteme umfassen einen Mikrocontroller (MCU), der die Sensordaten erfasst, verarbeitet und über ein Netzwerk überträgt. Da sich Umgebungsdaten typischerweise langsam ändern, benötigen die meisten Edge-Knoten keinen kontinuierlichen Datenstrom. Weil ein Edge-Knoten oft über mehrere Jahre mit derselben kleinen Batterie betrieben wird, befindet er sich die meiste Zeit im Energiesparmodus und wird nur periodisch aktiviert, um Veränderungen in seiner Umgebung zu erfassen. Während dieser Aktivierungsphase sammelt der Knoten Daten und überträgt sie über ein Netzwerk. Anschließend kehrt er in den Energiesparmodus zurück, bis die nächste Messung erforderlich ist. Angesichts der zunehmenden Anzahl von Edge-Knoten und der damit verbundenen Datenmenge in unserer vernetzten Welt sind Energieeffizienz und energiesparender Betrieb entscheidende Designkriterien für eine lange Batterielebensdauer analoger Subsysteme.

Segmentierung eingebetteter Systeme:
Für effiziente eingebettete Systeme empfiehlt sich die Segmentierung in verschiedene „Geschwindigkeitsdomänen“. Eine Brücke verbindet den schnellen Hauptprozessor mit den analogen Subsystemen. Durch diese Partitionierung kann sich das analoge Subsystem auf langsame Schaltvorgänge konzentrieren, während ultraschnelle, rechenintensive Aufgaben vom schnellen Hauptprozessor übernommen werden. So wird die Leistungsfähigkeit jedes Prozessortyps maximiert. Angesichts des zunehmenden Trends zu vernetzten Geräten ist I3C® die serielle Kommunikationsschnittstelle der nächsten Generation, die Hochgeschwindigkeits-Kommunikation zwischen Chips unterstützt. Als Nachfolger von I2C eignet sie sich dank einer schnelleren, intelligenteren Schnittstelle und ausgefeilteren Steuerungsfunktionen besser für zukünftige Anwendungen. I3C ist abwärtskompatibel zu I2C-Geräten, was die Integration von I3C auf bestehenden Hardwareplattformen erleichtert. Darüber hinaus können I2C-Geräte parallel zu I3C-Controllern mit 12,5 MHz betrieben werden, wodurch die Migration bestehender I2C-Bus-Designs auf die I3C-Spezifikation ermöglicht wird. Ein Mikrocontroller, der sowohl I3C als auch eine ältere Kommunikationsschnittstelle wie I2C, SPI oder UART unterstützt, kann beispielsweise als Brücke dienen. Diese Brücke verbindet einen schnellen Prozessor über den Mikrocontroller mit einem Sensor. Der Mikrocontroller misst die Sensordaten, berechnet die Ergebnisse und überträgt sie effizient. Diese Konfiguration erhält die Integrität und Geschwindigkeit des I3C-Busses und ermöglicht gleichzeitig die Kommunikation zwischen dem I3C-Controller und I2C/SPI-Geräten über den Mikrocontroller. Durch die Partitionierung eingebetteter Systeme und die Nutzung von I3C lassen sich robuste und erfolgreiche Systemdesigns realisieren.

PIC18-Q20
speziell für moderne Embedded-Systeme mit verteilten Prozessoren entwickelt. Diese Mikrocontroller bieten fortschrittliche serielle Kommunikationsschnittstellen, darunter bis zu zwei I3C-Peripheriegeräte, für schnelle Verbindungen zu mehreren Bussen und somit erhöhte Flexibilität. Sie verfügen außerdem über integrierte Legacy-Kommunikationsprotokolle wie UART, SPI, I2C und SMBus, die eine nahtlose Integration als Bridge-Gerät ermöglichen und I2C/SPI-Clientgeräte von einem reinen I3C-Bus isolieren. Diese Konfiguration erhält die Geschwindigkeit des I3C-Busses und ermöglicht gleichzeitig die Kommunikation eines I3C-Controllers mit I2C/SPI-Geräten über den Mikrocontroller. Darüber hinaus unterstützt der PIC18-Q20 mehrere Spannungsbereiche und kann daher problemlos an verschiedene Komponenten mit unterschiedlichen Betriebsspannungen angeschlossen werden. Dies macht Pegelwandler überflüssig, reduziert die Materialkosten und vereinfacht das Systemdesign. Die PIC18-Q20-Mikrocontroller verfügen zudem über integrierte, kernunabhängige Peripheriegeräte (CIPs), die ohne ständige CPU-Interaktion arbeiten und direkt mit anderen Peripheriegeräten kommunizieren können. Diese hardwarebasierten Peripheriegeräte verbrauchen minimal Strom, benötigen kaum oder gar keinen Code und verbrauchen weniger RAM und Flash-Speicher als Software, um dieselben Funktionen zu implementieren. Darüber hinaus lassen sich viele Funktionen gleichzeitig auf einem einzigen Mikrocontroller aktivieren. Entwickler können mithilfe des MPLAB® Code Configurator (MCC), einer benutzerfreundlichen grafischen Benutzeroberfläche (GUI), Kombinationen von CIPs, einschließlich des I3C-Peripheriegeräts, einfach anpassen und Anwendungscode generieren, ohne Datenblätter lesen zu müssen. Mit CIPs können Ingenieure die einzelnen Systemaufgaben aufteilen, um die Funktionsverwaltung zu vereinfachen und so die Anzahl der Komponenten, die Codegröße, die Entwicklungszeit und den Stromverbrauch zu reduzieren.

Fazit:
In unserer sich ständig wandelnden Welt erfordern Innovationen und technologische Fortschritte höhere Verarbeitungsgeschwindigkeiten, schnellere Verbindungen und Miniaturisierung. Moderne Elektronik ist zunehmend mit der Außenwelt vernetzt, doch werden kleine, energieeffiziente analoge Subsysteme benötigt, um die „reale Welt“ innerhalb vernetzter Systeme zu erfassen und zu messen. Da sich Umweltdaten oft nur allmählich ändern, weichen die Designziele häufig voneinander ab.
Effiziente eingebettete Systeme werden durch die Aufteilung des Systems in verschiedene Geschwindigkeitsbereiche realisiert. Eine Brücke verbindet den schnellen Prozessor mit den umgebenden Systemteilen, in denen analoge Subsysteme implementiert sind. Da sich I3C als Standardschnittstelle für die Hochgeschwindigkeits-Kommunikation zwischen Chips etabliert, ist es für Ingenieure wichtig, fortschrittliche Mikrocontroller (MCUs) auszuwählen, die die steigenden Leistungsanforderungen im digitalen Bereich vollständig erfüllen und gleichzeitig eine hohe analoge Genauigkeit für zukünftige Designs gewährleisten.

Weitere Informationen zur PIC18-Q20-Mikrocontrollerfamilie 

Über den Autor

Greg Robinson ist Vizepräsident des Geschäftsbereichs 8-Bit-Mikrocontroller und verfügt über mehr als 30 Jahre Erfahrung in der Halbleiterindustrie. Er kam 1995 zu Microchip Technology und bekleidete dort verschiedene Positionen. Er begann seine Karriere als Produkt- und Testingenieur und konzentrierte sich anschließend mehrere Jahre auf die Bereiche Operations, Anwendungstechnik für die Automobilindustrie, Vertriebsmanagement und Marketing. Dadurch gewann er einen umfassenden Einblick in die verschiedenen Funktionsbereiche von Microchip. Robinson hat einen Bachelor-Abschluss in Elektrotechnik von der Washington State University und einen MBA in Technologiemanagement.