Questa maggiore connettività trasforma di fatto questi dispositivi in nodi IoT periferici, ma ciò comporta un aumento dei requisiti di elaborazione e la necessità di sottosistemi di memoria più grandi.
Sfide di sistema:
la maggior parte dei sistemi embedded è anche "connessa" al proprio ambiente immediato, ovvero offre funzionalità per il rilevamento ambientale, l'attuazione meccanica o l'interfaccia umana. Ad esempio, i termostati intelligenti sono collegati a reti locali di sensori di temperatura e umidità, oltre a ospitare una serie di pulsanti o sensori capacitivi per l'input umano. E, naturalmente, l'obiettivo principale di un elettrodomestico da cucina connesso è comprendere le preferenze dell'utente in merito alla temperatura del cibo e tradurle in quantità di calore applicate con precisione. Questi sistemi, prevalentemente "analogici", si stanno facendo strada nel mondo sempre più frenetico della comunicazione cloud, il che pone un problema unico: il sistema si adatta all'input lento del mondo analogico, oppure la fedeltà analogica viene compromessa in nome della velocità e di una maggiore funzionalità complessiva? Per esplorare a fondo questo problema, esamineremo un esempio onnipresente e semplice di questo tipo di applicazione: il nodo sensore edge dell'IoT.
Sottosistemi analogici:
i nodi sensore edge dell'IoT richiedono un sottosistema analogico per misurare e monitorare le condizioni ambientali come temperatura, umidità, movimento e altro ancora. I sottosistemi analogici includono un microcontrollore (MCU) che legge i dati dei sensori, li elabora e li comunica tramite una rete. I dati ambientali in genere cambiano lentamente, quindi la maggior parte dei nodi edge non ha bisogno di elaborare un flusso di dati continuo e ininterrotto. Poiché un nodo edge spesso funziona con la stessa piccola batteria per diversi anni, trascorre la maggior parte del tempo in una modalità "sleep" a basso consumo e si riattiva solo periodicamente per rilevare cambiamenti nell'ambiente circostante. Durante questo periodo di riattivazione, il nodo raccoglie dati e li trasmette tramite una rete. Quindi torna in modalità sleep fino a quando non deve effettuare la misurazione successiva. Con l'aumento del numero di nodi edge e dei dati raccolti nel nostro mondo iperconnesso, l'efficienza energetica e il funzionamento a basso consumo diventano considerazioni di progettazione fondamentali per estendere la durata della batteria nei sottosistemi analogici.
Segmentazione dei sistemi embedded:
per garantire l'efficienza dei sistemi embedded, è consigliabile segmentarli in diversi "domini di velocità" utilizzando un bridge per collegare il processore principale veloce ai sottosistemi analogici. La partizione consente al sottosistema analogico di concentrarsi sulla gestione di attività di commutazione lente, mentre le attività di elaborazione ultraveloci e intensive vengono gestite da un processore principale veloce, massimizzando così le capacità funzionali di ciascun tipo di processore. Con la crescente tendenza verso dispositivi sempre più connessi, I3C® rappresenta l'interfaccia di comunicazione seriale di nuova generazione che supporta la comunicazione inter-chip ad alta velocità. Come successore di I2C, è più adatto alle applicazioni future grazie a un'interfaccia più veloce e intelligente e a sofisticate capacità di controllo. I3C mantiene la compatibilità con i dispositivi I2C, aspetto essenziale per facilitare l'adozione di I3C sulle piattaforme hardware esistenti. Inoltre, i dispositivi I2C possono coesistere con i controller I3C operanti a 12,5 MHz, consentendo la migrazione dei progetti bus I2C esistenti alla specifica I3C. Ad esempio, un microcontrollore che supporta sia I3C sia un'interfaccia di comunicazione legacy come I2C, SPI o UART può fungere da dispositivo di bridging. Questo bridge collega un processore veloce a un sensore tramite il microcontrollore. Il microcontrollore misura l'input del sensore, elabora i risultati e trasferisce i dati in modo efficiente. Questa configurazione mantiene l'integrità e la velocità del bus I3C, consentendo al contempo la comunicazione tra il controller I3C e i dispositivi I2C/SPI attraverso il microcontrollore. Suddividendo i sistemi embedded e sfruttando I3C, è possibile implementare progetti di sistema robusti e di successo.
PIC18-Q20
specificamente per i moderni sistemi embedded con processori distribuiti. Questi microcontrollori offrono interfacce di comunicazione seriale avanzate, tra cui fino a due periferiche I3C, per una connettività ad alta velocità a più bus, migliorando la flessibilità. Sono inoltre dotati di protocolli di comunicazione legacy integrati come UART, SPI, I2C e SMBus, che consentono una perfetta integrazione come dispositivo bridge e isolano i dispositivi client I2C/SPI da un bus I3C puro. Questa configurazione mantiene la velocità del bus I3C consentendo al contempo a un controller I3C di comunicare con i dispositivi I2C/SPI tramite il microcontrollore. Inoltre, il PIC18-Q20 supporta più domini di tensione, quindi può facilmente connettersi a vari componenti con diversi livelli di tensione operativa. Ciò elimina la necessità di convertitori di livello, riducendo i costi dei materiali e semplificando la progettazione del sistema. I microcontrollori PIC18-Q20 includono anche periferiche on-chip indipendenti dal core (CIP) che possono operare senza una costante interazione con la CPU e comunicare direttamente con altre periferiche. Queste periferiche hardware consumano pochissima energia, richiedono poco o nessun codice e utilizzano meno RAM e memoria Flash rispetto al software per implementare le stesse funzioni. Inoltre, molte funzioni possono essere abilitate simultaneamente su un singolo MCU. I progettisti possono personalizzare facilmente le combinazioni di CIP, inclusa la periferica I3C, utilizzando MPLAB® Code Configurator (MCC), un ambiente con interfaccia grafica utente (GUI) intuitiva, per generare il codice applicativo senza dover consultare i datasheet. Con i CIP, gli ingegneri possono suddividere ogni attività di sistema per semplificare la gestione delle funzioni, riducendo il numero di componenti, le dimensioni del codice, i tempi di sviluppo e il consumo energetico.
Conclusione:
Nel nostro mondo in continua evoluzione, le innovazioni e i progressi tecnologici richiedono velocità di elaborazione sempre maggiori, connettività più rapida e miniaturizzazione. Mentre l'elettronica moderna è sempre più connessa al mondo esterno, sono necessari sottosistemi analogici di piccole dimensioni ed efficienti dal punto di vista energetico per rilevare e misurare il "mondo reale" all'interno dei sistemi connessi. Poiché le variazioni dei dati ambientali spesso avvengono gradualmente, gli obiettivi di progettazione tendono a divergere.
Sistemi embedded efficienti si ottengono suddividendo il sistema in diversi domini di velocità, utilizzando un bridge per collegare il processore veloce alle parti circostanti del sistema in cui risiedono i sottosistemi analogici. Poiché l'I3C sta diventando l'interfaccia de facto per la comunicazione inter-chip ad alta velocità, è importante per gli ingegneri selezionare MCU avanzate in grado di supportare appieno i crescenti requisiti di alte prestazioni nel dominio digitale, mantenendo al contempo un'elevata precisione analogica per i progetti di prossima generazione.
Maggiori informazioni sulla famiglia di microcontrollori PIC18-Q20
Informazioni sull'autore
Greg Robinson è il vicepresidente aziendale della business unit MCU a 8 bit e vanta oltre 30 anni di esperienza nel settore dei semiconduttori. Entrato in Microchip Technology nel 1995, ha ricoperto diversi ruoli all'interno dell'azienda. Ha iniziato la sua carriera come ingegnere di prodotto/collaudo, per poi dedicarsi per diversi anni alle operazioni, all'ingegneria applicativa per il settore automobilistico, alla gestione delle vendite e al marketing, acquisendo così una prospettiva unica sulle diverse aree funzionali di Microchip. Robinson ha conseguito una laurea in ingegneria elettrica presso la Washington State University e un MBA in gestione tecnologica.
