Esta maior conectividade transforma efetivamente estes dispositivos em nós periféricos da IoT, mas isto tem o custo de maiores requisitos de processamento e subsistemas de memória de maior dimensão.
Desafios do Sistema:
A maioria dos sistemas embebidos também está "ligada" ao seu ambiente imediato, o que significa que oferece recursos para algum tipo de sensorização ambiental, atuação mecânica ou interface humana. Por exemplo, os termóstatos inteligentes estão ligados a redes locais de sensores de temperatura e humidade, além de possuírem uma série de botões ou sensores capacitivos para a introdução de dados. E, claro, o principal objetivo de um eletrodoméstico de cozinha conectado é compreender as suas preferências em relação à temperatura dos alimentos e traduzi-las em quantidades precisas de calor. Estes sistemas, predominantemente "analógicos", estão a migrar para o mundo cada vez mais acelerado da comunicação na nuvem, o que apresenta um problema singular: o sistema adapta-se à entrada lenta do mundo analógico ou a fidelidade analógica é comprometida em prol da velocidade e do aumento da funcionalidade global? Para explorar este problema em profundidade, analisaremos um exemplo simples e ubíquo deste tipo de aplicação: o nó sensor de bordo da IoT.
Subsistemas Analógicos:
Os nós de sensores de bordo da IoT requerem um subsistema analógico para medir e monitorizar as condições ambientais, como a temperatura, a humidade, o movimento e muito mais. Os subsistemas analógicos incluem um microcontrolador (MCU) que lê os dados do sensor, processa-os e comunica-os através de uma rede. Os dados ambientais normalmente mudam lentamente, pelo que a maioria dos nós de fronteira não necessita de processar um fluxo contínuo e ininterrupto de dados. Como um nó de bordo funciona geralmente com a mesma pequena bateria durante vários anos, passa a maior parte do tempo num modo de "hibernação" de baixo consumo de energia e só desperta periodicamente para detetar alterações no seu ambiente. Durante este período de atividade, o nó recolhe dados e transmite-os através de uma rede. Em seguida, volta ao modo de hibernação até que necessite de fazer a próxima medição. À medida que o número de nós de bordo e de dados recolhidos aumenta no nosso mundo hiperconectado, a eficiência energética e a operação de baixo consumo de energia tornam-se considerações de design vitais para prolongar a vida útil da bateria em subsistemas analógicos.
Segmentação de Sistemas Embebidos:
Para que os sistemas embebidos sejam eficientes, é ideal segmentá-los em diferentes "domínios de velocidade" utilizando uma ponte para ligar o processador principal de alta velocidade aos subsistemas analógicos. O particionamento permite que o subsistema analógico se concentre em tarefas de comutação lenta, enquanto as tarefas de processamento intensivo e ultrarrápidas são realizadas pelo processador principal de alta velocidade, maximizando assim a capacidade funcional de cada tipo de processador. Com a crescente tendência de dispositivos mais conectados, o I3C® é a interface de comunicação série da próxima geração que suporta a comunicação inter-chip de alta velocidade. Como sucessor do I2C, é mais adequado para aplicações futuras, com uma interface mais rápida e inteligente e capacidades de controlo sofisticadas. O I3C mantém a retrocompatibilidade com os dispositivos I2C, o que é essencial para facilitar a adoção do I3C nas plataformas de hardware existentes. Além disso, os dispositivos I2C podem coexistir com controladores I3C a operar a 12,5 MHz, permitindo a migração dos projetos de barramento I2C existentes para a especificação I3C. Por exemplo, um microcontrolador que suporte tanto I3C como uma interface de comunicação legada, como I2C, SPI ou UART, pode servir como dispositivo de ponte. Esta ponte liga um processador rápido a um sensor através do microcontrolador. O microcontrolador mede a entrada do sensor, calcula os resultados e transfere os dados de forma eficiente. Esta configuração mantém a integridade e a velocidade do barramento I3C, ao mesmo tempo que permite a comunicação entre o controlador I3C e os dispositivos I2C/SPI através do microcontrolador. Ao particionar sistemas embebidos e tirar partido do I3C, é possível implementar projetos de sistemas robustos e bem-sucedidos.
PIC18-Q20
especificamente para sistemas embebidos modernos com processadores distribuídos. Estes microcontroladores oferecem interfaces de comunicação série avançadas, incluindo até dois periféricos I3C, para conectividade de alta velocidade a múltiplos barramentos, aumentando a flexibilidade. Vêm também equipados com protocolos de comunicação legados integrados, como UART, SPI, I2C e SMBus, permitindo uma integração perfeita como dispositivo de ponte e isolando os dispositivos clientes I2C/SPI de um barramento I3C puro. Esta configuração mantém a velocidade do barramento I3C, permitindo que um controlador I3C comunique com dispositivos I2C/SPI através do microcontrolador. Além disso, o PIC18-Q20 suporta múltiplos domínios de tensão, podendo ligar-se facilmente a vários componentes com diferentes níveis de tensão de funcionamento. Isto elimina a necessidade de conversores de nível, reduzindo o custo da lista de materiais e simplificando o design do sistema. Os microcontroladores PIC18-Q20 incluem também periféricos independentes do núcleo (CIPs) integrados que podem operar sem interação constante com a CPU e comunicar diretamente com outros periféricos. Estes periféricos baseados em hardware consomem energia mínima, requerem pouco ou nenhum código e utilizam menos RAM e memória Flash do que o software para implementar as mesmas funções. Além disso, muitas funções podem ser ativadas simultaneamente num único MCU. Os designers podem personalizar facilmente combinações de CIPs, incluindo o periférico I3C, utilizando o MPLAB® Code Configurator (MCC), um ambiente de interface gráfica do utilizador (GUI) de fácil utilização, para gerar código de aplicação sem ter de consultar folhas de dados. Com os CIP, os engenheiros podem dividir cada tarefa do sistema para simplificar a gestão de funções, reduzindo o número de componentes, o tamanho do código, o tempo de desenvolvimento e o consumo de energia.
Conclusão:
No nosso mundo em constante transformação, as inovações e os avanços tecnológicos exigem velocidades de processamento mais rápidas, conectividade mais ágil e miniaturização. Embora os dispositivos eletrónicos modernos estejam cada vez mais ligados ao mundo exterior, são necessários subsistemas analógicos de pequena escala e de baixo consumo de energia para detetar e medir o "mundo real" dentro dos sistemas ligados. Como as alterações nos dados ambientais geralmente ocorrem de forma gradual, os objetivos de projeto tendem a divergir.
Os sistemas embebidos eficientes são conseguidos dividindo o sistema em diferentes domínios de velocidade, utilizando uma ponte para ligar o processador de alta velocidade às partes adjacentes do sistema onde existem subsistemas analógicos. À medida que o I3C se torna a interface padrão para a comunicação interchip de alta velocidade, é importante que os engenheiros selecionem microcontroladores (MCUs) avançados, equipados para suportar plenamente os crescentes requisitos de alto desempenho no domínio digital, mantendo, ao mesmo tempo, uma elevada precisão analógica para projetos de próxima geração.
Mais informações sobre a família de microcontroladores PIC18-Q20
Sobre o autor
Greg Robinson é o vice-presidente corporativo da unidade de negócio de microcontroladores de 8 bits e conta com mais de 30 anos de experiência na indústria de semicondutores. Ingressou na Microchip Technology em 1995 e, durante esse período, Robinson desempenhou diversas funções dentro da empresa. Iniciou a sua carreira como engenheiro de produto/teste e, posteriormente, dedicou-se durante vários anos às áreas de operações, engenharia de aplicações automóveis, gestão de vendas e marketing, o que lhe proporcionou uma perspetiva singular sobre as diferentes áreas funcionais da Microchip. Robinson é licenciado em engenharia elétrica pela Washington State University e tem um MBA em Gestão de Tecnologia.
