Расширение возможностей подключения фактически превращает эти устройства в периферийные узлы Интернета вещей, но это происходит за счет увеличения вычислительных требований и объема памяти в подсистемах.

Проблемы системы:
Большинство встроенных систем также «подключены» к окружающей среде, то есть они предоставляют возможности для того или иного вида мониторинга окружающей среды, механического управления или взаимодействия с человеком. Например, интеллектуальные термостаты подключены к локальным сетям датчиков температуры и влажности, а также содержат ряд кнопок или емкостных датчиков для ввода данных пользователем. И, конечно же, основная цель подключенного кухонного прибора — понимать ваши предпочтения относительно температуры пищи и преобразовывать их в точно заданное количество тепла. Эти преимущественно «аналоговые» системы проникают во все более быстро развивающийся мир облачных коммуникаций, что создает уникальную проблему: адаптируется ли система к медленному вводу данных из аналогового мира, или же качество аналоговых данных приносится в жертву ради скорости и повышения общей функциональности? Чтобы подробно изучить эту проблему, мы рассмотрим распространенный и простой пример такого типа приложений: периферийный сенсорный узел IoT.

Аналоговые подсистемы:
Для измерения и мониторинга параметров окружающей среды, таких как температура, влажность, движение и многое другое, периферийным сенсорным узлам IoT требуется аналоговая подсистема. Аналоговые подсистемы включают микроконтроллер (MCU), который считывает данные с датчиков, обрабатывает их и передает по сети. Данные об окружающей среде обычно изменяются медленно, поэтому большинству периферийных узлов не требуется обрабатывать непрерывный поток данных. Поскольку периферийный узел часто работает от одной и той же небольшой батареи в течение нескольких лет, он большую часть времени проводит в режиме «сна» с низким энергопотреблением и периодически просыпается только для обнаружения изменений в окружающей среде. В течение этого периода пробуждения узел собирает данные и передает их по сети. Затем он возвращается в спящий режим до тех пор, пока не потребуется выполнить следующее измерение. По мере увеличения количества периферийных узлов и собираемых данных в нашем гиперсвязанном мире энергоэффективность и низкое энергопотребление становятся важнейшими факторами проектирования для продления срока службы батарей в аналоговых подсистемах.

Сегментация встраиваемых систем:
Для эффективной работы встраиваемых систем лучше всего разделить их на различные «скоростные домены», используя мост для соединения быстрого основного процессора с аналоговыми подсистемами. Разделение позволяет аналоговой подсистеме сосредоточиться на обработке задач с медленным переключением, в то время как сверхбыстрые, ресурсоемкие задачи обработки обрабатываются быстрым основным процессором, тем самым максимизируя функциональную мощь каждого типа процессора. В условиях растущей тенденции к увеличению количества подключенных устройств, I3C® является последовательным интерфейсом связи следующего поколения, поддерживающим высокоскоростную межчиповую связь. Будучи преемником I2C, он лучше подходит для будущих приложений благодаря более быстрому, интеллектуальному интерфейсу и сложным возможностям управления. I3C сохраняет обратную совместимость с устройствами I2C, что имеет важное значение для облегчения внедрения I3C на существующих аппаратных платформах. Кроме того, устройства I2C могут сосуществовать с контроллерами I3C, работающими на частоте 12,5 МГц, что позволяет перевести существующие конструкции шин I2C на спецификацию I3C. Например, микроконтроллер, поддерживающий как I3C, так и устаревшие интерфейсы связи, такие как I2C, SPI или UART, может выступать в качестве мостового устройства. Этот мост соединяет быстрый процессор с датчиком через микроконтроллер. Микроконтроллер измеряет входные данные датчика, вычисляет результаты и эффективно передает данные. Такая конфигурация сохраняет целостность и скорость шины I3C, обеспечивая при этом связь между контроллером I3C и устройствами I2C/SPI через микроконтроллер. Разделяя встроенные системы и используя I3C, можно создавать надежные и успешные системные решения.

PIC18-Q20
специально для современных встраиваемых систем с распределенными процессорами. Эти микроконтроллеры предлагают расширенные интерфейсы последовательной связи, включая до двух периферийных устройств I3C, для высокоскоростного подключения к нескольким шинам, что повышает гибкость. Они также оснащены встроенными устаревшими протоколами связи, такими как UART, SPI, I2C и SMBus, что обеспечивает бесшовную интеграцию в качестве мостового устройства и изолирует клиентские устройства I2C/SPI от чистой шины I3C. Такая конфигурация сохраняет скорость шины I3C, позволяя контроллеру I3C взаимодействовать с устройствами I2C/SPI через микроконтроллер. Кроме того, PIC18-Q20 поддерживает несколько диапазонов напряжения, поэтому он может легко подключаться к различным компонентам с разными уровнями рабочего напряжения. Это исключает необходимость в преобразователях уровней, снижая стоимость компонентов и упрощая проектирование системы. Микроконтроллеры PIC18-Q20 также включают в себя встроенные периферийные устройства, не зависящие от ядра (CIP), которые могут работать без постоянного взаимодействия с ЦП и напрямую взаимодействовать с другими периферийными устройствами. Эти аппаратные периферийные устройства потребляют минимальное количество энергии, требуют минимального или нулевого количества кода и используют меньше оперативной и флэш-памяти, чем программное обеспечение для реализации тех же функций. Кроме того, на одном микроконтроллере можно одновременно активировать множество функций. Разработчики могут легко настраивать комбинации CIP, включая периферийное устройство I3C, используя MPLAB® Code Configurator (MCC), удобную графическую среду пользовательского интерфейса (GUI), для генерации кода приложения без необходимости чтения технических описаний. С помощью CIP инженеры могут разделить каждую системную задачу, чтобы упростить управление функциями, уменьшить количество компонентов, размер кода, время разработки и энергопотребление.

Заключение:
В нашем постоянно меняющемся мире инновации и технологические достижения требуют более высоких скоростей обработки данных, более быстрой связи и миниатюризации. В то время как современная электроника все больше подключается к внешнему миру, для восприятия и измерения «реального мира» внутри подключенных систем необходимы малогабаритные, энергоэффективные аналоговые подсистемы. Поскольку изменения в данных об окружающей среде часто происходят постепенно, цели проектирования, как правило, расходятся.
Эффективные встроенные системы достигаются путем разделения системы на различные скоростные диапазоны с использованием моста для соединения быстрого процессора с окружающими частями системы, где существуют аналоговые подсистемы. Поскольку I3C становится де-факто интерфейсом для высокоскоростной межчиповой связи, инженерам важно выбирать передовые микроконтроллеры, способные в полной мере поддерживать растущие требования к высокой производительности в цифровой области, сохраняя при этом высокую аналоговую точность для разработок следующего поколения.

Более подробная информация о семействе микроконтроллеров PIC18-Q20 

Об авторе

Грег Робинсон — корпоративный вице-президент подразделения 8-битных микроконтроллеров и имеет более чем 30-летний опыт работы в полупроводниковой промышленности. Он присоединился к Microchip Technology в 1995 году и за это время занимал несколько различных должностей в компании. Он начал свою карьеру в качестве инженера по продуктам/тестированию, а затем несколько лет посвятил операционной деятельности, разработке автомобильных приложений, управлению продажами и маркетингу, что дало ему уникальное понимание различных функциональных областей в Microchip. Робинсон имеет степень бакалавра электротехники Вашингтонского государственного университета и степень магистра делового администрирования в области управления технологиями.