使用現(xiàn)成即用的嵌入式 Linux 多核平臺加快嵌入式無線物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)

作者：Stephen Evanczuk

先進的工業(yè)、醫(yī)療、交通和農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng) （IoT）應(yīng)用需要更復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計。在這種情況下，盡管面臨著更緊的工期和不斷縮減的預(yù)算，但開發(fā)人員別無選擇，只能自制開發(fā)板，以滿足性能、連接性和外設(shè)要求。即使可能有現(xiàn)成的開發(fā)板，但性能、功耗、尺寸、外形和功能這些因素會限制其適用性。

然而，在物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) （IIoT）無處不在的時代，即使是最高效的定制開發(fā)團隊也會因無線子系統(tǒng)的區(qū)域認證要求而被延誤，導致減緩交付速度，失去市場機會。

本文將討論無線嵌入式開發(fā)板的造與買的問題。然后介紹來自 Digi的一款交鑰匙型開發(fā)平臺，該平臺提供了全面的軟件環(huán)境和具有預(yù)認證無線模塊的優(yōu)化硬件平臺。本文還展示了如何使用該套件來幫助開發(fā)人員快速輕松地交付功能更強大的嵌入式系統(tǒng)解決方案。

嵌入式開發(fā)板自制與外購之對比

伴隨著終端用戶的產(chǎn)品期望和市場競爭壓力，嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員需要在不斷縮小的上市時間窗口內(nèi)提供更多功能。用戶偏愛更易于連接、使用和維護的系統(tǒng)。因此，開發(fā)人員在許多方面面臨著日益增長的挑戰(zhàn)。對于無線連接，短距離和長距離無線解決方案帶來了相關(guān)的設(shè)計認證要求；實現(xiàn)合適的顯示功能增加了設(shè)計的復(fù)雜性和成本；確保這些系統(tǒng)的持續(xù)可靠性和長期可用性對開發(fā)人員提出了挑戰(zhàn)，他們需要找到能夠承受嚴苛條件，還能在工業(yè)或醫(yī)療應(yīng)用中常見的長生命周期內(nèi)保持可用的解決方案。

對于某些應(yīng)用，合適的解決方案非常依賴于定制設(shè)計方法來優(yōu)化每個子系統(tǒng)，以滿足要求。但是，越來越多的現(xiàn)成設(shè)計解決方案提供了一個可以輕松擴展的平臺，以支持各種應(yīng)用領(lǐng)域的獨特要求。然而，開發(fā)團隊有時會純粹從開發(fā)成本的角度來決定構(gòu)建定制解決方案而不是購買預(yù)先構(gòu)建好的系統(tǒng)，他們計算得出從頭開始構(gòu)建定制設(shè)計要比購買現(xiàn)成的設(shè)計成本更低。

事實上，開發(fā)團隊會發(fā)現(xiàn)，包括無線認證、可用性、可維護性和其他生命周期問題在內(nèi)的其他考量因素會增加整體成本。在一個快速發(fā)展的市場中，實施定制設(shè)計造成的延遲會進一步侵蝕市場份額和營收時效，最終限制新產(chǎn)品的盈利能力。

為了解決這些問題，Digi 推出了 CC-WMX8MN-KIT ConnectCore 8M Nano開發(fā)套件，該套件是定制開發(fā)的有效替代方案，提供了一個能夠滿足各種應(yīng)用的性能和成本要求的交鑰匙型平臺（圖 1）。

交鑰匙型解決方案如何滿足不同的功能需求

Digi CC-WMX8MN-KIT ConnectCore 8M Nano開發(fā)套件提供了一個全面的硬件平臺，能夠縮短開發(fā)時間和系統(tǒng)上市時間。使用該套件，開發(fā)人員可以輕松實現(xiàn)可擴展的系統(tǒng)，以支持人機界面 （HMI）設(shè)計、音頻/視頻處理、邊緣計算、機器學習等各種應(yīng)用。除了 Digi ConnectCore 8M Nano開發(fā)板，該套件還包括雙頻天線、控制臺端口電纜和電源，因此開發(fā)人員可以立即開始創(chuàng)建互連應(yīng)用。

與 Digi 的其他 CoreConnect 開發(fā)套件一樣，ConnectCore 8M Nano 開發(fā)套件也利用了 Digi 的高度集成系統(tǒng)級模塊（SoM） 解決方案。Digi 的 ConnectCore SOM 以 NXP Semiconductor 的 i.MX處理器系列為基礎(chǔ)，集成了多媒體、安全、有線連接和預(yù)認證型無線連接等典型嵌入式應(yīng)用所需的功能。與廣泛的軟件環(huán)境結(jié)合使用，這些 SoM簡化了嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)，相比通常使用的定制硬件方法，能夠讓產(chǎn)品制造商以更快的速度和更低的風險提供更復(fù)雜的產(chǎn)品。

對于CC-WMX8MN-KIT開發(fā)套件，Digi SOM將恩智浦基于四Arm? Cortex?-A53和Arm Cortex-M7內(nèi)核的i.MX 8MNano處理器的功能與高達8千兆字節(jié)（GB）的閃存、高達1GB的低功耗雙數(shù)據(jù)率（LPDDR）動態(tài)隨機存取存儲器（DRAM）以及一系列附加子系統(tǒng)結(jié)合起來（圖2）。

在其子系統(tǒng)中，該 SoM 集成了 Microchip Technology 的 CryptoAuthentication 系列安全器件，補充了 ArmCortex-A53 內(nèi)核的 TrustZone 安全功能。而 CryptoAuthentication器件結(jié)合了專用加密處理器、高質(zhì)量隨機數(shù)發(fā)生器和受保護密鑰存儲，用以實現(xiàn)哈希和公鑰基礎(chǔ)設(shè)施（PKI） 算法的高速安全執(zhí)行。

SoM 的內(nèi)置連接選項支持千兆位以太網(wǎng) （GbE） 以及預(yù)先認證的 802.11 a/b/g/n/ac Wi-Fi 和藍牙5。為了滿足廣域網(wǎng)的需求，開發(fā)人員只需將 Digi 的 XBEE 蜂窩模塊連接到 CC-WMX8MN-KIT 開發(fā)板的 XBEE兼容連接器組，即可添加蜂窩連接和其他連接選項。

除了全套標準外設(shè)接口，SoM 還支持用于音頻、攝像頭和顯示器的多種多媒體接口。集成的圖形處理單元和液晶顯示接口 （LCDIF）控制器讓開發(fā)人員可以輕松添加可選的 LCD 面板，如 Digi 的 CC-ACC-LCDW-10，并快速開始為其嵌入式應(yīng)用創(chuàng)建 HMI 設(shè)計。

基于高級處理器的設(shè)計中的電源管理

復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)的電源管理可能是一項重大挑戰(zhàn)，尤其是當系統(tǒng)設(shè)計集成了像 NXP 的 i.MX 8M Nano
這樣的高級處理器時。與同類其他處理器一樣，NXP 的 i.MX 8M Nano 將核心處理器（VDD_ARM 和 VDD_SOC）、GPU（VDD_GPU）、存儲器（VDD_DRAM、NVCC_DRAM）、安全非易失性存儲（NVCC_SNVS_1P8、VDD_SNVS_0P8）等許多不同的子系統(tǒng)分為獨立的功率域。開發(fā)人員不僅需要為每個域提供適當?shù)碾娫窜?，還需要以特定的時序為每個域供電（和斷電）（圖3）。

事實上，Digi 的 ConnectCore i.MX 8M Nano SoM 只需要兩個電源輸入并使用 ROHM Semiconductor 的BD71850MWV 電源管理 IC （PMIC） 提供 i.MX 8M Nano 處理器和其他器件所需的多種供電電壓電平。ROHM BD71850MWV專為支持 NXP 的 i.MX 8M Nano 處理器而設(shè)計，集成了多個降壓穩(wěn)壓器和低壓差 （LDO） 穩(wěn)壓器，從 VSYS 5 V 主電源提供整套電源軌（圖4）。

雖然 BD71850MWV 可管理處理器所需的詳細上電和斷電時序，但 Digi 進一步提高了控制級別，旨在優(yōu)化總體功耗并保持系統(tǒng)可靠性。Digi微控制器輔助器件 （MCA） 集成在 SoM 中，采用 NXP 的專用 Kinetis KL17 MKL17Z64VDA4 微控制器 （MCU）進行系統(tǒng)級電源管理。NXP 的 Kinetis KL17 MCU 采用超低功耗 Arm Cortex-M0+ 內(nèi)核，在超低功耗運行模式下，每兆赫 （MHz）僅消耗 46 微安 （μA），在維持內(nèi)存和實時時鐘 （RTC） 功能的停止模式下，僅消耗 1.68 μA。

MCA 即使在系統(tǒng)處于休眠模式時也能保持活動狀態(tài)，能執(zhí)行在 KL17 MCU 上運行的可升級固件，以提供多個選項來喚醒 NXP 的 i.MX 8MNano 系統(tǒng)處理器。例如，Digi 采用了一項默認設(shè)置，以禁用系統(tǒng)處理器的 RTC，轉(zhuǎn)而利用 MCA 固件中實現(xiàn)的低功耗 RTC 功能。開發(fā)人員可以使用該MCA 的 12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 來監(jiān)控外部事件，并僅在需要時生成中斷來喚醒系統(tǒng)處理器。反過來，MCA 固件實現(xiàn)了三個用于外部操作的多通道脈沖寬度調(diào)制（PWM） 控制器。為了幫助確保整體系統(tǒng)可靠性，MCA固件還提供看門狗定時器功能，如果該處理器上運行的軟件掛起，或該軟件在正常軟件執(zhí)行期間不執(zhí)行常規(guī)的看門狗定時器維護，則該功能可重置整個系統(tǒng)或僅重置系統(tǒng)處理器。

在系統(tǒng)啟動時，一旦通電，MCA 就會開始運行。經(jīng)過可編程的延遲后，MCA 又會啟動 BD71850MWV PMIC，后者執(zhí)行前文所述的 i.MX 8MNano 上電時序。系統(tǒng)復(fù)位或從低功耗休眠狀態(tài)轉(zhuǎn)換的方式與 MCA 協(xié)調(diào) PMIC 和處理器恢復(fù)電源的方式基本相同。

生產(chǎn)就緒型嵌入式 Linux 軟件環(huán)境

Digi CC-WMX8MN-KIT 開發(fā)套件利用其廣泛的硬件基礎(chǔ)，提供了一個運行開源 Digi Embedded Yocto （DEY）的生產(chǎn)就緒型軟件環(huán)境。DEY 以 Yocto Project 廣受歡迎的嵌入式 Linux 發(fā)行版為基礎(chǔ)進行了擴展，增加了專門為支持 Digi硬件平臺而設(shè)計的附加板級支持包 （BSP） 功能（圖 5）。

在 Linux 內(nèi)核的 BSP 擴展中，Digi 的 TrustFence 為 Linux設(shè)備提供了一個安全框架。利用其身份驗證和身份管理功能，TrustFence 服務(wù)從低級別的內(nèi)部和外部 I/O端口訪問控制，擴展到高級別的支持，以確保安全的網(wǎng)絡(luò)連接以及使用經(jīng)驗證固件映像進行安全引導。雖然最初不受 ConnectCore 8M Nano 模塊支持，但Digi TrustZone 將在未來的 DEY 版本中提供。

除了各個設(shè)備層面的安全和管理，大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用還不可避免地需要監(jiān)控和管理物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備群的能力。為了支持這些要求，Digi Remote Manager提供基于云的服務(wù)，旨在支持設(shè)備運行狀況監(jiān)視、配置管理和固件更新。使用移動 APP 或桌面軟件，開發(fā)人員可以通過 Digi Remote Manager來顯示設(shè)備群的詳細運行信息，包括設(shè)備群運行狀況、警報、連接狀態(tài)和信號強度（圖 6）。

除了監(jiān)視功能外，Digi Remote Manager 還能讓開發(fā)人員交互使用命令行或以編程方式使用該服務(wù)的應(yīng)用編程接口（API），更主動地管理數(shù)據(jù)、連接和設(shè)備軟件。借助這些功能，開發(fā)人員可以重新引導設(shè)備并上傳文件，從而輕松執(zhí)行典型互連設(shè)備所需的大規(guī)模設(shè)備群固件和軟件更新，但在大規(guī)模部署時通常會面臨后勤方面的挑戰(zhàn)。

結(jié)語

在工業(yè)、醫(yī)療、交通和農(nóng)業(yè)等細分市場中，應(yīng)用需求越來越復(fù)雜，這推動了對更復(fù)雜的面向物聯(lián)網(wǎng)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的需求。相關(guān)無線子系統(tǒng)的地區(qū)性認證要求也使問題復(fù)雜化，并減緩了設(shè)計速度。

為了解決這些問題，Digi推出一個開發(fā)套件，為設(shè)計人員提供了一個全面的軟件環(huán)境和優(yōu)化的硬件平臺，并帶有經(jīng)過預(yù)先認證的無線模塊。如上所述，該套件能夠讓開發(fā)人員更輕松、更快速地交付功能強大的互連嵌入式系統(tǒng)解決方案。