Správně navržené prvky IoT pozvednou celou síť. Jaký MCU ale zvolit?

Teoreticky vzato, infrastruktura internetu věcí (IoT) se může dostat do potíží hned několika způsoby. V prvé řadě zde existuje možnost, že její uzly budou při odesílání nebo přepravě, tedy ještě před samotnou instalací, poškozeny. Kvůli danému prostředí, ve kterém budou pracovat, pak mohou být vystaveny nevlídným provozním podmínkám – extrémní teplotě, vysoké vlhkosti či vibracím. To vše představuje reálné ohrožení dlouhodobé činnosti. A o zranitelnosti samozřejmě hovoříme i v souvislosti s fyzickými útoky nebo nejrůznějšími bezpečnostními trhlinami.

Říká se, že řetěz je tak silný, jak silná bude jeho nejslabší část. Na úplně každou infrastrukturu internetu věcí to ale nemusí nutně platit, zvláště když dnes těží z výhod sítí mesh. I když ale máme větší počet uzlů s předpoklady pro obnovu vlastní komunikace, stále to ještě neznamená, že zde skutečně existuje dostatečná redundance pro případ, kdy libovolný koncový prvek selže. Uvážíme- li navíc rostoucí počet zařízení IoT nasazovaných po celém světě, poroste i význam zajištění následné integrity sítí. Nedávný průzkum vedený Marketsand- Markets kupříkladu tvrdí, že celkový počet aktivních uzlů internetu věcí a bran překročí do roku 2023 počet 17 miliard. A dle vyjádření dalších analytiků to může být ještě více.

Pokud tedy uvážíme takto rozsáhlé sítě IoT, které mají být zanedlouho spuštěny, musí být jednotlivé uzly rozhodně „chytřejší“. Měly by umět zkontrolovat samy sebe, sledovat vlastní obvody a vyhledávat přitom jakoukoli známku špatného fungování a také zajistit, že získaná a odesílaná data nebudou nijak narušena. Představme si například zařízení internetu věcí vybavené akcelerometrem, které během přepravy upadne na zem. Akcelerometr by měl zachytit údaje související s pádem a nárazem, probudit poté mikrokontrolér (MCU) a umožnit výpočet stanovující orientaci balení po dopadu (např. vodorovně, na hranu či roh). Je tak možné určit, zda byl obal poškozen. Pokud ano, bude prostřednictvím brány IoT odeslána prodejci nebo zákazníkovi informace o potřebné výměně. Pokud ale navrhujeme uzly s takovým potenciálem, potřebujeme zvážit klíčové otázky související s mikrokontrolérem, pamětí, řízením napájení, bezdrátovým připojením a pochopitelně též i čidly. V následujících řádcích se zaměříme především na moderní MCU podporující vlastní diagnostiku s cílem zjistit poškození nebo pokažení daného uzlu a vhodně na ně i reagovat. Většina aplikací internetu věcí dnes v závislosti na složitosti návrhu, dostupném množství energie a vyžadované propustnosti dat využívá buď 16- či 32bitových mikrokontrolérů. 32bitové MCU obvykle nacházíme v rámci bran či koncových uzlů s požadavky na složité algoritmy. Moderní uzly IoT se rovněž neobejdou bez šifrování (např. AES-256).

16bitové MCU s důrazem na efektivitu

Rodina obvodů PIC24E od společnosti Microchip je tvořena výkonnými, univerzálními 16bitovými mikrokontroléry s vysokou hustotou kódu nebo až 70 MIPSy při uvážení napětí 3,3 V. Součástky podporují komunikaci pomocí CAN a také řízení motorů, nabízí vlastní operační zesilovače, USB OTG nebo lepší vlastnosti A/D převodníku a nebrání se ani svižnému přesunu dat prostřednictvím kanálů DMA. K dispozici jsou v malých pouzdrech (již od rozměrů 5 × 5 mm) společně s rozšiřitelnou pamětí (až 536 kB) a posílenými teplotními rozsahy (v některých případech až +150 °C).

Řada mikrokontrolérů MSP430 s extrémně nízkou vlastní spotřebou od firmy Texas Instruments je k dispozici ve více než 25 pouzdrech a přináší různé sady periférií, s nimiž bude možné řešit požadavky nejrůznějších aplikací. Zahrnuje výkonné 16bitové CPU s architekturou RISC, až 512 kB paměti typu Flash a 64 kB v případě RAM, 16bitové registry a rovněž i mechanismy pro maximální navýšení efektivity kódu. Jejich číslicově řízené oscilátory podporují probouzení z nízkopříkonového režimu a přechod do aktivního módu za méně než 6 μs. S ohledem na širokou oblast zahrnující snímání a měření integrují zmíněné mikrokontroléry analogové a také digitální periférie s cílem snížit náklady na vnější součástky, zjednodušit celkový návrh a ještě přitom zlepšit jeho vlastnosti. Zahrnuje to tedy funkce převodníků dat, operačních zesilovačů, komparátorů nebo časovačů až po složitější periférie sloužící ke kapacitnímu dotykovému snímání či práci s ultrazvukem. MCU se mohou pochlubit sedmi nízkopříkonovými režimy s odběrem pod 100 μA/MHz, 0,1 μA (uchování obsahu v paměti RAM) a méně než 1 μA v případě módu RTC (výdrž baterie tak lze prodloužit na více než dvacet let).

32bitové MCU zaměřené na IoT

Mikrokontroléry s extrémně nízkou spotřebou ADuCM3027 a ADuCM3029 od společnosti Analog Devices mají k dispozici 32bitová jádra procesoru ARM Cortex-M3, která lze konfigurovat tak, abychom docílili optimálních vlastností, včetně spotřeby, zatímco budou stále k dispozici klíčové funkce související s bezpečností a spolehlivostí očekávané právě v systémech pro internet věcí. Dvě zmiňované verze se liší jen velikostí paměti Flash, kdy obdržíme 128 kB resp. 256 kB (v obou případech s možnostmi ECC). MCU byly navržené pro oblast péče o zdraví, automatizačních systémů v budovách nebo i celých závodech, chytře řešeného zemědělství a stejně tak i aplikace pracující s energiemi. Dosahují přitom skóre EEMBC ULPMark™-CP 245,5 (Embedded Microprocessor Benchmark Consortium). Z hlediska spotřeby pak hovoříme o plnohodnotném aktivním režimu s typickým odběrem pod 30 μA/MHz, módu Flexi (jádro spí, periférie máme aktivní, typ. méně než 300 μA) a hibernaci (zachování obsahu SRAM, typ. pod 750 nA). Zrychlené šifrování umožněné četnými vlastními, hardwarovými a také softwarovými ochrannými mechanismy pak představuje silnou ochranu proti čtení, kdy neoprávněným uživatelům zamezuje vyčtení obsahu jakéhokoli zařízení.

A nejen to, zapracovaná ochrana proti zápisu již předem vylučuje možnost přeprogramování s využitím kódu, který není legitimní. Dalšímu zvyšování spolehlivosti napomáhá též sledování napětí v režimu standby a také oprava chyb v paměti Flash. Vyhýbáme se tak potížím, které mohou ohrozit provozuschopnost nebo způsobit, že systém selže úplně.

Ve 32bitových mikrokontrolérech LPC540 od NXP Semiconductors se snoubí 180MHz jádro ARM Cortex-M4 se specifickou, efektivně pracující architekturou společně s pokročilými možnostmi HMI a také flexibilními perifériemi sloužícími ke komunikaci. Nakonec tak v reálném čase dostáváme potřebný výkon vyžadovaný infrastrukturou internetu věcí v systémech nové generace. Díky flexibilitě demonstrované rozhraním (quad SPI Flash, CAN), podporou grafických LCD nebo až 11 kanály FlexComm se dokážeme přizpůsobit měnícím se požadavkům. Kompatibilita napříč řadou obvodů umožňuje bezproblémový přechod s cílem navýšit výkon nebo přidat další periférie. Součástky dostupné v pouzdrech typu TFBGA180, TFBGA100, LQFP208 a LQFP100 nabízí až 360 kB paměti SRAM, pamatují na quad SPI Flash, řeší ethernetové připojení, funkce TFT LCD kontroléru a přidávají též dva moduly CAN FD. Dosahují přitom zajímavé rovnováhy mezi vlastní výbavou a související spotřebou, kdy v aktivním režimu počítáme s odběrem 100 μA/MHz.

Každý z mikrokontrolérů Synergy S3A1 od firmy Renesas přichází s 32bitovým jádrem CPU ARM Cortex-M4 taktovaným na 48 MHz, jednotkou FPU (Floating Point Unit) a celou řadou analogových funkcí nebo bezpečnostních prvků. MCU mají pro kód vyhrazen 1 MB paměti Flash, 8 kB Flash slouží k ukládání dat a vše ještě doplňuje 192 kB SRAM. Obvody jsou z hlediska vlastností, rozvržení vývodů nebo IP kompatibilní s dalšími skupinami MCU Synergy a nabízí tak při dalším zkracování celého procesu vývoje hardwaru i softwaru větší rozšiřitelnost spolu s opakovaným využitím kódu. Mikrokontroléry byly navržené pro účely monitorování, např. u venkovních meteostanic, ve kterých mohou být s ohledem na nejednu službu vyžadovány další aktualizace. Dostáváme proto na výběr odlišné velikosti paměti a také pouzder, včetně počtu jejich vývodů.

V případě všech členů rodiny MCU+FPU STM32L4 od STMicroelectronics se bude jednat o součástky s extrémně nízkou spotřebou, založené na 32bitovém RISCovém jádru ARM Cortex-M4. Při práci na kmitočtech až do 80 MHz se zmiňovaná jádra vyznačují formátem FPU „single precision“ s podporou všech takových ARM instrukcí pro zpracování dat a datových typů. K dispozici je rovněž kompletní sada DSP instrukcí společně s jednotkou ochrany paměti pro navýšení bezpečnosti aplikace. Rodina obvodů je založena na nové platformě s ultranízkou spotřebou a možnostmi FlexPower- Control. V rámci svých optimalizovaných úrovní spotřeby energie dosahuje skóre EEMBC ULPBench-CP 150.

Jednotlivé mikrokontroléry nabízí až 2 MB paměti Flash (dual bank) a také až 640 kB SRAM. Díky firemnímu chráněnému akcelerátoru ART lze na 80 MHz rovněž počítat se 100 DMIPS / CoreMark 273. Vlastnosti celého systému jsou optimalizovány na základě funkcí AHB bus matrix a DMA kontrolérů. Obvody STM32L4 mohou ve stávajících návrzích nahradit prvky STM32F4 a zdůraznit přitom nízkou spotřebu. Protože jsou navíc pinově kompatibilní, na desce nebude nutné provádět změny.

Jde to i s menšími pouzdry

MCU PSoC 6 od Cypress Semiconductor funguje ve stylu „all-in-one“ a zajišťuje tak při zpracování vysoký výkon společně s klíčovými bezpečnostními prvky – to vše s ohledem na aplikace ze světa IoT. Je založen na 40nm technologii s extrémně nízkou spotřebou a využívá přitom dvoujádrové architektury s ARM Cortex‑M4 navrženým pro náročné aktivity, zatímco ARM Cortex‑M0+ se již postará o úlohy s důrazem na malé vlastní odběry. Spotřeba v aktivním režimu klesá v případě jádra M4 bez výjimky na 22 μA/MHz a v případě M0+ pak dosahuje pouhých 15 μA/MHz. Značně flexibilní architektura MCU umožňuje přidávat možnosti, jako je např. USB, Bluetooth Low Energy (BLE) a řada dalších softwarově definovaných periférií. Dále tak vytváříme vlastní analogové front-endy AFE společně s obvody číslicového rozhraní se schopností „pečovat“ o návrhy internetu věcí, ve kterých je z hlediska vzájemné propojitelnosti nutné počítat s několika protokoly. K dispozici jsou rovněž standardní, symetrické i asymetrické šifrovací algoritmy, včetně ECC a AES nebo hašovacích algoritmů (SHA 1, 2, 3).

Rodina SIP (system-in-package) SAM R34 od společnosti Microchip je provozována v pásmu do 1 GHz a zahrnuje výkonný 32bitový mikrokontrolér s ultranízkou spotřebou, transceiver LoRa a SW stack, což výraznou měrou přispívá k rychlejšímu uvedení produktů ze světa internetu věcí na trh. Počítat lze s certifikovanými referenčními návrhy a také osvědčenou spoluprací s předními bránami LoRaWAN a poskytovateli síťových služeb.

Když se řekne SoC nRF52840 od firmy Nordic Semiconductor s podporou různých protokolů, budeme tím rozumět nadmíru flexibilní jednočipové řešení s extrémně nízkým odběrem, vhodné pro bezdrátové aplikace komunikující na krátké vzdálenosti. Vestavěný transceiver pracující v oblasti 2,4 GHz podporuje Bluetooth 5 / BLE, 802.15.4 / Thread, ANT / ANT+ a také vlastní protokoly v tomto pásmu. Z tohoto hlediska je rovněž kompatibilní se stávajícími řadami nRF52, nRF51 a nRF24 od stejného výrobce. Dynamická podpora více protokolů tak obvodu umožňuje souběžný bezdrátový provoz Bluetooth 5 a Thread. Provozní cykly vf hardwarové části lze přitom mezi protokoly sdílet a v obou případech proto zůstat připojeni. SoC je vystavěn okolo 32bitového CPU ARM Cortex-M4F taktovaného na 64 MHz s pamětí Flash o velikosti 1 MB a 256 kB vlastní RAM. Řešení CPU podporuje instrukce DSP, hardwarově urychlované výpočty FPU, akumulaci či násobení v jednom cyklu a také HW dělení s ohledem na energeticky efektivní provádění složitých operací. K dispozici je také řízení prostředků a napájení, aby tak bylo možné prodloužit výdrž baterie. Napěťový rozsah v rozmezí od 1,7 V až do 5,5 V umožňuje připojit primární i sekundární články, příp. rovnou napájet přes USB a vyhnout se přitom vnější regulaci napětí. Součástky přichází s automatickým adaptivním řízením napájení, které se dotýká každé stránky jejich činnosti – od ovládání napájecího zdroje až po periferní sběrnice nebo správu paměti (EasyDMA). Vše tak lze automaticky odstavit, ovšem až na zcela nezbytné periférie provádějící požadované úkony.

Pokud uvážíme současný, ale i předpovídaný masivní nárůst počtu zařízení internetu věcí v nadcházejících letech, nabývá potřeba zachování jejich bezchybné činnosti na skutečném významu. Mikrokontroléry, které jsme v článku zmiňovali, naznačují, že vývojáři již mají přístup k inovativním polovodičovým technologiím, s nimiž nakonec vše i vyřeší.