物聯(lián)網(wǎng)邊緣傳感器節(jié)點(diǎn)：超越單處理器嵌入式系統(tǒng)的演進(jìn)

Microchip Technology Inc.

負(fù)責(zé)MCU業(yè)務(wù)部的公司副總裁

Greg Robinson

互聯(lián)網(wǎng)連接推動(dòng)處理需求

嵌入式系統(tǒng)正以越來(lái)越快的速度繼續(xù)其技術(shù)演進(jìn)；我們家庭、車輛和工作場(chǎng)所中的設(shè)備功能正在突飛猛進(jìn)地發(fā)展。這一進(jìn)步的一個(gè)關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素是，即使是最小的電子設(shè)備也能夠連接到我們的現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。Wi-Fi?、藍(lán)牙?和其他連接選項(xiàng)使得現(xiàn)場(chǎng)更新和維護(hù)變得更加容易，同時(shí)增加了人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)算法的優(yōu)勢(shì)。這種增加的連接性有效地使這些設(shè)備成為物聯(lián)網(wǎng)邊緣節(jié)點(diǎn)—— 但這帶來(lái)了處理需求增加和內(nèi)存子系統(tǒng)增大的代價(jià)。

系統(tǒng)挑戰(zhàn)

大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)還“連接”到其直接環(huán)境——也就是說(shuō)，它們提供了某種類型的環(huán)境傳感、機(jī)械驅(qū)動(dòng)或人機(jī)界面的功能。例如，智能恒溫器除了配備一系列按鈕或電容傳感器用于人機(jī)輸入外，還連接到本地溫度和濕度傳感器網(wǎng)絡(luò)。大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)都與它們所處的環(huán)境“連接” ——也就是說(shuō)，它們具備某種環(huán)境感知、機(jī)械控制或人機(jī)交互的功能。舉個(gè)例子，智能恒溫器除了配備按鈕或觸摸傳感器用于人機(jī)交互外，還連接到一個(gè)本地的溫度和濕度傳感器網(wǎng)絡(luò)。再比如，聯(lián)網(wǎng)的烹飪?cè)O(shè)備的主要目標(biāo)是理解你對(duì)食物溫度的期望，并將其轉(zhuǎn)化為精確的熱量控制。這些以“模擬”信號(hào)為主的系統(tǒng)，正逐漸進(jìn)入快節(jié)奏的云通信世界，這就帶來(lái)了一個(gè)難題：你是為模擬世界的緩慢輸入設(shè)計(jì)系統(tǒng)，還是為了提

升速度和整體功能而犧牲模擬信號(hào)的精確度？為了更深入地理解這個(gè)問(wèn)題，我們可以看一個(gè)常見且簡(jiǎn)單的例子——物聯(lián)網(wǎng)邊緣傳感器節(jié)點(diǎn)。

模擬子系統(tǒng)

物聯(lián)網(wǎng)邊緣傳感器節(jié)點(diǎn)需要一些模擬子系統(tǒng)來(lái)測(cè)量和監(jiān)控環(huán)境條件，例如溫度、濕度、運(yùn)動(dòng)等。模擬子系統(tǒng)通常包括一個(gè)單片機(jī)（MCU），用于讀取傳感器數(shù)據(jù)，進(jìn)行某種形式的處理，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。通常情況下，環(huán)境數(shù)據(jù)變化較為緩慢，因此大多數(shù)邊緣節(jié)點(diǎn)不需要處理連續(xù)、不間斷的數(shù)據(jù)流。由于邊緣節(jié)點(diǎn)通常依靠小型電池運(yùn)行數(shù)年，它們大部分時(shí)間處于低功耗的“休眠”模式，僅定期喚醒以檢測(cè)環(huán)境變化。在喚醒期間，節(jié)點(diǎn)會(huì)收集數(shù)據(jù)并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸。之后，它會(huì)再次進(jìn)入休眠狀態(tài)，直到需要進(jìn)行下一次測(cè)量。在我們這個(gè)高度互聯(lián)的世界中，隨著邊緣節(jié)點(diǎn)數(shù)量和收集數(shù)據(jù)的增加，電源效率和低功耗運(yùn)行成為延長(zhǎng)模擬子系統(tǒng)電池壽命的關(guān)鍵設(shè)計(jì)考慮因素。

嵌入式系統(tǒng)的分段設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)高效的嵌入式系統(tǒng)，通常需要將系統(tǒng)劃分為不同的“速度域”，并通過(guò)橋接器將快速主處理器與模擬子系統(tǒng)連接起來(lái)。這種分區(qū)設(shè)計(jì)可以讓模擬子系統(tǒng)專注于處理變化較慢的任務(wù)，而快速主處理器則負(fù)責(zé)處理那些需要高速運(yùn)算的復(fù)雜任務(wù)。這樣一來(lái)，每種處理器都能發(fā)揮其最大的優(yōu)勢(shì)。隨著越來(lái)越多的設(shè)備需要聯(lián)網(wǎng)，I3C?成為了下一代串行通信接口，專門用于支持高速芯片之間的通信。作為I2C的升級(jí)版，I3C不僅速度更快，還具備更智能的接口和更強(qiáng)大的控制功能。重要的是，I3C仍然兼容現(xiàn)有的I2C器件，這使得它能夠輕松集成到現(xiàn)有的硬件平臺(tái)中。此外，I2C器件可以與運(yùn)行在12.5 MHz的I3C控制器共存，這意味著現(xiàn)有的I2C總線設(shè)計(jì)可以逐步過(guò)渡到I3C標(biāo)準(zhǔn)。舉個(gè)

例子，一個(gè)支持I3C和傳統(tǒng)通信接口（如I2C、SPI或UART）的單片機(jī)可以作為橋接設(shè)備。這個(gè)橋接器通過(guò)單片機(jī)將快速處理器與傳感器連接起來(lái)。單片機(jī)負(fù)責(zé)讀取傳感器的數(shù)據(jù)，進(jìn)行計(jì)算，并將結(jié)果高效地傳輸出去。這種設(shè)計(jì)不僅保持了I3C總線的高速性能，還能通過(guò)單片機(jī)實(shí)現(xiàn)I3C控制器與I2C/SPI器件之間的通信。通過(guò)將嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行合理的分區(qū)設(shè)計(jì)，并利用I3C接口，可以更高效、更穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

PIC18-Q20 MCU

Microchip推出了PIC18-Q20產(chǎn)品系列，專門為現(xiàn)代分布式處理器嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)。這些單片機(jī)（MCU）提供了先進(jìn)的串行通信接口，包括多達(dá)兩個(gè)I3C外設(shè)，能夠高速連接到多個(gè)總線，極大地增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性。此外，它們還內(nèi)置了傳統(tǒng)的通信協(xié)議，如UART、SPI、I2C和SMBus，可以作為橋接設(shè)備無(wú)縫集成到系統(tǒng)中，并將I2C/SPI設(shè)備與純I3C總線隔離開來(lái)。這種設(shè)計(jì)不僅保持了I3C總線的高速性能，還能通過(guò)單片機(jī)實(shí)現(xiàn)I3C控制器與I2C/SPI器件之間的通信。PIC18-Q20還支持多個(gè)電壓域，這意味著它可以輕松連接不同工作電壓的組件，從而省去了電平轉(zhuǎn)換器的需求，降低了材料成本并簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。此外，PIC18-Q20單片機(jī)集成了片上獨(dú)立于內(nèi)核的外設(shè)（CIP），這些外設(shè)可以在不需要CPU持續(xù)干預(yù)的情況下獨(dú)立運(yùn)行，并直接與其他外設(shè)通信。這些基于硬件的功能模塊功耗極低，幾乎不需要編寫代碼，并且占用更少的RAM和閃存資源，卻能實(shí)現(xiàn)與軟件相同的功能。此外，單個(gè)MCU可以同時(shí)啟用多個(gè)功能模塊。設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)MPLAB?代碼配置器（MCC）——一個(gè)簡(jiǎn)單的圖形用戶界面（GUI）工具——輕松定制包括I3C外設(shè)在內(nèi)的CIP組合，生成應(yīng)用程序代碼，而無(wú)需深入研究數(shù)據(jù)手冊(cè)。通過(guò)使用CIP，工程師可以將每個(gè)系統(tǒng)任務(wù)進(jìn)行分區(qū)管理，從而簡(jiǎn)化功能實(shí)現(xiàn)，減少組件數(shù)量、代碼量、開發(fā)時(shí)間和功耗。

結(jié)論

在我們這個(gè)快速變化的世界中，技術(shù)的進(jìn)步要求設(shè)備具備更快的處理速度、更高效的連接性以及更小的體積。雖然現(xiàn)代電子設(shè)備越來(lái)越多地與外部世界連接，但在這些互聯(lián)系統(tǒng)中，仍然需要小型化且節(jié)能的模擬子系統(tǒng)來(lái)感知和測(cè)量“現(xiàn)實(shí)世界”的數(shù)據(jù)。由于環(huán)境數(shù)據(jù)的變化通常比較緩慢，設(shè)計(jì)時(shí)需要在速度和精度之間找到一個(gè)平衡點(diǎn)。

為了實(shí)現(xiàn)高效的嵌入式系統(tǒng)，通常需要將系統(tǒng)劃分為不同的“速度域”，并通過(guò)橋接器將快速處理器與模擬子系統(tǒng)連接起來(lái)。隨著I3C逐漸成為高速芯片間通信的主流接口，工程師們需要選擇能夠全面支持高性能數(shù)字處理需求的高級(jí)單片機(jī)（MCU），同時(shí)還要確保這些MCU在下一代設(shè)計(jì)中保持對(duì)模擬信號(hào)的高精度處理能力。

審核編輯 黃宇