使用现成即用的嵌入式 Linux 多核平台加快嵌入式无线物联网开发
作者：Stephen Evanczuk
先进的工业、医疗、交通和农业物联网 (IoT) 应用需要更复杂的嵌入式系统设计。在这种情况下，尽管面临着更紧的工期和不断缩减的预算，但开发人员别无选择，只能自制开发板，以满足性能、连接性和外设要求。即使可能有现成的开发板，但性能、功耗、尺寸、外形和功能这些因素会限制其适用性。
然而，在物联网和工业物联网 (IIoT) 无处不在的时代，即使是最高效的定制开发团队也会因无线子系统的区域认证要求而被延误，导致减缓交付速度，失去市场机会。
本文将讨论无线嵌入式开发板的造与买的问题。然后介绍来自 Digi 的一款交钥匙型开发平台，该平台提供了全面的软件环境和具有预认证无线模块的优化硬件平台。本文还展示了如何使用该套件来帮助开发人员快速轻松地交付功能更强大的嵌入式系统解决方案。
嵌入式开发板自制与外购之对比
伴随着终端用户的产品期望和市场竞争压力，嵌入式系统开发人员需要在不断缩小的上市时间窗口内提供更多功能。用户偏爱更易于连接、使用和维护的系统。因此，开发人员在许多方面面临着日益增长的挑战。对于无线连接，短距离和长距离无线解决方案带来了相关的设计认证要求；实现合适的显示功能增加了设计的复杂性和成本；确保这些系统的持续可靠性和长期可用性对开发人员提出了挑战，他们需要找到能够承受严苛条件，还能在工业或医疗应用中常见的长生命周期内保持可用的解决方案。
对于某些应用，合适的解决方案非常依赖于定制设计方法来优化每个子系统，以满足要求。但是，越来越多的现成设计解决方案提供了一个可以轻松扩展的平台，以支持各种应用领域的独特要求。然而，开发团队有时会纯粹从开发成本的角度来决定构建定制解决方案而不是购买预先构建好的系统，他们计算得出从头开始构建定制设计要比购买现成的设计成本更低。
事实上，开发团队会发现，包括无线认证、可用性、可维护性和其他生命周期问题在内的其他考量因素会增加整体成本。在一个快速发展的市场中，实施定制设计造成的延迟会进一步侵蚀市场份额和营收时效，最终限制新产品的盈利能力。
为了解决这些问题，Digi 推出了 CC-WMX8MN-KIT ConnectCore 8M Nano 开发套件，该套件是定制开发的有效替代方案，提供了一个能够满足各种应用的性能和成本要求的交钥匙型平台（图 1）。
图 1：Digi 的 CC-WMX8MN-KIT ConnectCore 8M Nano 开发套件提供了所需的一切，帮助开发能够满足日益增长的 HMI 设计、音频/视频处理、边缘计算和机器学习需求的互连系统。（图片来源：Digi）
交钥匙型解决方案如何满足不同的功能需求
Digi CC-WMX8MN-KIT ConnectCore 8M Nano 开发套件提供了一个全面的硬件平台，能够缩短开发时间和系统上市时间。使用该套件，开发人员可以轻松实现可扩展的系统，以支持人机界面 (HMI) 设计、音频/视频处理、边缘计算、机器学习等各种应用。除了 Digi ConnectCore 8M Nano 开发板，该套件还包括双频天线、控制台端口电缆和电源，因此开发人员可以立即开始创建互连应用。
与 Digi 的其他 CoreConnect 开发套件一样，ConnectCore 8M Nano 开发套件也利用了 Digi 的高度集成系统级模块 (SoM) 解决方案。Digi 的 ConnectCore SOM 以 NXP Semiconductor 的 i.MX 处理器系列为基础，集成了多媒体、安全、有线连接和预认证型无线连接等典型嵌入式应用所需的功能。与广泛的软件环境结合使用，这些 SoM 简化了嵌入式系统的开发，相比通常使用的定制硬件方法，能够让产品制造商以更快的速度和更低的风险提供更复杂的产品。
对于CC-WMX8MN-KIT开发套件，Digi SOM将恩智浦基于四Arm® Cortex®-A53和Arm Cortex-M7内核的i.MX 8M Nano处理器的功能与高达8千兆字节（GB）的闪存、高达1GB的低功耗双数据率（LPDDR）动态随机存取存储器（DRAM）以及一系列附加子系统结合起来（图2）。
图 2：基于 NXP 的 i.MX 8M Nano 多核处理器，Digi SoM 集成了典型嵌入式系统设计所需的存储器、连接选项、安全和电源管理功能。（图片来源：Digi）
在其子系统中，该 SoM 集成了 Microchip Technology 的 CryptoAuthentication 系列安全器件，补充了 Arm Cortex-A53 内核的 TrustZone 安全功能。而 CryptoAuthentication 器件结合了专用加密处理器、高质量随机数发生器和受保护密钥存储，用以实现哈希和公钥基础设施 (PKI) 算法的高速安全执行。
SoM 的内置连接选项支持千兆位以太网 (GbE) 以及预先认证的 802.11 a/b/g/n/ac Wi-Fi 和蓝牙 5。为了满足广域网的需求，开发人员只需将 Digi 的 XBEE 蜂窝模块连接到 CC-WMX8MN-KIT 开发板的 XBEE 兼容连接器组，即可添加蜂窝连接和其他连接选项。
除了全套标准外设接口，SoM 还支持用于音频、摄像头和显示器的多种多媒体接口。集成的图形处理单元和液晶显示接口 (LCDIF) 控制器让开发人员可以轻松添加可选的 LCD 面板，如 Digi 的 CC-ACC-LCDW-10，并快速开始为其嵌入式应用创建 HMI 设计。
基于高级处理器的设计中的电源管理
复杂嵌入式系统的电源管理可能是一项重大挑战，尤其是当系统设计集成了像 NXP 的 i.MX 8M Nano 这样的高级处理器时。与同类其他处理器一样，NXP 的 i.MX 8M Nano 将核心处理器（VDD_ARM 和 VDD_SOC）、GPU (VDD_GPU)、存储器（VDD_DRAM、NVCC_DRAM）、安全非易失性存储（NVCC_SNVS_1P8、VDD_SNVS_0P8）等许多不同的子系统分为独立的功率域。开发人员不仅需要为每个域提供适当的电源轨，还需要以特定的时序为每个域供电（和断电）（图 3）。
图 3：与大多数高级处理器一样，NXP 的 i.MX 8M Nan 将其子系统划分为独立的功率域，这些功率域需要在启动时按特定时序开启各自的供电轨。（图片来源：NXP Semiconductor）
事实上，Digi 的 ConnectCore i.MX 8M Nano SoM 只需要两个电源输入并使用 ROHM Semiconductor 的 BD71850MWV 电源管理 IC (PMIC) 提供 i.MX 8M Nano 处理器和其他器件所需的多种供电电压电平。ROHM BD71850MWV 专为支持 NXP 的 i.MX 8M Nano 处理器而设计，集成了多个降压稳压器和低压差 (LDO) 稳压器，从 VSYS 5 V 主电源提供整套电源轨（图 4）。
图 4：ROHM BD71850MWV PMIC 专为 NXP i.MX 8M Nano 处理器供电而设计，为该处理器以及典型嵌入式系统设计中的其他器件提供了所需的全套电源轨。（图片来源：ROHM Semiconductor）
虽然 BD71850MWV 可管理处理器所需的详细上电和断电时序，但 Digi 进一步提高了控制级别，旨在优化总体功耗并保持系统可靠性。Digi 微控制器辅助器件 (MCA) 集成在 SoM 中，采用 NXP 的专用 Kinetis KL17 MKL17Z64VDA4 微控制器 (MCU) 进行系统级电源管理。NXP 的 Kinetis KL17 MCU 采用超低功耗 Arm Cortex-M0+ 内核，在超低功耗运行模式下，每兆赫 (MHz) 仅消耗 46 微安 (μA)，在维持内存和实时时钟 (RTC) 功能的停止模式下，仅消耗 1.68 μA。
MCA 即使在系统处于休眠模式时也能保持活动状态，能执行在 KL17 MCU 上运行的可升级固件，以提供多个选项来唤醒 NXP 的 i.MX 8M Nano 系统处理器。例如，Digi 采用了一项默认设置，以禁用系统处理器的 RTC，转而利用 MCA 固件中实现的低功耗 RTC 功能。开发人员可以使用该 MCA 的 12 位模数转换器 (ADC) 来监控外部事件，并仅在需要时生成中断来唤醒系统处理器。反过来，MCA 固件实现了三个用于外部操作的多通道脉冲宽度调制 (PWM) 控制器。为了帮助确保整体系统可靠性，MCA 固件还提供看门狗定时器功能，如果该处理器上运行的软件挂起，或该软件在正常软件执行期间不执行常规的看门狗定时器维护，则该功能可重置整个系统或仅重置系统处理器。
在系统启动时，一旦通电，MCA 就会开始运行。经过可编程的延迟后，MCA 又会启动 BD71850MWV PMIC，后者执行前文所述的 i.MX 8M Nano 上电时序。系统复位或从低功耗休眠状态转换的方式与 MCA 协调 PMIC 和处理器恢复电源的方式基本相同。
生产就绪型嵌入式 Linux 软件环境
Digi CC-WMX8MN-KIT 开发套件利用其广泛的硬件基础，提供了一个运行开源 Digi Embedded Yocto (DEY) 的生产就绪型软件环境。DEY 以 Yocto Project 广受欢迎的嵌入式 Linux 发行版为基础进行了扩展，增加了专门为支持 Digi 硬件平台而设计的附加板级支持包 (BSP) 功能（图 5）。
图 5：Digi Embedded Yocto 通过用于 Digi 硬件的板级支持包 (BSP) 扩展了基础 Yocto Project Linux 发行版。（图片来源：Digi）
在 Linux 内核的 BSP 扩展中，Digi 的 TrustFence 为 Linux 设备提供了一个安全框架。利用其身份验证和身份管理功能，TrustFence 服务从低级别的内部和外部 I/O 端口访问控制，扩展到高级别的支持，以确保安全的网络连接以及使用经验证固件映像进行安全引导。虽然最初不受 ConnectCore 8M Nano 模块支持，但 Digi TrustZone 将在未来的 DEY 版本中提供。
除了各个设备层面的安全和管理，大规模物联网应用还不可避免地需要监控和管理物联网设备群的能力。为了支持这些要求，Digi Remote Manager 提供基于云的服务，旨在支持设备运行状况监视、配置管理和固件更新。使用移动 APP 或桌面软件，开发人员可以通过 Digi Remote Manager 来显示设备群的详细运行信息，包括设备群运行状况、警报、连接状态和信号强度（图 6）。
图 6：Digi Remote Manager 云服务允许开发人员从他们的桌面或移动设备监视和管理大规模物联网部署。（图片来源：Digi）
除了监视功能外，Digi Remote Manager 还能让开发人员交互使用命令行或以编程方式使用该服务的应用编程接口 (API)，更主动地管理数据、连接和设备软件。借助这些功能，开发人员可以重新引导设备并上传文件，从而轻松执行典型互连设备所需的大规模设备群固件和软件更新，但在大规模部署时通常会面临后勤方面的挑战。
结语
在工业、医疗、交通和农业等细分市场中，应用需求越来越复杂，这推动了对更复杂的面向物联网的嵌入式系统设计的需求。相关无线子系统的地区性认证要求也使问题复杂化，并减缓了设计速度。
为了解决这些问题，Digi 推出一个开发套件，为设计人员提供了一个全面的软件环境和优化的硬件平台，并带有经过预先认证的无线模块。如上所述，该套件能够让开发人员更轻松、更快速地交付功能强大的互连嵌入式系统解决方案。
