焦點(diǎn)速看：為IoT和IIoT應(yīng)用選擇微控制器開發(fā)工具包的介紹性指南

作者：貿(mào)澤電子Mark Patrick

(相關(guān)資料圖)

物聯(lián)網(wǎng)（IoT）已經(jīng)在我們周圍無處不在，對(duì)于嵌入式開發(fā)工程師來說，開始一個(gè)新的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)需要嚴(yán)格關(guān)注多個(gè)因素，如功耗、感測(cè)能力和無線連接等，不斷增大的上市時(shí)間壓力則加劇了這種需要。物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)工具包則為設(shè)計(jì)師提供了一個(gè)可行且方便易用的原型平臺(tái)，但物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)工具包的功能差異很大，因此需要仔細(xì)考慮具體應(yīng)用需求、工具包的功能和性能。

本文將重點(diǎn)介紹為新設(shè)計(jì)項(xiàng)目選擇物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)工具包所涉及的許多考慮因素。

在線時(shí)代

毫無疑問，我們正處于一個(gè)在線時(shí)代，互聯(lián)設(shè)備無處不在，有些是我們平時(shí)佩戴，有些是幫助我們準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)用電量，還有一些能夠在有客人來訪時(shí)通知我們。對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)過程，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）的出現(xiàn)正在改變工廠的運(yùn)營(yíng)方式，并幫助提高整體設(shè)備效率。在短短十年中，我們已經(jīng)改變了與周圍世界互動(dòng)以及控制周圍世界的方式。我們過去時(shí)常驚嘆如果沒有手機(jī)是如何應(yīng)對(duì)這一起，而現(xiàn)在我們已經(jīng)習(xí)慣了實(shí)時(shí)訪問有關(guān)生活和工作各個(gè)方面的信息。

我們的汽車也在經(jīng)歷一些根本的變化，所接收到的最新交通流信息能夠提醒我們前方可能出現(xiàn)的延誤。通過利用互聯(lián)網(wǎng)連接的醫(yī)療監(jiān)測(cè)設(shè)備，患者可以舒適地在家中休息，并確信由于具備在線監(jiān)測(cè)，在需要時(shí)醫(yī)護(hù)人員會(huì)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)干預(yù)。

由于政府實(shí)施的工業(yè)4.0等一些舉措，推動(dòng)了對(duì)自動(dòng)化、流程效率改進(jìn)以及更精簡(jiǎn)運(yùn)營(yíng)的需求，因而物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)快速被行業(yè)所采納。現(xiàn)在，大量的傳感器可監(jiān)測(cè)并報(bào)告流程每個(gè)階段的狀態(tài)，并將數(shù)據(jù)反饋給自動(dòng)化控制和分析系統(tǒng)。

部署IoT/IIoT的好處非常明顯，但從電子工程的角度來看，開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備也存在許多挑戰(zhàn)。

探索物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的需求

各種不同的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用差異很大，但無論是為工業(yè)過程設(shè)計(jì)壓力傳感器還是為辦公室設(shè)計(jì)房間占用傳感器，一組核心功能要求通常保持不變。

為創(chuàng)建物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的大概工程規(guī)格和參數(shù)，需要進(jìn)行初步的事實(shí)考證，應(yīng)考慮以下重點(diǎn)關(guān)注的幾個(gè)方面，這些將基本定型其功能架構(gòu)和設(shè)計(jì)。

傳感功能：從溫度到氣壓，再到人的運(yùn)動(dòng)，傳感器可以感知我們周圍的世界。例如，攝像頭可能會(huì)將數(shù)據(jù)流傳輸?shù)綑C(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用，以進(jìn)行物體檢測(cè)，從而確認(rèn)標(biāo)簽已正確粘貼到瓶子上。一些技術(shù)決策取決于檢測(cè)到的內(nèi)容和檢測(cè)頻率，其它考慮因素包括傳感器成本、尺寸和復(fù)雜性等。用于測(cè)量溫度的熱敏電阻在轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式之前，需要由模擬范疇的附加組件和一些軟件處理。另一個(gè)因素是需要多少個(gè)傳感器以及它們的輪詢（polled）頻率。

連接性：物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備如何與主機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行交互？在每個(gè)應(yīng)用案例場(chǎng)景中都可以使用可靠的無線通信嗎？還是首選有線通信？傳感器的類型決定了需要傳輸多少數(shù)據(jù)以及傳輸頻率。在大型部署中，無線網(wǎng)格技術(shù)通常能夠提供更強(qiáng)大的通信鏈路，但要求所有物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備都以這種方式運(yùn)行。對(duì)于無線通信，需要在創(chuàng)建分立式設(shè)計(jì)，還是選擇經(jīng)過認(rèn)證的模塊之間做出決策。

電源：您的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備功耗情況可能會(huì)是怎樣？某些應(yīng)用、通信頻率和無線協(xié)議可能具有超過小型電池容量的巨大電力負(fù)載。對(duì)于某些部署方案，是否可以提供線路電源？最近的物聯(lián)網(wǎng)傳感器發(fā)展趨勢(shì)是采用能量收集技術(shù)來完全去除電池，取而代之的是，從太陽能、振動(dòng)和熱量等環(huán)境能源中獲取能量，為超級(jí)電容器充電。

用戶界面：物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備是否需要與用戶交互？如果在運(yùn)行期間不需要，在安裝和連接到主機(jī)系統(tǒng)期間會(huì)怎么樣？是否需要顯示器或任何其他形式的指示或狀態(tài)LED？

云端分析和控制應(yīng)用：物聯(lián)網(wǎng)的本質(zhì)是所有設(shè)備連接到控制主機(jī)系統(tǒng)，而連接方法和協(xié)議確定了傳感器的軟件需求以及與主機(jī)的交互方式。數(shù)據(jù)流是否需要恒定的數(shù)據(jù)傳輸鏈路，或者可以定期批量發(fā)送？

物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)工具包選擇提示和技巧

開發(fā)工具包為嵌入式工程師提供了一種方便快捷的原型設(shè)計(jì)方法。在本一節(jié)中，我們將著重討論工程師在選擇合適的開發(fā)套件時(shí)應(yīng)該考慮的一些因素。領(lǐng)先的微控制器供應(yīng)商提供了多種物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)和評(píng)估工具，因此最好的方法是根據(jù)具體應(yīng)用要求做出明智的決定。下面是選擇開發(fā)工具包平臺(tái)時(shí)需要檢查的一些功能列表。

電源：

·電路板是如何供電的？通過主機(jī)工作站的USB？電池供電？它可以由預(yù)想的電源供電嗎？它是否有PMIC，從而可以用來嘗試其他電源？

·是否可以在線路內(nèi)放置電流探針來測(cè)量實(shí)時(shí)功耗并進(jìn)行分析？如果可以，電路板上是否包括所有零部件以及任何附加的模塊、傳感器等？

傳感器：

·電路板是否配備了應(yīng)用需要使用的傳感器類型？

·是否可以添加其他傳感器？使用外圍設(shè)備連接或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的附加格式，如mikroBUS Click？

·可訪問哪些外圍接口？I²C、UART、SPI、GPIO？

·電路板或微控制器是否有您可以使用的ADC，是否需要其他信號(hào)調(diào)節(jié)組件？

連接性：

·電路板上有哪些有線/無線連接選項(xiàng)？以太網(wǎng)、Wi-Fi、LoRa、BLE、ISM等。

·如果沒有板載連接，是否可以輕松添加？制造商是否建議并支持合適的無線模塊，或者是否存在第三方接口（mikroBUS Click.等）選項(xiàng)？

·電路板固件是否能夠?qū)崿F(xiàn)固件的無線更新？

計(jì)算資源：

·電路板是否具有您打算使用的微控制器？您以前使用過它嗎？您是否已經(jīng)擁有合適的開發(fā)工具鏈？

·電路板的計(jì)算資源是否足以運(yùn)行物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序、主機(jī)協(xié)議和所有連接協(xié)議棧？

·如果微控制器集成有無線收發(fā)器，您是否可以獨(dú)立控制其睡眠模式以實(shí)現(xiàn)節(jié)能目的？

·MCU有哪些內(nèi)置安全功能，它們適合您的應(yīng)用嗎？

用戶控件：

·該電路板是否配備了所有用戶按鈕、觸摸感應(yīng)滑塊或其他用戶控制硬件功能？

·是否有顯示器？在最終應(yīng)用中是否有必要？

·是否可以從您的代碼訪問任何用戶LED？是否有足夠的可用端口，或者可以使用備用GPIO端口快速添加？

軟件支持：

·該電路板的推薦開發(fā)工具鏈?zhǔn)鞘裁矗磕呀?jīng)有了嗎？

·是否包括綜合板支持包（BSP）？

·需要哪些額外的驅(qū)動(dòng)、程序庫和固件，它們是免費(fèi)的嗎？

·與電路板制造商一起檢查固件和中間件許可要求。

·電路板是否提供了預(yù)裝演示，可以顯現(xiàn)該板的功能？它是否包括與流行服務(wù)提供商（如Microsoft Azure或Amazon AWS）之間的通信？

·電路板上是否有其他演示和代碼示例？是否存在一個(gè)包括程序庫和開發(fā)伙伴的生態(tài)系統(tǒng)？

物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)板展示

Microchip WFI32物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)板

Microchip WFI32，部件參考代碼EV36W50A，這是一個(gè)全面、完全集成的獨(dú)立物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)板（參見圖1）。

圖1：Microchip EV36W50A物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)工具包。（來源：Microchip）

WFI32 IoT集成了基于PIC系列微控制器的Microchip WFI32E01PC Wi-Fi 802.11無線模塊，板載傳感器包括一個(gè)Microchip數(shù)字I²C溫度IC和一個(gè)數(shù)字環(huán)境光IC，開發(fā)人員可以通過mikroBUS插座連接其他傳感器或外圍設(shè)備。該無線MCU模塊還配有集成天線，電路板可以通過工作站主機(jī)或LiPo電池供電，而板載PMIC則允許通過USB主機(jī)提供電池充電功能。

圖2顯示了WFI32 IoT電路板的功能框圖，并突出顯示了集成到該板的Microchip組件。

圖2：Microchip WFI32 IoT EV36W50A開發(fā)板功能框圖。（來源：Microchip）

該電路板預(yù)裝了一個(gè)現(xiàn)成的（OOB）演示圖像，可以讀取板載傳感器，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到Amazon AWS云端。演示代碼和完整說明可從GitHub存儲(chǔ)庫獲取。

STMicroelectronicsSTEVAL ASTRA1B多種連接資產(chǎn)跟蹤參考設(shè)計(jì)

圖3顯示了STEVAL ASTRA1B開發(fā)工具包和參考設(shè)計(jì)，它專為原型制作和評(píng)估資產(chǎn)跟蹤應(yīng)用而設(shè)計(jì)，其中集成了兩個(gè)無線連接模塊：一個(gè)為STM32WB5MMG低功耗、短距離2.4GHz無線BLE/ZigBee微控制器模塊，另一個(gè)為遠(yuǎn)程亞GHz STM32WL55JC無線MCU模塊，用于LoRa等LPWAN通信。

圖3：STEVAL-ASTRA1B資產(chǎn)跟蹤開發(fā)工具包。（來源：STMicroelectronics）

STEVAL ASTRA1B包括一套全面的傳感器，能夠測(cè)量多種環(huán)境和運(yùn)動(dòng)參數(shù)。全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）模塊可提供室外定位數(shù)據(jù)。其他板載功能包括STSAFE安全元件、480 mAh電池，以及由資產(chǎn)跟蹤儀表板和智能手機(jī)應(yīng)用程序組成的OOB演示。

Silicon Labs的 xG24-RB4188A是一種插入式分集天線模塊，用于制作2.4GHz無線應(yīng)用的原型（參見圖4），它可插入Silicon Labs BRD4001無線啟動(dòng)板。該模塊包含一個(gè)Silicon Labs EFR32 Wireless Gecko片上系統(tǒng)、一個(gè)射頻開關(guān)、匹配網(wǎng)絡(luò)和兩個(gè)SMA天線連接器。EFR32的RF輸出為+20 dBm。

圖4：安裝在Silicon Labs Wireless Kit Pro主板上的Silicon Labs xG24-RB4188A分集天線模塊。（來源：Silicon Labs）

SEMTECH LR1120開發(fā)套件

針對(duì)基于SEMTECH LR1120無線微控制器的LoRa LPWAN應(yīng)用原型設(shè)計(jì)，SEMTECK可提供一系列LR1120開發(fā)工具包，如圖5所示。

圖5：SEMTECH LR1120開發(fā)工具包示例。（來源：SEMTECH）

根據(jù)工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療（ISM）等亞GHz頻譜領(lǐng)域要求，這些套件有針對(duì)不同地區(qū)的變體。

LR1120適合多個(gè)區(qū)域資產(chǎn)定位、庫存管理和防盜應(yīng)用。

本文前面部分重點(diǎn)介紹了向開發(fā)板添加其他傳感器或外圍設(shè)備的功能。如Microchip開發(fā)板說明中所述，它配備了一個(gè)mikroBUS插座。Mikroe開發(fā)的mikroBUS已迅速成為許多半導(dǎo)體供應(yīng)商在開發(fā)和評(píng)估板上廣泛采用的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。mikroBUS將SPI、UART和I²C等串行連接與電源、模擬和PWM信號(hào)等整合在一起，形成緊湊的插座格式。Mikroe已經(jīng)開發(fā)了數(shù)百個(gè)采用這種方便外形的Click板。

Mikroe Ultra-Low Press Click就是其中一個(gè)例子。該板設(shè)計(jì)用于低壓氣動(dòng)測(cè)量，它擁有一個(gè)TE Connectivity SM8436壓力傳感器，可通過I²C接口進(jìn)行通信（參見圖6）。

圖6：Mikroe Ultra-Low Press Click板。（來源：Mikroe）

使用物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)工具包繼續(xù)前進(jìn)

由于這些開發(fā)板的出現(xiàn)，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的原型制作變得非常容易。這篇短文著重討論了嵌入式工程師在選擇合適開發(fā)板時(shí)應(yīng)該考慮的一些問題。除上述主題外，還需要考慮滿足特定應(yīng)用的具體要求。

您打算開發(fā)什么？

關(guān)鍵詞： 微控制器 外圍設(shè)備 選擇合適 可以使用 功能框圖