Deeply embedding e smart technology

camerapill

L’Embedded World è un’eccezionale vetrina tecnologica che consente di percepire il livello di innovazione che permea il mondo dello sviluppo e dell’applicazione di nuove idee e metodologie nel campo dei sistemi embedded. Tali sistemi sono sempre più attuali e diffusi e sopravanzano ormai quantitativamente e funzionalmente i sistemi elettronici tradizionali in quasi tutti i contesti applicativi. Il concetto di embedding sta diventando sempre più estremo e di conseguenza ne deriva un forte impulso allo sviluppo di tecnologie intelligenti che consentano di affrontare in maniera sempre più effettiva le problematiche di utilizzo sia dal lato sviluppatore, sia dal lato utente.


Un’interfaccia macchina alla portata di tutti
L’interfaccia uomo-macchina è una delle problematiche più complesse dello sviluppo dei sistemi embedded in quanto la natura dell’informazione è sempre più orientata alla multimodalità e allo stesso tempo il modello di interazione è tendenzialmente sempre più naturale. L’interfaccia audio-visuale rappresenta uno dei paradigmi Hmi più effettivi in accordo con la natura dei sistemi embedded, soprattutto quelli cosiddetti “deeply embedded”. Ftdi ha introdotto da qualche anno il concetto di Embedded Video Engine con cui ha ricondotto tutta la problematica del controllo dell’interfaccia grafica dei sistemi embedded a un motore di controllo del display capace di gestire in maniera semplice processi di visualizzazione complessi e la relativa interazione gestuale. Questo concetto di controllo dell’interfaccia visuale è stato esteso relativamente alla multimodalità, includendo anche l’audio ed altre informazioni utili all’interazione provenienti dal soggetto dell’interazione e o dall’ambiente circostante. Questo modello di Hmi è ormai consolidato nel chip Eve di seconda generazione FT81x di Ftdi. La novità interessante di questa strategia di innovazione del modello di sviluppo dell’Hmi sta nell’iniziativa Indiegoo Project di crowdfunding denominata CleO, intesa a portare sul mercato le potenzialità dell’embedded video engine sotto forma di schede di visualizzazione Tft semplici da programmare, quindi anche per progettisti che hanno poca dimestichezza con le problematiche di interfaccia Hmi, facendo riferimento alla piattaforma Mcu Arduino. L’iniziativa di croudfounding CleO segue un precedente iniziativa su KircStarter, denominata NerO. Questa iniziativa era intesa a fornire una piattaforma Hmi per le applicazioni embedded che, pur facendo riferimento ad Arduino, ne superasse le limitazioni, in particolare quelle della quantità di corrente richiesta dalla maggior parte delle applicazioni embedded (in alcuni casi si arriva addirittura a richieste di corrente dell’ordine di 1 Ampere). CleO è un ulteriore passo avanti che rende la piattaforma di sviluppo di interfaccia Hmi, basata su chip Eve FT810 di Ftdi, più completa e integrate (HVGA 320 x 480, Tft da 3,5”, touch resistivo). Supportata dal microcontrollore FT903 di Ftdi (310 Dmips), la soluzione CleO, oltre a sollevare lo sviluppatore e la Mcu host dalle complesse problematiche di grafica computazionale, solleva questi anche da problematiche di sistema secondarie per l’applicazione ma come la memoria non volatile (eFlash da 8 Mbyte e microSD) e la gestione multipla dei file (fino a 8 operazioni contemporanee sui file). Oltre alla connettività Spi verso Arduino, la piattaforma include l’interfaccia alla telecamera, l’espansione di I/O FT903 e la porta Usb DFU per l’aggiornamento del firmware.

Interfaccia gestuale 3D e multitouch
L’interfaccia gestuale nei sistemi embedded rappresenta una delle sfide più importanti su cui gli sviluppatori devono confrontarsi. Questa problematica di interazione con il sistema, considerando l’evoluzione dei sistemi embedded sia in termini dimensionali, sia in termini funzionali, implica una complessità computazionale considerevole considerando che quella gestuale è un’informazione di segnale multidimensionale e anche multimodale. Questa problematica era già stata affrontata da Microchip sviluppando un engine per il controllo dell’interfaccia gestuale in dimensione 3D (un passo avanti rispetto alla precedente tecnologia gestuale 2D basata sul touch e il multitouch) introducendo il GestIC, un controllore intelligente per il riconoscimento dei gesti in campo elettrostatico. Microchip ha reso disponibile il kit di sviluppo per riconoscimento 2D projective-capacitive touch e 3D gesture recognition integrati su display: il 2D/3D Touch e Gesture Development Kit 2D/3D Touch. L’utilizzo della tecnologia basata su campi elettrici consente di tracciare sia gesti delle dita, sia gesti della mano, sulla superficie del display oltre che a distanza, fino a 20 cm. Inoltre, il kit di sviluppo consente la prototipazione rapida senza sviluppo di codice. La parametrizzazione, diagnostica e le impostazioni opzionali sono realizzati attraverso Aurea 2.0, una interfaccia garfica scaricabile gratuitamente. Il development Kit utilizza il PCAP controller Microchip MTCH6303, con il 3D gesture controller Microchip MGC3130. È incluso anche un sensore tattile trasparente da otto pollici per consentire la prototipazione rapida. L’MTCH6303 fornisce coordinate multitouch con una frequenza di scansione delle cinque dita pari a 100Hz (di fatto possono essere catturati i gesti fino a 10 dita). Ha una multi-finger surface gesture suite integrata che la rende un’ottima soluzione sia per applicazioni con un sistema operativo che per sistemi embedded senza sistema operativo. La tecnologia GestIC utilizza l’Hidden Markov Model per le attività di riconoscimento 3D del gesto delle mani hand gesture. Le gesture sono in spazio libero e qualsiasi, senza alcuna limitazione.

Un transceiver ingeribile
Il disappearing computer è la nuova frontiera dell’embedding che cambierà completamente il rapporto tra individui e computer e in generale tra mondo fisico e computer. Le dimensioni millimetriche dei dispositivi e il consumo di potenza elettrica dell’ordine del nanoWatt sono le specifiche tecnologiche abilitanti di questo nuovo paradigma tecnologico. Diversi sono i componenti necessari per implementare un disappearing computer, e per alcuni di questi sono state già dimostrate soluzioni reali come la chip scale Mcu Kinetis KL03 di Freescale di solo 1,6 x 2,0 mm, oppure la Fpga iCE40 di Lattice di 1,4 X 1,4 X 0,45 mm. Un fondamentale componente del disappearing computer è il sottosistema di comunicazione, che ovviamente, non può che essere wireless. Microsemi ha sviluppato il dispositivo ZL70550 in formato Csp, un transceiver in radiofrequenza di dimensioni millimetriche (2 x 3 mm) sub-GHz, ultra low-power. Oltre le dimensioni, a sorprendere è soprattutto il bassissimo livello di consumo di corrente, solo 10 nA in modalità sleep. Il consumo di corrente è comunque bassissimo anche in modalità di ricezione (2,4 mA) e in modalità di trasmissione (2,75 mA), con un data rate di 200 kbit/s e una sensibilità di ben -95 dBm, operando tra 779 e 965 MHz. Grazie alla disponibilità di transceiver sub-GHz, ultra low-power e ultra-small, è possibile implementare sistemi elettronici che possono integrarsi con le persone, con oggetti animali e piante del mondo fisico e anche con altri sistemi artificiali in cui il “disappearing” è funzionale alla natura del sistema stesso.

Wearable healthcare a 360 gradi
La cura della salute, sia a livello professionale, ma soprattutto a livello consumer, rappresenta uno dei contesti dello sviluppo delle tecnologie dei sistemi embedded. Il wearable in questo scenario è il fronte di innovazione più avanzato, in cima alle priorità di investimento tecnologico da parte dei produttori di microelettronica. Analog Devices ha completato il quadro tecnologico per lo sviluppo di sistemi indossabili per l’healthcare rendendo disponibili tutti i dispositivi chiave. Analog Devices, oltre a coprire in maniera esaustiva il ventaglio delle possibili applicazioni del wearable healthcare, ha integrato in maniera ottimale le funzionalità chiave, soprattutto quelle analogiche e mixed-signal, in system-on-chip di ridottissime dimensioni, come per esempio il ADPD174GGI, un sistema completo fotometrico ottimizzato per la misura ottica dei segnali dalla luce ambiente e da impulsi sincroni di luce . Questo modulo integra un front-end fotometrico, tre Led e un fotodiodo. Il controllo dell’elettronica analogica e mixed-signal, in applicazioni come quelle del wearable healthcare non è una problematica affrontabile in maniera efficace con Mcu tradizionale. È il mixed-signal control processor, cioè la Mcu ottimizzata verso il signal processing, e nello specifico, orientato al segnale bioelettrico, fisiologico e comportamentale. Anche sul piano digitale, l’ottimizzazione delle soluzioni microelettroniche è determinante per pervenire ad applicazioni effettive. Analog Devices ha sviluppato anche una Mcu ottimizzata per il wearable healthcare, il mixed-signal control processor ADuCM302x, un processore ad architettura Arm Cortex-M3, ultra low-power (38 µA attivo e 60 nA shutdown).

Comunicazione wireless in singolo modulo
La comunicazione wireless è determinante nelle applicazioni embedded ove la connettività è un requisito applicativo imprescindibile, come per esempio il paradigma applicativo di Internet of Things e l’emergente Internet of Everything. La connettività nei sistemi embedded è un fattore critico dal punto di vista strettamente ingegneristico se si considerano i vincoli applicativi tipici dei sistemi embedded, come le ridotte dimensioni, il basso consumo di potenza elettrica, il basso costo e soprattutto la rapidità di sviluppo del prodotto. La connettività rappresenta un elemento di complessità del sistema embedded relativamente a tutti i requisiti e alla necessità dello sviluppatore di soluzioni di progettazione efficaci, come per esempio i moduli per la connettività. L’impatto di soluzioni di embedding effettive della connettività nelle applicazioni è evidente quando, in contesti di grandi volumi applicativi come per esempio quello automotive, autority come quelle governative della comunità europea impongono per esempio che per il 2018 nelle automobili ci sia un sistema di alerting automatico (proattivo) per l’emergenza. U-Blox ha sviluppato e reso disponibile un modulo denominato SARA-U201 per la connettività cellulare 3G/2G estremamente piccolo (16 x 26 x 3 mm) assemblato in un package Lga a 96 pin. Il modulo rende disponibile il 5 bande Umts e il quattro bande Gsm, implementa il protocollo e lo stack software (dual IPv4/IPv6), l’embedded Tcp/IP, l’Ethernet over Usb e il supporto BIP/eSim. Anche per il Wi-Fi (802.11n 2.4 GHz) la soluzione modulare è ultra-small come per il modulo LILY-W1, un single band transceiver module che misura 10 mm x 14 mm. Il modulo integra anche l’antenna e consente il Wi-Fi in dispositivi coesistenti con Lte grazie alla presenza di un bulk acoustic filter, in quanto, proprio grazie a questo filtro è possibile posizionare le antenne di entrambi i transceiver vicine tra loro.

System-on-Chip e multicore eterogenei
Il System-on-Chip è la tecnologia di integrazione abilitante per lo sviluppo dei sistemi embedded della prossima generazione. La complessità di tali sistemi è molto elevata e crescente, in particolare per l’eterogeneità funzionale che li caratterizza, soprattutto a livello di core di elaborazione. La disponibilità di un framework di riferimento diventa fondamentale per governare la crescita quasi esponenziale della complessità, come l’Embedded Multicore Framework che Mentor Graphics ha implementato in accordo con lo standard industriale OpenAmp della Multicore Association. Le architetture eterogenee combinano tipi differenti di microprocessori e di microcontrollori per soddisfare al meglio le esigenze di elaborazione e computazionali dei sistemi embedded che devono garantire prestazioni avanzate. Il multicore eterogeneo va oltre il modello tradizionale del multiprocessing simmetrico e asimmetrico in quanto implica problematiche come per esempio la configurazione e la messa in opera di più sistemi operativi eseguiti dai vari core. Il framework per lo sviluppo di sistemi embedded eterogenei multicore di natura SoC di Mentor Graphics supporta molte importanti piattaforme di computing orientate al SoC come Zynq SoC e MPSoC Ultra Scale+ di Xilinx, i.MX 6Quad/6SoloX di NXP, OMAP5 di Texsas Instruments e Cyclone V di Altera.

LoRaWAN, LPWAN e IoT
Long Rang Wide Area Network, Low Power Wide Area Network e Internet of Things sono tre paradigmi di rete che hanno in commune la connotazione embedded. LoRa è un protocollo di rete wireless a basso consumo di potenza, progettato per la comunicazione in ambito IoT, sub GHz e capace di penetrare nelle strutture. Si tratta quindi di una tecnologia di rete geografica wireless low-power particolarmente ottimizzata per la connettività dei sistemi embedded, quindi a basso costo, alimentati a batteria e operativi in condizioni difficili (sia ambientali, sia di connettività), come per esempio i sensori ambientali, garantendo grazie al suo protocollo condizioni di sicurezza e accuratezza superiori a quelle offerte dalle altre tecnologie di rete Lpwan. Una delle tecnologie abilitanti per LoRa è quella radio frequency, proprio per garantire in un contesto IoT ampi range operativi, una durata prolungata della batteria, una penetrabilità elevata delle strutture e un’ampia capacità di connettività. Il transceiver SX1272/73 di Semtech transceiver è stato sviluppato per la funzionalità modem LoRa ultra-long range e spread spectrum communication e per garantire una elevata immunità alle interferenze, garantendo il minimo consumo di corrente. Questo transceiver, pur utilizzando componentistica a basso costo, garantisce una sensibilità fino a 137 dBm che si combina con un amplificazione di +20 dBm.

SoC per IoT
Il continuo evolversi dello scenario applicativo di IoT evidenzia la necessità di tecnologia SoC per affrontare adeguatamente le problematiche di embedding a livello di edge point. Non si tratta dunque di disporre di Mcu ancorché efficienti e performanti, ma di sistemi computazionali completi relativamente a tutte le funzionalità necessarie. L’integrazione su singolo chip è la soluzione ideale per supportare gli sviluppatori di sistemi embedded in maniera ottimale per la realizzazione di applicazioni compatibili con IoT. Silicon Labs ha sviluppato una famiglia di dispositivi SoC wireless denominata Wireless Gecko, per applicazioni Internet of Things. I nuovi SoC Wireless Gecko integrano un core Arm Cortex-M4, una radio a 2,4 GHz con potenza di uscita massima di 19,5 dBm e funzioni di crittografia avanzate. L’ottimizzazione dei consumi di corrente elettrica sono naturalmente caratteristiche peculiari. Gecko consuma solo 63 µA/MHz in modalità attiva. Per migliorare ulteriormente l'efficienza energetica e ottimizzare le dimensioni del codice dell'applicazione, i SoC Wireless Gecko integrano un acceleratore crittografico hardware che permette di effettuare in maniera veloce, autonoma e con consumi ridotti le operazioni di crittografia e decrittografia dei protocolli di sicurezza Internet come ad esempio TLS/SSL, con un intervento minimo da parte della Cpu. L'acceleratore crittografico on-chip supporta algoritmi avanzati come ad esempio AES con chiavi a 128 o 256 bit, crittografia Ecc (Elliptical Curve Cryptography), SHA-1 e SHA-224/256. Un altro approccio al SoC per IoT viene da NXP. Si tratta di i.MX 6Dual e i.MX 6Quad, due single chip system module che integrano il processore, il sistema completo di gestione dell’alimentazione, la memoria e altre funzionalità essenziali alle applicazioni embedded in un package di 17 x 14 x 1,7 mm. I processori sono a doppio o quadruplo core, la memoria è di tipo flash, i componenti passivi sono oltre un centinaio, è dotato di motore di crittografia e di un sistema di protezione dagli attacchi esterni. L’approccio single chip system module è un’ulteriore passo avanti nell’ottimizzazione dimensionale dei dispositivi per IoT. Questo tipo di soluzione porta a un risparmio dimensionale di almeno il 50% a livello di scheda finale dell’applicazione.

Ultra low-power ed energy harvesting
La sfida dell’embedding estremo è fondamentalmente focalizzata sul consumo energetico. L’ultra low-power non è solo ottimizzazione dei consumi di corrente da parte del dispositivi, ma anche capacità di recuperare dal mondo circostante tanta energia quanto basta per essere energeticamente indipendenti. Si tratta quindi di due grandi sfide tecnologiche che in maniera concorrente consentiranno di rendere i sistemi completamente invisibili, perché saranno completamente indipendenti energeticamente, e quindi perpetui. Ambiq Micro, con la sua Mcu Apollo, ha affrontato la sfida dell’ultra low-power insieme a Silicium Energy, per ottenere una elevata durata della carica della batteria che alimenta i sistemi embedded indossabili. Apollo è la Mcu ultra low power di Ambiq Micro che consente utilizza un core Arm Cortex M4F, comprestazioni di consumo di di corrente di 35 microA/MHz a 3,3 V, 143 nA in deep sleep. Silicium Energy sta sviluppando la termoelettronica necessaria a ricaricare la batteria utilizzando il calore del corpo, con prestazioni energetiche fino a 10 mW di potenza derivabile e spessori inferiori a 1 mm, oltre che flessibili e a costi compatibili con quelli delle applicazioni wearable.

Wearable Reference Platform
La progettazione di applicazioni indossabili necessita di piattaforme di progettazione e prototipazione rapida che consentano allo sviluppatore di ottenere un oggetto funzionante indossabile in tempi rapidi e sperimentabile in campo. WaRP7, la reference platform per il wearable presentata da Farnell element14, si basa su nuovo processore a doppio core iMX7 Solo di NXP (Cortex A7 e Cortex M4). WaRP 7 si caratterizza per un duplice aspetto relativo allo sviluppo di applicazioni indossabili, quello dell’interazione ed elaborazione relativa alla dimensione fisica e fisiologica dell’informazione e quello dell’interfaccia Hmi e della connettività verso il mondo esterno. Il doppio core Cortex A7 e Cortex M4 di iMXP Solo è inteso proprio a soddisfare questo requisito di contesto applicativo embedded particolarmente avanzato e complesso come quello dei sistemi indossabili. L’architettura di computing Cortex M4 è ottimizzata per il signal processing mentre quella Cortex A7 soddisfa in maniera eccellente il processing di sistema (sistema operativo, Interfaccia Hmi e connettività). L’integrazione di iMX7 Solo nella piattaforma WaRP7 è tale da consentire in maniera flessibile ed efficace anche la connettività verso il mondo fisico e fisiologico tramite sensori application-specific, integrabili tramite un sistema di assemblaggio con moduli add-on. La piattaforma WaRP7, oltre al processore NXP iMX7 Solo, integra anche il sistema di gestione dell’alimentazione e il dispositivo di ricarica della batteria, i sensori, il chip di comunicazione near field e molto altro.

SoC ed embedding
L’architettura X86, alla base di un’ampio ventaglio applicativo come thin client, digital gaming, digital signage, imaging, controllo e automazioneindustriale, set-top box, retail Pos, smart camera, networking, è sempre più orientata al System-on-Chip si avvicina ai requisiti dell’embedding. L’ultima serie di piattaforme di computing di Amd, Embedded G-Series SoC è stata intesa a soddisfare i requisiti applicativi in ambito embedded. Le peculiarità di questo approccio SoC riguardano fondamentalmente la scalabilità, il “X “Escavator” x86 core con 1MB shared L2 cache, Amd Radeon R5E graphics con supporto DirectX 12, memoria single channel 64-bit DDR4 o DDR3 memory, 4K x 2K H.265 decode capability, support fino a due interfacce display via Hdmi 2.0, DisplayPort 1.2, Amd Secure Processor, integrated Controller Hub supports. Conga-TR3, il modulo Com Express di Cognatec è un esempio di utilizzo ottimale delle peculiarità SoC della nuova G-Series di Amd. Questa nuova implementazione su scheda del modulo Com Express integra on-board il SoC GX-217GI. Se confrontata con le precedenti implementazioni, dimostra una maggiore performance computazionale nella grafica del 30% (in generale il 15% di maggior prestazione) e soddisfa i requisiti di prestazione tipici delle applicazione embedded più estreme.

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