Embedded tra wearable e Internet of Things

L’evoluzione della tecnologia microelettronica, che ormai potremmo chiamare nanoelettronica dato il fortissimo trend alla miniaturizzazione, è tale che il ritmo dell’innovazione si articola al massimo su un anno. Infatti, quello che un anno prima si intuiva sarebbe stata una innovazione tecnologica, l’anno successivo è già tecnologia “of the shelf”. È questo infatti quello che ormai da qualche anno dimostra il trade show Embedded World che tradizionalmente si tiene a Norimberga a fine febbraio.

Elettronica indossabile
L’elettronica indossabile è quest’anno probabilmente una delle tecnologie microelettroniche su cui la maggior parte dei produttori di componenti elettronici si stanno impegnando per offrire agli sviluppatori componenti e sistemi altamente integrati e di ridottissime dimensioni. Analog Devices ha sviluppato un completo ecosistema di dispositivi con caratteristiche di dimensione, di consumo di potenza e di integrazione funzionale che consentono di realizzare sistemi indossabili capaci non solo di catturare segnali fisiologici e comportamentali dal corpo, ma anche di elaborarli in tempo reale. Si tratta sensori, front-end analogici, microcontrollori orientati alla misura, quant’altro sia necessario per integrare e sviluppare applicazioni indossabili, come orologi, braccialetti intelligenti, fasce toraciche, ecc. Questo ecosistema sviluppato da Analog Devices e denominato Vital Sign Monotoring consiste un una tecnologia sensoriale finalizzata alla misura dei cosiddetti segni vitali come per esempio la temperatura, il segnale Eeg ed Ecg, la respirazione, l’attività motoria, ecc. affiancata da una tecnologia di computing analogica e digitale specificamente ottimizzata per applicazioni ad elevato grado di embedding. Oltre ai dispositivi che aveva introdotto precedentemente, come l’accelerometro ad altissima sensibilità e bassissimo consumo ADXL368 e il font-end analogico AD8232 ad altissima integrazione per la misura ECG, Analog Devices ha presentato un modulo ad alta integrazione, ADPD142, per la misura ottica di parametri fisiologici come la frequenza cardiaca e l’ossigenazione del sangue. Questo modulo di 2.8 mm x 5 mm integra in maniera ottimale quanto serve per le misure ottiche oltre alla interfaccia digitale. Silicon Labs ha integrato su un modulo indossabile a forma di braccialetto un sistema di misura ottica per misurazione di frequenza cardiaca e ossigenazione del sangue, HRM-GGG-PS. Si tratta di un modulo delle dimensioni di un francobollo che integra sia i Led di stimolazione, sia il sensore di misura della luce riflessa dal tessuto del polso. Il modulo dispone di una interfaccia I2C embedded (con connettore per ribbon cable) che consente il trasferimento dati ad una Mcu host per l’esecuzione delle misure. Maxim Integrated ha integrato nel modulo MAX30100 una soluzione completa per l’implementazione di un ossimetro e di un misuratore di frequenza cardiaca. Questo combina due Led, un fotorivelatore, l’ottica ottimizzata e l’elettronica a basso rumore per il signal processing del segnale ossimetrico e cardiaco. Tra le varie funzionalità aggiuntive, la cancellazione della luce ambientale e la resistenza al rumore da movimento. Cypress ha basato sulla sua piattaforma PSoC (Programmable Sytsem-on-Chip) una gamma di soluzioni indossabili. Per esempio, il cerotto indossabile che utilizza il PSoC 5LP come sistema integrato di computing digitale e analogico e il PRoC BLE come interfaccia di comunicazione wireless Bluetooth Low Energy. Si tratta dunque di una estensione del concetto di sviluppo System-on-Chip orientato alla progettazione di sistemi indossabili ove l’integrazione della funzionalità necessaria è ottimizzata attraverso la tecnologia SoC. Il PSoC 5LP è un’architettura di elaborazione dotata di un coprocessore per il filtraggio digitale a 24 bit di precisione e di 24 blocchi digitali universali. Grazie a un kit di prototipazione rapida e al PSoC Creator Ide, la progettazione a livello di sistema-on-chip diventa molto pratica ed efficace, anche grazie ai numerosi esempi di progettazione forniti.

Interfaccia naturale per i sistemi ultraembedded
I sistemi ultra embedded, come per esempio quelli indossabili, necessitano di interfacce naturali per interagire con la persona che li utilizza. La voce è la soluzione più naturale ed efficace per interagire con un sistema embedded che dispone di limitate risorse di interazione sia per ragioni dimensionali, sia per ragioni funzionali.
Lattice ha sviluppato Lattice Voice Processor, due IP per per Fpga: “Voice Command” che implementa la funzionalità di riconoscimento hand-free ed always-on e “Voice Recognition” per il riconoscimento sicuro e con minimo errore della voce. Questa implementazione dell’interfaccia vocale di Lattice è emblematica per i sistemi embedded ed ultraembedded soprattutto relativamente alla problematica del consumo energetico, vera e propria sfida in questo nuovo paradigma di sistema. Questa soluzione ottimizza il consumo energetico in quanto attiva l’application processor solo quando è necessario in quanto la funzionalità vocale viene eseguita in maniera dedicata da una Fpga. Questa inoltre è la ultra low-power e ultra low-size Fpga iCE40.

Interfaccia uomo-macchina multimediale
L’interfaccia uomo-macchina è uno dei punti centrali nell’innovazione tecnologica dei sistemi embedded. La natura multimediale della comunicazione, in particolare nei sistemi embedded, richiede un approccio più olistico. È infatti questo approccio che ha ispirato FTDI Chip a sviluppare i dispositivi Eve (Embedded video engine) FT8xx, un controller che oltre a gestire il display, gestisce anche l’interazione gestuale e l’audio. Questi controller consentono di realizzare facilmente interfacce uomo-macchina con grafica avanzata e risoluzione massima di 800x600 pixel. FT810Q dispone di un’interfaccia Rgb a 18 bit e permette di gestire i display touch resistivi, FT811Q con interfaccia Rgb a 18 bit, è stato progettato per gestire i touchscreen capacitivi. I dispositivi FT812Q e FT813Q, rispettivamente adatti a gestire touchscreen resistivi e capacitivi, sono entrambi con interfaccia Rgb a 24 bit. L’ampia memoria interna (1 MByte) consente di gestire sia le informazioni video, sia quelle audio. Gli EVE di FTDI sono effettivamente dei motori di Hmi, non semplici controller video, capaci per esempio di caricare e visualizzare direttamente immagini Jpeg, di registrare e riprodurre sequenze audio, di interagire con l’ambiente esterno tramite sensori (temperatura, luminosità, suoni) grazie ad un piedino analogico esterno.

Microcontrollori per il wearable
Le Mcu per il wearable devono avere requisiti funzionali e di sistema che soddisfino pienamente le caratteristiche applicative dei sistemi indossabili. La piattaforma di computing indossabile di Analog Devices è ADuCM350 Meter-on-a-chip è un system-on-chip basato su un core Arm Cortex M3 perfettamente ottimizzato per il sensor fusion, il signal processing (dotato anche di acceleratori computazionali per la generazione di forme d’onda, di Dfft e di filtri notch) e la connettività verso altri dispositivi. Questa Mcu di Analog Devices si caratterizza per la precisione elevata del front-end analogico (16 bit con matrice configurabile di commutazione per la connettività multisensore). È inoltre dotata di un AD converter a 160 kSPS (+-0.2% di accuratezza) e un DA converter a 12 bit. La capacità di fusione di sensori attivi e passivi consente di ottenere un elevato livello di precisione e robustezza di applicazioni ove i processi sono completamente automatici e non assistiti, come per esempio nelle applicazioni indossabili. Peculiare anche la tecnologia di conversione capacitance-to-digital integrata nel chip che consente di implementare applicazioni significative per i sistemi indossabili biomedicali come la rilevazione del contatto con la pelle e gli strip test elettrochimici. Una delle sfide del wearable è anche quella del controllo del consumo energetico, quindi dell’ultra low-power e dell’energy harvesting. L’ultra low-power è una soluzione anche più interessante dell’harvesting in quanto, senza dispositivi aggiuntivi di autogenerazione della carica elettrica, il sistema ultra low power potrebbe alimentarsi per decenni con una semplice batteria a pasticca. È questa infatti la filosofia energetica su cui si basa la nuova famiglia di PIC XLP (Extreme Low Power) di Microchip. Queste Mcu hanno un consumo di 9 nA in condizioni di sleep e 20 uA/MHz in condizioni di run. Ciò significa che è possibile portare la vita della batteria a oltre 20 anni di durata, cioè una durata superiore alla massima vita delle batterie alcaline e al litio a bottone. Una altro aspetto di innovazione per le Mcu per i sistemi ultraembedded e indossabili riguarda la connettività wireless combinata al controllo del consumo energetico. La famiglia di Mcu wireless ultra low-power CC26xx/CC13xx di Texas Instruments basa la strategia di gestione del consumo energetico sull’integrazione funzionale. L’architettura computazionale è Arm M3, capace questa di una elevata efficienza energetica pur sviluppando 48 Mips. L’efficienza energetica ultra low-power è garantita dall’architettura di sistema SimpleLink basata sull’integrazione dei sottosistemi di connessione wireless e di connessione sensoriale. Questi sottosistemi dispongono di un controller dedicato che consente di ottenere una elevata efficienza di gestione della funzionalità che, da una parte permette dal core M3 di eseguire in modo efficiente il codice applicativo e dall’altra, di gestire la comunicazione e l’acquisizione delle informazioni sensoriali in modo ottimale.

Analogica programmabile
Il sottosistema analogico in molteplici applicazioni rappresenta un’importante sfida per la progettazione sotto vari aspetti, tra cui la complessità della circuiteria analogica da una parte e la combinazione con quella digitale dall’altra. Questa complessità diventa enorme per chi non è esperto di analogica e la relativa gestione problematica, soprattutto quando le caratteristiche applicative dalla parte analogica e mixed-signal cambiano anche nel contesto della stessa applicazione. La disponibilità di analogica e mixed-signal all’interno delle Mcu consente di risolvere da parte del progettista digitale problematiche di natura analogica, ma a costo di un considerevole sforzo di sviluppo del firmware. Maxim Integrated ha introdotto un’alternativa all’approccio tradizionale per lo sviluppo dei sottosistemi analogici e mixed-signal, l’analogica programmabile. Si tratta del componente MAX11300, un circuito integrato che permette di configurare con una modalità simile a quella della logica programmabile, un insieme di dispositivi analogici e mixed-signal. La configurazione di questo dispositivo analogico programmabile avviene tramite una Mcu esterna che all’accezione trasferisce la configurazione al dispositivo e questo diventa completamente autonomo dalla Mcu stessa.

Controllo motore nell’era di IoT
Il controllo motore è attualmente una delle cause maggiori di consumo di potenza elettrica. La maggior parte dei motori utilizzano tecnologie di controllo inefficienti e vetuste. La migrazione di tale tecnologia di controllo verso il digitale in un contesto di rete è l’opportunità che oggi si presenta per dare una significativa soluzione a questa problematica di energy-saving. Internet of Things rappresenta relativamente a questo importantissimo problema il contesto più significativo, considerando i requisiti di gestione remota e di interoperatività end-node che caratterizzeranno vaste categorie applicative come le home appliances e l’automazione industriale. La nuova famiglia di Mcu Kinetis KV5x di Freescale, basate su core Arm Cortex-M7, sono una tecnologia di computing abilitante per questa emergente problematica di controllo motore efficiente, in cui convergono i più importanti e stringenti requisiti dei sistemi embedded: la connettività, la sicurezza e l’effettività delle soluzioni. Kinetis KV5x incorpora un controller Ieee1588 Ethernet, un acceleratore criptografico e un sistema di protezione della memoria che, insieme alle prestazioni computazionali del core M7, consentono di implementare applicazioni di controllo motore che sono efficienti, ottimizzano i consumi di potenza elettrica e, grazie alla connettività, consentono di implementare servizi che garantiscono la sicurezza.

Automotive di seconda generazione
L’automotive sta diventando un contesto applicativo sempre più importante sia per l’aspetto di intrattenimento che per quello del confort legato alla sicurezza. Un esempio importante di questo interesse è per esempio la tecnologia di controllo attivo del rumore nell’abitacolo dell’automobile. Mentor Graphics ha sviluppato una soluzione di cancellazione avanzata del rumore XSeANC che consente di creare una zona di quiete nell’abitacolo relativamente ai rumori stradali e del motore. Si tratta di un sistema che tramite opportuna dislocazione di microfoni e di accelerometri nell’abitacolo, genera un antirumore che crea una zona in cui tale rumore risulta notevolmente attenuato. Si tratta di una soluzione di riduzione del rumore molto sofisticata in quanto capace di abbattere il rumore stradale e quello a larga banda del motore, senza interferire con quello audio di intrattenimento e del feedback audio del motore che serve all’autista per il controllo di guida.

Software defined system-on-chip
Il system-on-chip è una delle più importanti soluzioni che consente alla progettazione dei sistemi embedded di superare problematiche di complessità legate alla concorrenza dei cinque più importanti “colli di bottiglia” del processing di sistema: il Dsp, la grafica, il processing di rete, il real-time processing e il general compute performance. Per soddisfare questo requisito di progettazione sempre più attuale, la singola architettura di computing non è sufficiente e solo un approccio di processing eterogeneo che utilizza motori di elaborazione programmabili ottimizzati su specifici task permette di affrontare la sfida progettuale dei sistemi complessi. Utilizzare il giusto motore computazionale per lo specifico problema significa garantire le massime prestazioni con i minimi consumi di potenza e con bassissimi costi. L’approccio SoC è quindi ideale se basato su tecnologie di definizione software dell’hardware di sistema. La tecnologia UltraScale MPSoC di Xilinx implementa questa filosofia di integrazione su singolo chip di motori di elaborazione eterogenei attraverso una architettura logica caratterizzata da I/O e da banda di memoria massiva. MPSoC (Multiple Processing SoC) è quindi una tecnologia che attraverso la definizione software consente la programmabilità dell’hardware ottenendo una soluzione system-on-chip computazionalmente eterogenea con prestazioni di livello Asic.

Ambienti di sviluppo System-Level
Lo sviluppo del software e del firmware nelle applicazioni embedded basate su Mcu sempre più complesse è una importante problematica con cui si stanno misurando I produttori. L’astrazione rispetto all’hardware consente al progettista di focalizzare la sua attenzione e le sue risorse di sviluppo sulla componente a valore aggiunto, in particolare le IP e l’ingegnerizzazione dell’applicazione. Infineon ha sviluppato un ambiente di progettazione denominato Dave (Digital Application Virtual Engineer), che consente di realizzare applicazioni che utilizzano le Mcu senza dover intervenire sull’hardware, concentrandosi esclusivamente sulla componente custom dello sviluppo. Dave semplifica e riduce il ciclo di sviluppo del software rendendo disponibile una libreria software che consente di utilizzare in maniera efficiente le periferiche ottimizzate rispetto alle applicazioni, cioè le Dave App. Queste App sono blocchi software che possono essere configurati utilizzando l’interfaccia grafica e resi disponibili all’applicazione sotto forma di codice generato automaticamente.

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