作者：Stephen Evanczuk

先進的工業、醫療、交通和農業物聯網 （IoT）應用需要更復雜的嵌入式系統設計。在這種情況下，盡管面臨著更緊的工期和不斷縮減的預算，但開發人員別無選擇，只能自制開發板，以滿足性能、連接性和外設要求。即使可能有現成的開發板，但性能、功耗、尺寸、外形和功能這些因素會限制其適用性。

然而，在物聯網和工業物聯網 （IIoT）無處不在的時代，即使是最高效的定制開發團隊也會因無線子系統的區域認證要求而被延誤，導致減緩交付速度，失去市場機會。

本文將討論無線嵌入式開發板的造與買的問題。然后介紹來自 Digi的一款交鑰匙型開發平臺，該平臺提供了全面的軟件環境和具有預認證無線模塊的優化硬件平臺。本文還展示了如何使用該套件來幫助開發人員快速輕松地交付功能更強大的嵌入式系統解決方案。

嵌入式開發板自制與外購之對比

伴隨著終端用戶的產品期望和市場競爭壓力，嵌入式系統開發人員需要在不斷縮小的上市時間窗口內提供更多功能。用戶偏愛更易于連接、使用和維護的系統。因此，開發人員在許多方面面臨著日益增長的挑戰。對于無線連接，短距離和長距離無線解決方案帶來了相關的設計認證要求；實現合適的顯示功能增加了設計的復雜性和成本；確保這些系統的持續可靠性和長期可用性對開發人員提出了挑戰，他們需要找到能夠承受嚴苛條件，還能在工業或醫療應用中常見的長生命周期內保持可用的解決方案。

對于某些應用，合適的解決方案非常依賴于定制設計方法來優化每個子系統，以滿足要求。但是，越來越多的現成設計解決方案提供了一個可以輕松擴展的平臺，以支持各種應用領域的獨特要求。然而，開發團隊有時會純粹從開發成本的角度來決定構建定制解決方案而不是購買預先構建好的系統，他們計算得出從頭開始構建定制設計要比購買現成的設計成本更低。

事實上，開發團隊會發現，包括無線認證、可用性、可維護性和其他生命周期問題在內的其他考量因素會增加整體成本。在一個快速發展的市場中，實施定制設計造成的延遲會進一步侵蝕市場份額和營收時效，最終限制新產品的盈利能力。

為了解決這些問題，Digi 推出了 CC-WMX8MN-KIT ConnectCore 8M Nano開發套件，該套件是定制開發的有效替代方案，提供了一個能夠滿足各種應用的性能和成本要求的交鑰匙型平臺（圖 1）。

交鑰匙型解決方案如何滿足不同的功能需求

Digi CC-WMX8MN-KIT ConnectCore 8M Nano開發套件提供了一個全面的硬件平臺，能夠縮短開發時間和系統上市時間。使用該套件，開發人員可以輕松實現可擴展的系統，以支持人機界面 （HMI）設計、音頻/視頻處理、邊緣計算、機器學習等各種應用。除了 Digi ConnectCore 8M Nano開發板，該套件還包括雙頻天線、控制臺端口電纜和電源，因此開發人員可以立即開始創建互連應用。

與 Digi 的其他 CoreConnect 開發套件一樣，ConnectCore 8M Nano 開發套件也利用了 Digi 的高度集成系統級模塊（SoM） 解決方案。Digi 的 ConnectCore SOM 以 NXP Semiconductor 的 i.MX處理器系列為基礎，集成了多媒體、安全、有線連接和預認證型無線連接等典型嵌入式應用所需的功能。與廣泛的軟件環境結合使用，這些 SoM簡化了嵌入式系統的開發，相比通常使用的定制硬件方法，能夠讓產品制造商以更快的速度和更低的風險提供更復雜的產品。

對于CC-WMX8MN-KIT開發套件，Digi SOM將恩智浦基于四Arm? Cortex?-A53和Arm Cortex-M7內核的i.MX 8MNano處理器的功能與高達8千兆字節（GB）的閃存、高達1GB的低功耗雙數據率（LPDDR）動態隨機存取存儲器（DRAM）以及一系列附加子系統結合起來（圖2）。

在其子系統中，該 SoM 集成了 Microchip Technology 的 CryptoAuthentication 系列安全器件，補充了 ArmCortex-A53 內核的 TrustZone 安全功能。而 CryptoAuthentication器件結合了專用加密處理器、高質量隨機數發生器和受保護密鑰存儲，用以實現哈希和公鑰基礎設施（PKI） 算法的高速安全執行。

SoM 的內置連接選項支持千兆位以太網 （GbE） 以及預先認證的 802.11 a/b/g/n/ac Wi-Fi 和藍牙5。為了滿足廣域網的需求，開發人員只需將 Digi 的 XBEE 蜂窩模塊連接到 CC-WMX8MN-KIT 開發板的 XBEE兼容連接器組，即可添加蜂窩連接和其他連接選項。

除了全套標準外設接口，SoM 還支持用于音頻、攝像頭和顯示器的多種多媒體接口。集成的圖形處理單元和液晶顯示接口 （LCDIF）控制器讓開發人員可以輕松添加可選的 LCD 面板，如 Digi 的 CC-ACC-LCDW-10，并快速開始為其嵌入式應用創建 HMI 設計。

基于高級處理器的設計中的電源管理

復雜嵌入式系統的電源管理可能是一項重大挑戰，尤其是當系統設計集成了像 NXP 的 i.MX 8M Nano
這樣的高級處理器時。與同類其他處理器一樣，NXP 的 i.MX 8M Nano 將核心處理器（VDD_ARM 和 VDD_SOC）、GPU（VDD_GPU）、存儲器（VDD_DRAM、NVCC_DRAM）、安全非易失性存儲（NVCC_SNVS_1P8、VDD_SNVS_0P8）等許多不同的子系統分為獨立的功率域。開發人員不僅需要為每個域提供適當的電源軌，還需要以特定的時序為每個域供電（和斷電）（圖3）。

事實上，Digi 的 ConnectCore i.MX 8M Nano SoM 只需要兩個電源輸入并使用 ROHM Semiconductor 的BD71850MWV 電源管理 IC （PMIC） 提供 i.MX 8M Nano 處理器和其他器件所需的多種供電電壓電平。ROHM BD71850MWV專為支持 NXP 的 i.MX 8M Nano 處理器而設計，集成了多個降壓穩壓器和低壓差 （LDO） 穩壓器，從 VSYS 5 V 主電源提供整套電源軌（圖4）。

雖然 BD71850MWV 可管理處理器所需的詳細上電和斷電時序，但 Digi 進一步提高了控制級別，旨在優化總體功耗并保持系統可靠性。Digi微控制器輔助器件 （MCA） 集成在 SoM 中，采用 NXP 的專用 Kinetis KL17 MKL17Z64VDA4 微控制器 （MCU）進行系統級電源管理。NXP 的 Kinetis KL17 MCU 采用超低功耗 Arm Cortex-M0+ 內核，在超低功耗運行模式下，每兆赫 （MHz）僅消耗 46 微安 （μA），在維持內存和實時時鐘 （RTC） 功能的停止模式下，僅消耗 1.68 μA。

MCA 即使在系統處于休眠模式時也能保持活動狀態，能執行在 KL17 MCU 上運行的可升級固件，以提供多個選項來喚醒 NXP 的 i.MX 8MNano 系統處理器。例如，Digi 采用了一項默認設置，以禁用系統處理器的 RTC，轉而利用 MCA 固件中實現的低功耗 RTC 功能。開發人員可以使用該MCA 的 12 位模數轉換器 （ADC） 來監控外部事件，并僅在需要時生成中斷來喚醒系統處理器。反過來，MCA 固件實現了三個用于外部操作的多通道脈沖寬度調制（PWM） 控制器。為了幫助確保整體系統可靠性，MCA固件還提供看門狗定時器功能，如果該處理器上運行的軟件掛起，或該軟件在正常軟件執行期間不執行常規的看門狗定時器維護，則該功能可重置整個系統或僅重置系統處理器。

在系統啟動時，一旦通電，MCA 就會開始運行。經過可編程的延遲后，MCA 又會啟動 BD71850MWV PMIC，后者執行前文所述的 i.MX 8MNano 上電時序。系統復位或從低功耗休眠狀態轉換的方式與 MCA 協調 PMIC 和處理器恢復電源的方式基本相同。

生產就緒型嵌入式 Linux 軟件環境

Digi CC-WMX8MN-KIT 開發套件利用其廣泛的硬件基礎，提供了一個運行開源 Digi Embedded Yocto （DEY）的生產就緒型軟件環境。DEY 以 Yocto Project 廣受歡迎的嵌入式 Linux 發行版為基礎進行了擴展，增加了專門為支持 Digi硬件平臺而設計的附加板級支持包 （BSP） 功能（圖 5）。

在 Linux 內核的 BSP 擴展中，Digi 的 TrustFence 為 Linux設備提供了一個安全框架。利用其身份驗證和身份管理功能，TrustFence 服務從低級別的內部和外部 I/O端口訪問控制，擴展到高級別的支持，以確保安全的網絡連接以及使用經驗證固件映像進行安全引導。雖然最初不受 ConnectCore 8M Nano 模塊支持，但Digi TrustZone 將在未來的 DEY 版本中提供。

除了各個設備層面的安全和管理，大規模物聯網應用還不可避免地需要監控和管理物聯網設備群的能力。為了支持這些要求，Digi Remote Manager提供基于云的服務，旨在支持設備運行狀況監視、配置管理和固件更新。使用移動 APP 或桌面軟件，開發人員可以通過 Digi Remote Manager來顯示設備群的詳細運行信息，包括設備群運行狀況、警報、連接狀態和信號強度（圖 6）。

除了監視功能外，Digi Remote Manager 還能讓開發人員交互使用命令行或以編程方式使用該服務的應用編程接口（API），更主動地管理數據、連接和設備軟件。借助這些功能，開發人員可以重新引導設備并上傳文件，從而輕松執行典型互連設備所需的大規模設備群固件和軟件更新，但在大規模部署時通常會面臨后勤方面的挑戰。

結語

在工業、醫療、交通和農業等細分市場中，應用需求越來越復雜，這推動了對更復雜的面向物聯網的嵌入式系統設計的需求。相關無線子系統的地區性認證要求也使問題復雜化，并減緩了設計速度。

為了解決這些問題，Digi推出一個開發套件，為設計人員提供了一個全面的軟件環境和優化的硬件平臺，并帶有經過預先認證的無線模塊。如上所述，該套件能夠讓開發人員更輕松、更快速地交付功能強大的互連嵌入式系統解決方案。