利用現成的嵌入式 Linux 多核心平台加速嵌入式無線 IoT 的開發

在工業、醫療、運輸與農業物聯網 (IoT) 領域，高階應用需要更複雜的嵌入式系統設計。在此情形下，儘管時程越趨緊迫、預算不斷縮減，開發人員只好打造客製化的板件來符合效能、連接性和周邊裝置的要求。即使市場上可能有現成的板件，但板件的效能、功率、大小、外形尺寸與特點組合，也限縮了這些板件的用途。

然而，在物聯網 (IoT) 和工業物聯網 (IIoT) 無所不在的年代裡，即便是最具生產力的客製化開發團隊，也會因為無線子系統的區域性認證要求而有所延誤，進而拖慢交貨速度並損及市場商機。

本文將探討該自行製造或另行採購無線功能嵌入式板件的兩難問題。接著介紹 Digi 推出的立即可用開發平台，能提供完善的軟體環境，更是採用預先認證無線模組的最佳化硬體平台。本文也會說明如何使用套件協助開發人員輕鬆快速提供更強大的連網嵌入式系統解決方案。

開發嵌入式板件時，該自行製造或另行採購

對嵌入式系統開發人員來說，由於承受使用者的期望與競爭壓力，因而不斷促使他們必須在日益縮短的上市時間內，提供功能更強大的產品。使用者堅持要求系統能更方便連線、使用和維護。因此，開發人員在許多方面都面臨日益增多的挑戰。就無線連線能力而言，短程與遠距無線解決方案的設計就有相關的認證要求；若要實作適當的顯示功能則會增添設計複雜性與成本；為了確保這些系統持續可靠且長期可用，開發人員面臨挑戰，必須找到能夠承受嚴苛條件的解決方案，且必須在工業或醫療等普遍較長生命週期的應用中維持供貨性。

對某些應用而言，合適的解決方案十分仰賴客製化設計方法，讓每個子系統達到最佳化，以符合要求。不過，越來越多現成的設計解決方案提供能輕鬆擴充的平台，以支援眾多應用領域的獨特需求。然而，開發團隊有時在決定是否該打造客製化解決方案，還是購買預先建構好的系統時，單純只從開發成本的角度來思考，因此會得到從頭開始打造客製化設計的費用比購買現成的設計還要低的計算結果。

實際上，開發團隊會發現，在納入其他考量後，整體成本則會增加，包括無線認證、可用性、可維護性與其他生命週期問題。在快速變遷的市場裡，實作客製化設計所需的延遲時間，會進一步損及市佔率與獲利時效，最終侷限新產品的獲利能力。

為了解決這些問題，Digi 的 CC-WMX8MN-KIT ConnectCore 8M Nano 開發套件可提供有效的客製化開發替代方案。此立即可用的平台能符合眾多應用的效能與成本要求 (圖 1)。

圖 1：Digi 的 CC-WMX8MN-KIT ConnectCore 8M Nano 開發套件可提供著手開發連線式系統時所需的一切資源，讓系統在 HMI 設計、影音處理、邊緣運算和機器學習方面，符合與日俱增的要求。(圖片來源：Digi)

立即可用的解決方案如何解決多元的功能要求

Digi 的 CC-WMX8MN-KIT ConnectCore 8M Nano 開發套件可提供完善的硬體平台，專為縮短系統的開發時間與上市時間而設計。透過此套件，開發人員能輕鬆實作可擴充系統，以支援多種應用，例如人機介面 (HMI) 設計、影音處理、邊緣運算、機器學習等等。除了 Digi 的 ConnectCore 8M Nano 開發板，此套件還包含雙頻段天線、主控台連接埠纜線以及電源供應器，因此開發人員能立即著手打造連線式應用。

如同 Digi 的其他 CoreConnect 開發套件，ConnectCore 8M Nano 開發套件也運用 Digi 高度整合的系統模組 (SoM) 解決方案。Digi 的 ConnectCore SOM 以 NXP Semiconductor 的 i.MX 處理器系列產品為基礎，整合了多媒體、安全性、有線連線和預先認證的無線連線功能，以及典型嵌入式應用所需的其他功能。這些 SoM 可搭配眾多軟體環境使用，進而簡化嵌入式系統的開發工作；相較於一般的客製化硬體做法，能讓產品製造商以更快的速度提供更精密的產品，而且風險也會減低。

在 CC-WMX8MN-KIT 開發套件中，Digi 的 SoM 結合了 NXP 的 i.MX 8M Nano 處理器功能，其以四個 Arm® Cortex®-A53 和 Arm Cortex-M7 核心為基礎，並搭配高達 8 GB 的快閃記憶體、高達 1 GB 的低功率雙倍數據傳輸率 (LPDDR) 動態隨機存取記憶體 (DRAM)，以及一系列附加子系統 (圖 2)。

圖 2：Digi SoM 以 NXP 的 i.MX 8M Nano 多核心處理器為基礎，整合了典型嵌入式系統設計中所需的記憶體、連線選項、安全性及電源管理功能。(圖片來源：Digi)

在子系統中，此 SoM 整合了 Microchip Technology 的 CryptoAuthentication 系列安全元件，以補強 Arm Cortex-A53 核心的 TrustZone 安全功能。CryptoAuthentication 元件搭配專屬的加密處理器、高品質亂數產生器，以及受保護的金鑰儲存區，能高速安全地執行雜湊與公鑰基礎架構 (PKI) 演算法。

SoM 內建的連線選項支援 Gigabit 乙太網路 (GbE) 以及預先認證的 802.11 a/b/g/n/ac Wi-Fi 和藍牙 5.0。為了符合廣域網路要求，開發人員只需將 Digi 的 XBEE 行動網路模組連接到 CC-WMX8MN-KIT 板的 XBEE 相容連接器組，即可新增行動網路和其他連線選項。

除了整套的標準周邊裝置介面，此 SoM 還支援多種多媒體介面，可連接音訊、攝影機和顯示器。藉由整合式圖形處理單元及液晶顯示器介面 (LCDIF) 控制器，開發人員可以輕鬆增添 Digi 的 CC-ACC-LCDW-10 等選配 LCD 面板，並快速開始打造適合嵌入式應用的 HMI 設計。

在以高階處理器為基礎的設計中進行電源管理

在複雜的嵌入式系統中進行電源管理是一大挑戰，特別是系統設計整合了 NXP 的 i.MX 8M Nano 等高階處理器時。如同其他同類處理器，NXP 的 i.MX 8M Nano 將許多不同的子系統劃分成個別的電源域，以用於核心處理器 (VDD_ARM 和 VDD_SOC)、GPU (VDD_GPU)、記憶體 (VDD_DRAM、NVCC_DRAM)、安全非揮發性儲存裝置 (NVCC_SNVS_1P8、VDD_SNVS_0P8)，以及其他幾個項目。開發人員不僅要為每個域提供適當的電軌，還要以特定的時序為每個域進行供電與斷電 (圖 3)。

圖 3：如同多數高階處理器，NXP 的 i.MX 8M Nano 將子系統劃分成個別的電源域，而這些電源域需要在啟動時，按特定的時序開啟各自的電壓電軌。(圖片來源：NXP Semiconductor)

事實上，Digi 的 ConnectCore i.MX 8M Nano SoM 只需要兩個電源供應器輸入，並使用 ROHM Semiconductor 的 BD71850MWV 電源管理 IC (PMIC)，來提供 i.MX 8M Nano 處理器和其他元件所需的多種電源電壓位準。ROHM 的 BD71850MWV 專為支援 NXP 的 i.MX 8M Nano 處理器而設計，整合了多個降壓穩壓器和低壓降 (LDO) 穩壓器，能從主要的 VSYS 5 V 電源供應器提供一組完整的電軌 (圖 4)。

圖 4：ROHM 的 BD71850MWV PMIC 專為供電給 NXP 的 i.MX 8M Nano 處理器而設計，可提供處理器和典型嵌入式系統設計中其他元件所需的一組完整電軌。(圖片來源：ROHM Semiconductor)

雖然 BD71850MWV 可對處理器所需的詳細啟動與斷電順序進行管理，但 Digi 進一步提升控制程度，以達到整體功耗最佳化並維持系統的可靠性。此 SoM 整合了 Digi 的 Microcontroller Assist (MCA)，其使用專屬的 NXP Kinetis KL17 MKL17Z64VDA4 微控制器 (MCU) 進行系統級電源管理。NXP 的 Kinetis KL17 MCU 以超低功率的 Arm Cortex-M0+ 核心作為基礎，在超低功耗執行模式下，每 MHz 只耗用 46 μA 電流；在停止模式下，能維持記憶體與即時時脈 (RTC) 功能，且只耗用 1.68 μA。

即使系統處於睡眠模式，MCA 仍可維持作用狀態，在 KL17 MCU 上運行可升級式韌體，以提供幾個選項來喚醒 NXP 的 i.MX 8M Nano 系統處理器。舉例而言，Digi 配置的預設值會停用系統處理器的 RTC，並改用 MCA 韌體中實作的低功率 RTC 功能。開發人員可以使用 MCA 的 12 位元類比數位轉換器 (ADC) 來監測外部事件，並且只在必要時產生中斷訊號來喚醒系統處理器。反之，MCA 韌體實作三個多通道脈寬調變 (PWM) 控制器，以用於外部作業。為了協助確保系統整體可靠性，MCA 韌體還提供監控設備計時器功能。若系統處理器上執行的軟體停止回應，或是在正常軟體執行期間未執行例行的監控設備計時器維護，便會重置整個系統或只重置系統處理器。

系統啟動時，MCA 一接收到電力便會開始運作。在一段可編程的延遲時間後，MCA 會進而啟動 BD71850MWV PMIC，再由此 IC 執行前述的 i.MX 8M Nano 啟動順序。系統重置的方式或從低功率睡眠狀態轉換狀態的方式，相當類似 MCA 連同 PMIC 及處理器一同協調電力復原的方式。

生產就緒型嵌入式 Linux 軟體環境

Digi 的 CC-WMX8MN-KIT 開發套件採用深厚的硬體基礎，提供可執行開放原始碼 Digi Embedded Yocto (DEY) 的生產就緒型軟體環境。DEY 以 Yocto Project 廣泛使用的嵌入式 Linux 發佈版為基礎，並對此基準發佈版進行擴充，增添了專為支援 Digi 硬體平台而設計的板支援套件 (BSP) 功能 (圖 5)。

圖 5：Digi 的 Embedded Yocto 對 Yocto Project Linux 基準發佈版進行擴充，增添了用於 Digi 硬體的板支援套件 (BSP) 擴充項目。(圖片來源：Digi)

在 Linux 核心的 BSP 擴充項目中，Digi 的 TrustFence 可提供 Linux 元件用的安全框架。TrustFence 服務可透過驗證與身分管理功能，從內外部 I/O 連接埠的低階存取控制，延伸到高階支援，以確保安全的網路連線，並可使用經過驗證的韌體映像檔進行安全啟動。雖然 ConnectCore 8M Nano 模組剛開始並不支援 Digi 的 TrustZone，但在未來的 DEY 版本中便會提供。

除了在個別元件層級採用安全與管理功能之外，大規模的 IoT 應用難免需具備監測與管理 IoT 裝置群的能力。為了支援這些要求，Digi Remote Manager 提供雲端服務，可支援裝置健全狀態監測、配置管理和韌體更新。藉由行動應用程式或桌上型軟體，開發人員可以利用 Digi Remote Manager 來顯示裝置群的運作細節，包括裝置群的健全狀態、警示、連線狀態和訊號強度 (圖 6)。

圖 6：Digi Remote Manager 雲端服務能讓開發人員透過桌上型電腦或行動裝置來監測並管理大規模的 IoT 部署。(圖片來源：Digi)

除了監測功能外，Digi Remote Manager 還可讓開發人員透過服務的應用程式開發介面 (API)，利用命令列或程式更主動地管理資料、連線和裝置軟體。利用這些功能，開發人員即可重新啟動裝置並上傳檔案，輕鬆執行遍及整個裝置群的大規模韌體與軟體更新。此更新作業在典型的連線裝置中屬於必要作業，但在大規模部署中，往往會有後勤方面的困難。

結論

工業、醫療、運輸和農業市場領域追求更加精密的應用，並衍生出對更複雜型 IoT 導向嵌入式系統設計的需求。相關無線子系統的區域性認證要求也會讓問題複雜化，並拖慢設計速度。

為了解決這些問題，Digi 推出一款開發套件，能提供完善的軟體環境，以及具有預先認證無線模組的最佳化硬體平台。如本文所示，此套件可讓開發人員更輕鬆快速地提供強大的連網嵌入式系統解決方案。