česky english Vítejte, dnes je pátek 19. červenec 2024

Vývoj bezdrátových embedded systémů s mikrokontroléry na bázi FRAM

DPS 4/2013 | Články
Autor: Farnell element14, Jacob Borgeson, Texas Instruments

Bezdrátové embedded sítě představují jedno z nejrychleji rostoucích odvětví překonávající celkovou výkonnost polovodičového průmyslu. Z velké části je důvodem rychlý rozvoj bezdrátové komunikace ve formě smartphonů a mobilních zdravotnických / přenosných lékařských zařízení, integrace prvků MEMS (mikroelektromechanické systémy) a senzorů do automobilů umožňující inteligentnější ergonomické a bezpečnostní funkce, lepší řízení výkonu motoru, a také zasíťování infotainment zařízení. Budoucí inovace a růst přinesou inteligentní budovy, inteligentní elektrické sítě a ve stále větším měřítku Internet-of-Things (internet věcí).

Navzdory současnému působivému a trvalému růstu není zatím využit celý potenciál bezdrátových embedded systémů, protože zůstávají nevyřešeny některé zásadní konstrukční problémy. To zahrnuje omezení v aplikacích s bateriovým napájením, proměnné paměťové požadavky, bezdrátovou bezpečnost a spolehlivost. Nedávná revoluční změna v paměťové technologii reprezentovaná uvedením embedded feroelektrické paměti s přímým přístupem (FRAM) nabízí vývojářům nejlepší možnost, jak se s těmito konstrukčními překážkami vypořádat. Trh bezdrátových senzorů využívá spíše distribuované než centralizované zpracování – technická evoluce klíčová pro snížení spotřeby energie. Tento článek popisuje konstrukční možnosti a unikátní vlastnosti, které paměti FRAM nabízejí pro bezdrátové embedded aplikace.

Co to je FRAM?

Paměť FRAM, podobně jako DRAM, umožňuje přímý přístup k libovolnému bitu – jak pro čtení, tak pro zápis. Oproti ostatním zařízením s nezávislou pamětí nabízí FRAM podstatné výhody. Na rozdíl od pamětí EEPROM nebo flash nepotřebuje paměť FRAM nábojovou pumpu, speciální sekvenci k zápisu dat ani vyšší programovací napětí. FRAM je nevolatilní paměť – při přerušení napájení nedojde ke ztrátě dat, což nabízí větší flexibilitu. To vše dohromady znamená 250násobné snížení spotřeby energie na jeden bit ve srovnání s pamětí flash, aniž by docházelo k jejímu opotřebení.

Ačkoliv jsou samostatné paměti FRAM na trhu již nějakou dobu dostupné, jejich nasazení se omezovalo na obecné použití v paměťových zařízeních. Nedávné spojení paměti FRAM s mikrokontrolérem povýšilo tuto paměť do další generace široké škály aplikací. Díky integraci mikrokontroléru můžeme naplno realizovat a využít unikátní vlastnosti paměti FRAM: univerzální paměť, nízkoenergetický přístup, flexibilita, vysoká životnost a spolehlivost. To vše jsou klíčové vlastnosti, které až dosud bezdrátové embedded aplikace postrádaly.

Výhody embedded paměti FRAM

  • vyšší rychlost čtení/zápisu při velmi nízké spotřebě energie
  • skutečně univerzální paměť – konfigurovatelná jako flash nebo RAM
  • nejvyšší rychlost čtení/zápisu na trhu
  • prakticky neomezená životnost – 1 015 zápisových cyklů
  • inherentní robustnost a odolnost proti radiaci

Svoboda v konstrukci

Bezdrátová komunikace je charakterizována konstrukční svobodou, kterou nabízí ve smyslu přenosových parametrů, jako je frekvence, šířka pásma a výstupní výkon, nebo síťových specifikací, jako je topologie a provoz, definice paketů a různé další požadavky týkající se protokolu. Při návrhu podle konkrétních požadavků různých bezdrátových aplikací mohou takovéto proměnné parametry drasticky diverzifikovat požadavky, speciálně na paměť bezdrátového softwaru.

Dokonce i v případě protokolů, které jsou normovány a regulovány příslušnými orgány, což je případ Wi-Fi, bluetooth nebo NFC (komunikace na krátkou vzdálenost), mohou se implementace pro stejný protokol velmi lišit co do paměťových požadavků v závislosti na vlastnostech nebo zvolené platformě mikrokontroléru. Pokud použijeme tradiční flash paměť, je návrh omezen jen na několik konfigurací zařízení a paměti a výběr mikrokontroléru je často limitován datovými požadavky. Takové řešení není odolné proti velkým změnám kódu a zabírá více místa.

Paměť FRAM může fungovat jako datové úložiště i jako paměť RAM, poskytuje tak mnohem větší flexibilitu a snadnější úpravy paměti podle požadavků aplikace. Místo vybírání různých prvků v návrhu můžeme snadno změnit parametry, což přináší mnohem jednodušší řízení zásob. Můžeme také použít stejnou platformu mikrokontroléru pro různé typy bezdrátových protokolů. To je důležité především v případech, když uvažujeme o inteligentní elektrické síti a inteligentních spotřebičích, které se budou vzájemně ovlivňovat v inteligentních budovách blízké budoucnosti.

Potenciál vytvořit lepší inteligentní budovy a elektrické sítě

Ideou u inteligentních elektrických sítí je využití bezdrátové technologie k sledování spotřeby elektřiny a poskytnutí těchto informací jak spotřebitelům, tak energetickým společnostem. Sledovaným cílem je efektivnější dodávka a spotřeba elektřiny. S tím, jak se rozšiřují digitálně vylepšené elektrické sítě, poroste nevyhnutelně poptávka po možnosti bezdrátové výměny dat při nízké spotřebě energie mezi všemi druhy chytrých spotřebičů, ovládacích panelů a dalších rozhraní.

Obrovským ekonomickým motivem k vybudování komunikační sítě v inteligentní gentní elektrické síti pro distribuční společnosti je přejít z měsíčního účtování na účtování podle doby využívání, nebo ještě lépe nabídnout zákazníkům dynamické účtování, které pomůže lépe přesunout energetickou poptávku do jiných vzorců, a tím eliminovat vznik odběrových špiček. Za současné situace by to bylo složité vzhledem ke značné závislosti na paměťově náročném vyhledávání v tabulkách.

Otevřená povaha bezdrátové komunikace ji nevyhnutelně činí zranitelnou vůči bezpečnostním rizikům. Zásadním úkolem návrhu je zajistit, aby uzly inteligentní elektrické sítě byly bezpečné a odolné vůči útokům. Je nezbytně nutné, aby konstruktéři a distribuční společnosti mohli odstraňovat chyby prostřednictvím sítě v reálném čase. Vlastnosti, jako bezpečný zápis, vysoká odolnost a ultranízká spotřeba energie, dělají z paměti FRAM ideální volbu pro instalaci bezpečnostních záplat a pokročilých funkcí v inteligentních elektrických sítích.

Další výhodou pamětí FRAM je, že mohou snížit komplexnost systému a materiálovou náročnost. Například mnoho současných konstrukcí obsahuje samostatnou nevolatilní paměť (buď FRAM, nebo EEPROM). Ta může být velmi snadno umístěna v jednom pouzdru uvnitř integrovaného mikrokontroléru s pamětí FRAM (například řada MSP430FR57xx od Texas Instruments) s nižší celkovou spotřebou energie.

Paměti FRAM mají řadu inherentních vlastností velmi vhodných pro bezpečné aplikace. Vysoká zápisová životnost znamená, že můžeme provádět kódované operace po celou dobu předpokládané životnosti produktu, aniž bychom se museli obávat poruchy paměti. Rychlý nízkoenergetický zápis znamená, že je velmi těžké připojit k čipu snímač a sejmout z něj data. Otevřít čip a pokusit se přečíst každou molekulu paměti FRAM a dekódovat tak obsah paměti je fyzikálně nemožné. Inteligentní budovy tak budou bezpečnější, jak při fyzickému útoku, tak ze strany bezdrátového přístupu k systémovým datům.

V neposlední řadě nižší spotřeba energie znamená, že zařízení je možné konstruovat jako samostatné jednotky zapouzdřené na celou dobu životnosti. Široká škála uzlů tak nebude potřebovat vůbec žádnou údržbu nebo pouze velmi jednoduchou výměnu celého uzlu místo pracné výměny baterií. To napomáhá snížit celkové náklady po dobu životnosti systému inteligentní budovy, přičemž tento systém je odolnější k různým povětrnostním podmínkám.

Závěr

Polovodičový průmysl léta čekal na univerzální paměť. Ta byla nakonec implementována do mikrokontroléru ve výrobcích FRAM. Tyto mikrokontroléry těží z nízké spotřeby energie, zvyšují flexibilitu a životnost a zlepšují inherentní bezpečnost. To vše velice dobře využijí konstruktéři bezdrátových systémových sítí, takže nakonec dojde k rychlému nárůstu jejich modernizace a integraci různých čidel.

Na webových stránkách společnosti Farnell element14 (www.farnell.com) naleznou konstruktéři aktuální dostupnost a podrobnou technickou dokumentaci pro výběr správného mikrokontroléru s integrovanou FRAM pamětí od Texas Instruments.

www.farnell.com/cz

www.element14.com