Schlüsseltechnologien stärken das Internet der Dinge auf der Embedded World 2014

Mit der Vorhersage von Gartner bezüglich 26 Milliarden verbundenen Geräten im Jahr 2020, ist es nicht verwunderlich, dass das Internet der Dinge (IOT) eine Kulisse für die diesjährige Embedded World Exhibition and Conference bildete. Viele sehen es bereits als den bedeutendsten Trend, der jemals in der Halbleiterindustrie entstand und mit dem Übergang vom Konzept zur kommerziellen Verwendung, wird es seine Reichweite wahrscheinlich erweitern.

Viele der wichtigsten Ankündigungen der diesjährigen Veranstaltung beschäftigten sich im Kern mit dem Internet der Dinge und trotzdem es sich immer noch in der Wachstumsphase befindet, scheint das Internet der Dinge bereits als Industrie angekommen zu sein. Sein Potenzial treibt Entwicklungen, die die Welt in der wir leben prägen werden. Verbundene Geräte werden sich über die kommenden Jahrzehnte verbreiten und einen echten Paradigmenwechsel hervorrufen.

Während das Internet der Dinge zweifellos eine wichtige Rolle in der nahen Zukunft spielen wird, hat die Elektronik-Industrie viele etablierte Sektoren, die auch weiterhin bedient werden. Hier ist eine Zusammenfassung der wichtigsten Ankündigungen der Embedded World 2014 und wie sie in die Branche passen.

MCU-Entwicklungen

Bei so vielen voraussichtlich in den nächsten Jahren entstehen intelligenten Knoten, wird sich auch die Nachfrage nach noch kleineren Mikrocontrollern erhöhen und die Hersteller folgen dieser Nachfrage durch die Verpackung von immer mehr Funktionen in immer kleinere Gehäuse. Freescale nutzte die Embedded World als Gelegenheit, das bis jetzt kleinste Bauteil anzukündigen: das Kinetis KL03 misst nur 1,6 mal 2,0 mm. Das macht es mehr als 15% kleiner als seinen Vorgänger und das Unternehmen sieht die Miniaturisierung von MCUs als einen wichtigen Motor bei der Evolution des Internet der Dinge. Die Komponente beinhaltet einen ARM®-Cortex™-M0+-Kern, der als der energieeffizienteste 32 Bit ARM-Kern der Branche gilt. Desweiteren verfügt er über einen hochschnellen 12 Bit ADC, einen ROM-basierten Boot-Loader (für die Werksprogrammierung und die Online-System-Firmware-Upgrades) und eine interne Referenzspannungsquelle für den ADC. Die Einbeziehung eines ADC ermöglicht es der Komponente, eine Verbindung mit analog-basierten Sensoren herzustellen, die in Sensorknoten des Internet der Dinge immer weitere Verbreitung finden. Wie Freescale es ausdrückt, "wenn die Größe nicht länger ein Hindernis für die Einbeziehung von Mikrocontrollern in die Edge-Knotengeräte ist, können wir beginnen, neu zu definieren, was für das Internet der Dinge möglich ist".


Abbildung 1: Der Kinetis KL03 von Freescale wird im bisher kleinsten Gehäuse geliefert.

Auch basierend auf dem Cortex-M0+ und auf ähnliche Anwendungen abzielend, hat STMicroelectronics kürzlich seine STM32L0x-Familie angekündigt, die mit 3 mm mal 3 mm nicht ganz so klein ist wie der KL03 von Freescale, aber immer noch die wesentlichen Funktionalitäten in einem kleinen Gehäuse bietet. Sie hat eine leicht niedrigere Spitzenfrequenz als der KL03 (32 MHz im Gegensatz zu 48 MHz), aber beide funktionieren bis hinunter auf 1,71 V und ST sagt, dass die L0x über den gesamten Spannungsbereich mit voller Geschwindigkeit arbeiten. Vielleicht noch bedeutsamer ist, dass sie über den gesamten erweiterten Betriebstemperaturbereich bis hinauf zu 125°C mit dem gleichen niedrigen Versorgungsstrom arbeiten und damit, so ST, die bevorzugte Wahl für industrielle Anwendungen sind. Sie bietet gemäß ST auch den energiesparendsten ADC der Branche; 48 µA bei 100 kSamples/s mit 12 Bit Auflösung und mit einer hardware-basierten Oversampling-Funktion ist eine 16 Bit Auflösung ohne Erhöhung des Umwandlungsstroms möglich (allerdings dauert die Konvertierung dann länger).

Für IoT-Anwendungen, die eine USB-Verbindung verwenden, bieten einige Komponenten der L0-Serie dank eines integrierten 48 MHz Oszillators eine kristalllose USB-2.0-FS-Schnittstelle und enthalten eine Batterieladeerkennung.

Während die ARM-Cortex-M-Familie praktisch die "Standard"-Architektur für MCUs geworden ist, gibt es immer noch viele proprietäre Lösungen und weitere werden aktiv entwickelt. Ein Beispiel ist die brandneue anwendungsorientierte Controller-MCU-Familie von FTDI, die, wie die Bezeichnung schon sagt, auf definierte Anwendungsbereiche ausgerichtet ist. Die erste Komponente innerhalb dieser Familie war der FT51, der für Steuerungssysteme entworfen wurde und auf dem ehrwürdigen 8051-Kern basiert. Während der Ausstellung wurde der FT900 angekündigt, der einen proprietären 32 Bit RISC-Kern verwendet und auf High-Performance-Systeme wie Video-Bildgebung, Multimedia- und andere anspruchsvolle, kostensensitive Aufgaben, die große Datenmengen nutzen, abzielt.

Der FT51 erreicht 48 MIPS Leistung und integriert einen USB-Hub (USB-Technologie war der "Ursprungspunkt" für FTDI), der es erlaubt, Teilsysteme zu kaskadieren. Er verfügt auch über eine Reihe von ADC/DAC-Peripheriekomponenten, die Sensor(IoT)-Verbindungen unterstützen. Der FT900 erreicht 293 DMIPS bei 100 MHz, was, so FTDI, durch ein Shadow-RAM für die Speicherung des Programmspeichers erreicht wird, wodurch der Kern ohne Wartezyklen arbeiten kann. Die Erweiterung um 8 und 32 Bit Komponenten rundet die MCU-Familie von FTDI ab, die bereits die 16 Bit Vinculum-Komponenten führte.


Abbildung 2:. Anwendungsorientierte Controller-MCU-Familien von FTDI.

Ein Teil der Herausforderung bei der Verwendung von MCUs mit niedriger Leistungsaufnahme in IoT-Anwendungen ist die Aufnahme der benötigten Kommunikationsprotokolle in Geräte die, in der Regel, nicht über großen Mengen an RAM- oder Flash-Speicher verfügen. Natürlich variiert die Größe des Speichers in der Familie, um die unterschiedlichen Preispunkte zu treffen, aber manchmal gibt es keinen Ersatz für Größe und das Internet der Dinge ist ein gutes Beispiel hierfür. Renesas hat sich mit diesem Dilemma beschäftigt und stellte auf der Embedded World seine neue Gruppe von RX64M-MCUs vor, die auf dem neuen 32 Bit RXv2-Kern basieren.

Die neuen Komponenten werden die ersten Produkte in der RX-Familie sein, die über einen 40 nm Prozess gefertigt werden und integrierten Hochgeschwindigkeits-Flash verwenden, um eine Ausführung ohne Wartezyklen mit Geschwindigkeiten von bis zu 120 MHz zu erreichen. Renesas sagt, dass die Expansion der vernetzten Gesellschaft und des IoT-Marktes bedeutet, dass die Anzahl der diversen IoT-bezogenen Produkte, wie z.B. für verbundene Netzwerke und Industrieanlagen für "intelligente Fabriken und intelligente Gebäude" rasant zugenommen hat. Dies treibt die Nachfrage nach mehr Speicher: Die Vielzahl von aufzunehmenden Kommunikationsfunktionen. Doch die erhöhte Speicherkapazität wird auch eine Schlüsselrolle bei der Unterstützung der weiteren Miniaturisierung der Komponenten sowie der Gewährleistung der Sicherheit spielen.

Um diesem wachsenden Bedarf gerecht zu werden, bietet die RX64M-Gruppe von MCUs bis zu 4 MByte Embedded-Flash und 512 KByte SRAM und zur gleichen Zeit eine 40%-ige Reduktion der Leistungsaufnahme gegenüber früheren RX-MCUs, während die Leistung sich gleichzeitig auf 504 Coremark verbessert hat, 1,6-mal besser als ältere Komponenten. Diese Verbesserungen werden dem Übergang zum 40 nm Prozess zugeschrieben.

Trotz des langanhaltenden Niedergangs bleibt der Markt der 8 Bit MCUs stark und zeigt, in einigen speziellen Fällen, sogar ein gewisses Wachstum. Ein besonderer Bereich, wo Microchip eine Nachfrage sieht, sind sicherheitskritische Anwendungen der Klasse B bei 8 Bit Geräten und um dieser Nachfrage gerecht zu werden, haben sie die Familie PIC16(L)F161x angekündigt. Die neue Familie bietet, was Microchip kernunabhängige Peripheriekomponenten nennt sowie Fehlererkennungs-Hardware für sicherheitskritische Anwendungen. Dies veranschaulicht die Strategie des Unternehmens, Komponenten zu entwickeln, die den Kern weniger verwenden und es integriert außerdem eine zyklische Redundanzprüfung mit Speicher-Scan-Einheit, die arbeiten kann, ohne das Programm abzuwürgen. Das Unternehmen beabsichtigt, alle neuen Geräte mit dieser Technologie auszustatten. Microchip gab an, dass die Implementierung von Sicherheit und Kontrolle in ein eingebettetes System oft umfangreichen Code und weitere Komponenten erfordert. Die Familie PIC16F161X soll diese Komplexität durch die Integration ihrer speziellen Hardware-Funktionen reduzieren.

Drahtloses Aufladen

Während die Branche sich im Allgemeinen darüber einig ist, dass das Internet der Dinge in der nahen Zukunft stark von Batteriestrom abhängig ist (im Gegensatz zur Energiegewinnung auf lange Sicht), wird die Notwendigkeit für das Aufladen vor Ort nicht wegfallen und eine der wichtigsten Entwicklungen in diesem Bereich war die Einführung des drahtlosen Aufladens.

Neben der Präsentation einer neuen Reihe von Motorsteuerungs-MCUs, hat NXP auf der Messe eine neue DSP-basierte drahtlose Qi-Ladevorrichtung, die NXQ1TXA5, vorgestellt, die alle benötigten kritischen Stromkreise in einem einzigen 5 mm x 5 mm Gehäuse integriert. Speziell auf Mobiltelefone ausgerichtet, erfordert sie weniger als zehn externe Komponenten, um einen kompletten drahtlosen 5 V Qi A5/A11 Ladetransmitter aufzubauen, neben der Qi-Spule und Resonanzkondensatoren.


Abbildung 3: Neue DSP-basierte drahtlose Qi-Ladevorrichtung von NXP.

Doch wie bei vielen neuen Technologien, gibt es auch für das drahtlose Aufladen mehr als eine Lösung und IDT hat vorgestellt, was es als den branchenweit ersten drahtlosen Dual-Mode-Leistungsempfänger ansieht, kompatibel mit sowohl dem Qi-Standard "Wireless Power Consortium (WPC) 1.1" als auch dem Standard "Power Matter Alliance (PMA) 1.1". Als solche können die IDTP9023 verwendet werden, um mobile Geräte voll kompatibel mit sowohl Qi- als auch PMA-Ladestationen zu machen.

Die Komponente verfügt über einen hocheffizienten Synchron-Abwärtswandler kombiniert mit einer eingebetteten MCU, so dass sie alle derzeit verfügbaren WPC- und PMA-Empfängerspulen sowie proprietäre und platinenbasierte Spulen unterstützt. IDT behauptet, dass die MCU Funktionen bietet, die die Qi- und PMA-Spezifikationen überschreiten, so dass auch anspruchsvollere Leistungsübertragungssysteme entwickelt werden können. Es verwendet außerdem ein proprietäres Sender/Empfänger-Rückkanal-Kommunikationsprotokoll, um die Kompatibilität mit den drahtlosen Leistungstransmittern von IDT zu garantieren.


Abbildung 4: Das IDTP9023 kann verwendet werden, um mobile Geräte voll kompatibel mit sowohl Qi- als auch PMA-Ladestationen zu machen.

Drahtlose Kommunikation

Ein Schlüsselelement des Internets der Dinge ist Konnektivität und, nicht überraschend, steigt die drahtlose Konnektivität zum führenden Medium auf. Insbesondere wird die Einführung von Bluetooth Low Energy (BLE) unter Einbeziehung von "Smart" und "Smart Ready" als wegweisende Technologie gesehen.

Digi-Key hat den Ausbau seiner Produklinien in den letzten 12 Monaten aktiv erweitert, um mehr WiFi-, Bluetooth- und BLE-SoCs und -Module aufzunehmen und seine neueste Vereinbarung mit Nordic Semiconductor wurde auf der Embedded World bekannt gegeben.

Zu den Bluetooth-Low-Energy-Lösungen von Nordic gehört der SoC nRF51822 (basierend auf dem ARM-Cortex-M0) und der SoC nRF51422, die die einzigartige Unterstützung beider Wireless-Technologien, BLE und ANT+, in einem einzigen Chip bieten.

Mark Zack, Digi-Key’s Vizepräsident für Global Semiconductor Product, sagte, “"Bluetooth Low Energy hat sich zum Goldstandard bei den Verbindungs-Implementierungen mit niedriger Leistungsaufnahme entwickelt und die von Nordic angebotenen Lösungen in diesem Bereich bieten eine willkommene Ergänzung unserer BLE-Produktlinie.”.

Dank seiner eindrucksvollen Energieeinsparung und Kompatibilität wird BLE eine Schlüsselrolle im Internet der Dinge spielen, insbesondere bei tragbaren Technologien. Dies bedeutet, das die Möglichkeiten für neue Lösungen so schnell wachsen, wie der Wunsch "Dinge" zu verbinden und zur Beantwortung dieses wachsenden Bedarfs hat Toshiba Electronics Europe bei der Embedded World 2014, über sein neuestes Angebote gesprochen, den TC35667FTG. Basierend auf einem, wenn auch älteren, ARM-Kern (den ARM7), integriert das Gerät die MCU neben EEPROM und kann Server- und Client-Funktionen, die vom Generic Attribute Profil (GATT) definiert wurden, unterstützen.


Abbildung 5:. Der auf dem ARM7 basierende TC35667FTG von Toshiba kann Server- und Client-Funktionen, die vom Generic Attribute Profil (GATT) definiert wurden, unterstützen.

Die Embedded World stellt das größte Einzelereignis der Elektronik-Industrie dar, mit mehr als 850 internationalen Ausstellern und 26.600 Besucher (18% über dem der Vorjahresveranstaltung) strömten nach Nürnberg, um zu entdecken, wohin die Branche geht und wie das Internet der Dinge realisiert wird. Wie üblich, wurden sie nicht enttäuscht.