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기성 내장형 Linux 다중 코어 플랫폼을 사용하여 고속 내장형 무선 통신 IoT 개발

작성자: Stephen Evanczuk

Digi-Key 북미 편집자 제공

고급 산업, 의료, 교통 및 농업 사물 인터넷(IoT) 응용 분야에서는 더 복잡한 내장형 시스템 설계가 필요합니다. 이러한 상황에서 개발자는 빠듯한 일정과 축소되는 예산에도 불구하고 성능, 연결 및 주변 장치 요구 사항을 충족하는 맞춤형 기판을 구축하는 수밖에 없습니다. 기성 기판을 사용할 수도 있지만 성능, 전력, 크기, 폼 팩터, 기능 등의 복합적인 요소가 사용을 가로막았습니다.

하지만 IoT와 산업용 IoT(IIoT)가 널리 사용되는 시대에 아무리 생산적인 맞춤형 개발 팀이라도 무선 서브 시스템에 대한 지역 인증 요건으로 지연이 발생하면 배송이 느려지고 시장 기회가 잠식되기 마련입니다.

이 기사에서는 무선 지원 내장형 기판에 대한 제작과 구매 문제를 비교하여 살펴봅니다. 그런 다음 포괄적인 소프트웨어 환경과 사전 인증된 모듈이 탑재된 최적화된 하드웨어 플랫폼을 제공하는 Digi의 턴키 개발 플랫폼을 소개합니다. 또한 키트를 활용하여 개발자가 강력하고 연결된 내장형 시스템 솔루션을 빠르고 쉽게 제공할 수 있는 방법을 살펴봅니다.

내장형 기판 개발을 위한 제작과 구매

내장형 시스템 개발자의 입장에서 볼 때, 최종 사용자의 높은 기대치와 경쟁의 압박은 출시 시간을 단축하면서 우수한 기능을 제공하는 제품에 대한 수요를 지속적으로 촉진합니다. 사용자는 간편하게 연결, 사용 및 유지 관리할 수 있는 시스템을 요구합니다. 따라서 개발자는 많은 부분에서 점점 어려움을 겪고 있습니다. 무선 연결의 경우 단거리 무선 솔루션 및 장거리 무선 솔루션과 관련한 설계 인증 요구 사항이 있으며, 적절한 디스플레이 기능을 구현하려면 설계 복잡성과 비용이 증가하며, 이러한 시스템의 지속적인 신뢰성과 장기적인 사용 가능성을 보장하기 위해 개발자는 산업 또는 의료 응용 분야에서 발견되는 열악한 조건을 견디면서도 늘어난 수명 주기 동안 가용성을 유지할 수 있는 솔루션을 찾아야 합니다.

일부 응용 분야에서는 각 서브 시스템을 요구 사항에 맞게 최적화하는 맞춤형 설계 방식에 따라 적합한 솔루션이 크게 달라집니다. 하지만 기성 설계 솔루션은 응용 분야의 기판 어레이에 고유한 요구 사항을 지원하도록 쉽게 확장할 수 있는 플랫폼을 제공합니다. 하지만 개발 팀에서는 순전히 개발 비용의 측면에서 맞춤형 솔루션을 구축할지 사전 구축된 시스템을 구매할지 여부를 결정하는 경우도 있습니다. 이 경우 맞춤형 설계를 처음부터 구축하는 것이 기성 설계를 구매하는 것보다 더 저렴한지를 고려합니다.

실제로 개발 팀에서는 무선 인증, 가용성, 유지 관리, 수명 주기 문제를 비롯한 기타 고려 사항으로 인해 전체 비용이 증가한다는 것을 알 수 있습니다. 빠르게 진화하는 시장에서 맞춤형 설계를 구현하기 위해 시간이 지연될 경우 수익 창출 시간과 시장 점유율이 잠식되어 궁극적으로 신제품의 수익성이 제한됩니다.

이러한 문제를 해결하기 위해 Digi의 CC-WMX8MN-KIT ConnectCore 8M Nano 개발 키트는 광범위한 응용 분야에 대한 성능 및 비용 요구 사항을 충족할 수 있는 턴키 플랫폼을 제공하여 맞춤형 개발에 대한 효과적인 대안을 제공합니다(그림 1).

Digi CC-WMX8MN-KIT ConnectCore 8M Nano 개발 키트 이미지 그림 1: Digi CC-WMX8MN-KIT ConnectCore 8M Nano 개발 키트는 HMI 설계, 오디오/동영상 처리, 에지 컴퓨팅 및 머신 러닝에 대해 증가하는 요구 사항을 충족할 수 있는 연결된 시스템 개발을 시작하는 데 필요한 모든 것을 제공합니다. (이미지 출처: Digi)

턴키 솔루션이 다양한 기능적 요구 사항을 해결하는 방법

Digi CC-WMX8MN-KIT ConnectCore 8M Nano 개발 키트는 시스템의 개발 시간과 출시 시간을 단축하도록 설계된 포괄적인 하드웨어 플랫폼을 제공합니다. 이 키트를 사용하여 개발자는 인간 기계 간 인터페이스(HMI) 설계, 오디오/동영상 처리, 에지 컴퓨팅, 머신 러닝 등과 같은 다양한 응용 분야를 지원하도록 확장되는 시스템을 손쉽게 구현할 수 있습니다. 개발자가 연결된 응용 제품을 즉시 생성할 수 있도록 Digi ConnectCore 8M Nano 개발 기판과 함께 이 키트에는 이중 대역 안테나, 콘솔 포트 케이블, 전원 공급 장치가 포함되어 있습니다.

다른 Digi CoreConnect 개발 키트와 마찬가지로 ConnectCore 8M Nano 개발 키트에서는 Digi의 고집적 시스템 온 모듈(SoM) 솔루션을 활용합니다. NXP Semiconductori.MX 프로세서 제품군을 기반으로 하는 Digi ConnectCore SOM은 멀티미디어, 보안, 유선 연결, 사전 인증된 무선 연결 등 일반 내장형 응용 분야에 필요한 기타 기능을 통합합니다. 포괄적인 소프트웨어 환경에서 함께 사용되는 이 SoM은 내장형 시스템 개발을 간소화하여 제품 제조업체에서 일반적인 맞춤형 하드웨어 방식에 비해 더 정교한 제품을 더 빠르고 더 안전하게 제공할 수 있도록 지원합니다.

CC-WMX8MN-KIT 개발 키트의 경우 쿼드 Arm® Cortex®-A53 및 Arm Cortex-M7 코어를 기반으로 하는 Digi SOM은 NXP의 i.MX 8M Nano 프로세서 기능을 최대 8GB 플래시, 최대 1GB 저전력 이중 데이터 전송률(LPDDR) DRAM(Dynamic Random-Access Memory) 및 추가 서브 시스템 어레이와 결합합니다(그림 2).

NXP의 i.MX 8M Nano 다중 코어 프로세서를 기반으로 하는 Digi SoM 이미지그림 2: NXP의 i.MX 8M Nano 다중 코어 프로세서를 기반으로 하는 Digi SoM은 일반 내장형 시스템 설계에 필요한 메모리, 연결 옵션, 보안 및 전력 관리 기능을 통합합니다. (이미지 출처: Digi)

SoM은 서브 시스템 중에서 Arm Cortex-A53 코어의 TrustZone 보안 기능을 보완하는 Microchip Technology CryptoAuthentication 제품군의 보안 장치를 통합합니다. CryptoAuthentication 장치는 전용 암호화 프로세서, 고품질 난수 생성기 및 보호된 키 스토리지를 결합하여 열악한 공용 키 인프라(PKI) 알고리즘을 고속으로 안전하게 실행합니다.

SoM의 내장된 연결 옵션은 기가비트 이더넷(GbE)과 사전 인증된 802.11 a/b/g/n/ac Wi-Fi 및 Bluetooth 5를 지원합니다. 광대역 네트워크 요구 사항을 충족하기 위해 개발자는 Digi XBEE 셀룰러 모듈을 CC-WMX8MN-KIT 기판의 XBEE 호환 커넥터에 연결하여 셀룰러 및 기타 연결 옵션을 간단히 추가할 수 있습니다.

전체 표준 주변 소자 인터페이스와 함께 SoM은 오디오, 카메라 및 디스플레이를 위한 여러 멀티미디어 인터페이스를 지원합니다. 개발자는 통합 그래픽 처리 장치 및 액정 표시 장치 인터페이스(LCDIF) 컨트롤러를 사용하여 Digi CC-ACC-LCDW-10과 같은 선택적 LCD 패널을 쉽게 추가하고 내장형 응용 분야에 대한 HMI 설계 제작을 빠르게 시작할 수 있습니다.

고급 프로세서를 기반으로 하는 설계에서 전력 관리

복잡한 내장형 시스템에서 전력을 관리하는 것은 매우 어려울 수 있습니다. 특히 시스템 설계에 NXP i.MX 8M Nano와 같은 고급 프로세서가 통합되어 있는 경우에는 더욱 어려움을 겪게 됩니다. 동급의 다른 프로세서와 마찬가지로 NXP i.MX 8M Nano는 많은 개별 서브 시스템을 코어 프로세서(VDD_ARM 및 VDD_SOC), GPU(VDD_GPU), 메모리(VDD_DRAM, NVCC_DRAM), 보안 비휘발성 스토리지(NVCC_SNVS_1P8, VDD_SNVS_0P8) 등을 위한 별도 전력 도메인으로 분류합니다. 개발자는 각 도메인에 적절한 전력 레일을 제공하고, 특정 타이밍 시퀀스에 각 도메인에 전력을 공급하거나 제거해야 합니다(그림 3).

서브 시스템을 분할하는 NXP의 i.MX 8M Nano 이미지그림 3: 대부분의 고급 프로세서와 마찬가지로 NXP i.MX 8M Nano는 서브 시스템을 별도 전력 도메인으로 분할합니다. 시작할 때 지정된 시퀀스에 각 전력 도메인의 개별 전압 공급 레일이 켜져야 합니다. (이미지 출처: NXP Semiconductor)

실제로 Digi ConnectCore i.MX 8M Nano SoM은 두 개의 전원 공급 장치 입력만 필요하며 ROHM SemiconductorBD71850MWV 전력 관리 IC(PMIC)를 사용하여 i.MX 8M Nano 프로세서와 기타 장치에 필요한 여러 공급 전압 레벨을 제공합니다. NXP i.MX 8M Nano 프로세서를 지원하도록 특별히 고안된 ROHM BD71850MWV는 여러 벅 조정기와 저드롭아웃(LDO) 조정기를 통합하여 기본 VSYS 5V 공급 장치에서 전체 전력 레일을 제공합니다(그림 4).

ROHM의 BD71850MWV PMIC 구성도그림 4: NXP i.MX 8M Nano 프로세서를 공급하도록 특별히 고안된 ROHM BD71850MWV PMIC는 일반 내장형 시스템 설계의 다른 장치와 프로세서에 필요한 전체 전력 레일을 제공합니다. (이미지 출처: ROHM Semiconductor)

BD71850MWV는 프로세서에 필요한 세부 전력 켜기 및 전력 차단 시퀀스를 관리하지만, Digi는 전체 전력 소비를 최적화하고 시스템 신뢰성을 유지하도록 설계된 추가 제어 레벨을 추가합니다. SoM에 통합된 Digi Microcontroller Assist(MCA)는 시스템 레벨 전력 관리를 위해 전용 NXP Kinetis KL17 MKL17Z64VDA4 마이크로 컨트롤러(MCU)를 사용합니다. 초저전력 Arm Cortex-M0+ 코어를 기반으로 하는 NXP Kinetis KL17 MCU는 메모리 및 실시간 클록(RTC) 기능을 유지하면서 초저전력 모드에서는 MHz당 46μA만 소비하고 중지 모드에서는 1.68μA를 소비합니다.

시스템이 절전 모드에 있는 동안에도 활성 상태를 유지하도록 설계된 MCA는 KL17 MCU에서 실행 중인 업그레이드 가능한 펌웨어를 작동하여 NXP i.MX 8M Nano 시스템 프로세서를 절전 해제하는 다양한 옵션을 제공합니다. 예를 들어 Digi는 MCA 펌웨어에서 구현되는 저전력 RTC 기능을 지지하여 시스템 프로세서의 RTC를 비활성화하는 기본 설정을 지정합니다. 설계자는 MCA의 12비트 아날로그 디지털 컨버터(ADC)를 사용하여 외부 이벤트를 모니터링하고 필요한 경우에만 시스템 프로세서를 깨우는 인터럽트를 생성합니다. 따라서 MCA 펌웨어는 외부 작동을 위한 세 다중 채널 펄스 폭 변조(PWM) 컨트롤러를 구현합니다. 또한 전체 시스템 신뢰성을 보장하기 위해 MCA 펌웨어는 전체 시스템을 초기화하거나 시스템 프로세서만(해당 프로세서에서 실행 중인 소프트웨어가 중단된 경우) 초기화하는 감시 타이머 기능을 제공하거나, 일반 소프트웨어 실행 중에 일반적인 감시 타이머 유지보수를 수행하지 않습니다.

시스템을 시작할 때 MCA는 전력이 공급되는 즉시 작동을 시작합니다. 프로그래밍 가능한 지연 시간 이후에 MCA는 BD71850MWV PMIC를 시작합니다. 그러면 앞서 설명한 i.MX 8M Nano 전원 켜기 시퀀스가 실행됩니다. 시스템이 초기화되거나 저전력 절전 상태에서 전환되는 과정은 PMIC 및 프로세서를 통한 MCA 조정 전력 복구 과정과 동일한 방식으로 수행됩니다.

생산 지원 내장형 Linux 소프트웨어 환경

Digi CC-WMX8MN-KIT 개발 키트는 포괄적인 하드웨어 기반을 활용하여 오픈 소스 Digi Embedded Yocto(DEY)를 실행하는 생산 지원 소프트웨어 환경을 제공합니다. Yocto Project의 인기 있는 내장형 Linux 배포를 기반으로 하는 DEY는 Digi 하드웨어 플랫폼을 지원하도록 특별히 고안된 추가 기판 지지대 패키지(BSP) 기능으로 기준 배포를 확장합니다(그림 5).

Digi Embedded Yocto 구성도그림 5: Digi Embedded Yocto는 Digi 하드웨어용 기판 지지대 패키지(BSP) 확장을 통해 기준선 Yocto Project Linux 배포를 확장합니다. (이미지 출처: Digi)

Linux 커널로의 BSP 확장 중에서 Digi의 TrustFence는 Linux 장치용 보안 펌웨어를 제공합니다. 인증 및 ID 관리 기능을 사용하여 TrustFence 서비스에서는 내부 및 외부 I/O 포트에 대한 하위 수준 액세스 제어에서 검증된 펌웨어 이미지를 통한 보안 네트워크 연결 및 보안 부트에 대한 상위 수준 지원으로 확장합니다. 처음에는 ConnectCore 8M Nano 모듈에서 지원되지 않지만 Digi TrustZone는 향후 DEY 릴리스에서 제공될 예정입니다.

개별 장치 수준에서 보안 및 관리를 채택하는 것 외에 대규모 IoT 응용 분야에서는 IoT 장치를 모니터링하고 관리하는 기능이 필요합니다. 이러한 요구 사항을 지원하기 위해 Digi Remote Manager는 장치 상태 모니터링, 구성 관리 및 펌웨어 업데이트를 지원하도록 설계된 클라우드 기반 서비스를 제공합니다. 모바일 앱 또는 데스크톱 소프트웨어를 사용하여 개발자는 Digi Remote Manager를 통해 장치 상태, 경고, 연결 상태, 신호 강도를 비롯한 장치 작동 정보를 표시할 수 있습니다(그림 6).

Digi Remote Manager 클라우드 기반 서비스 이미지(확대하려면 클릭)그림 6: 개발자는 Digi Remote Manager 클라우드 기반 서비스를 사용하여 데스크톱 또는 모바일 장치에서 대규모 IoT 배포를 모니터링하고 관리할 수 있습니다. (이미지 출처: Digi)

모니터링 기능 이외에 Digi Remote Manager를 사용하면 개발자가 서비스의 응용 프로그래밍 인터페이스(API)를 프로그래밍 방식으로 사용하거나 명령줄을 대화식을 사용하여 데이터, 연결 및 장치 소프트웨어를 능동적으로 관리할 수 있습니다. 이러한 기능을 사용하여 개발자는 장치를 재부팅하고 파일을 업로드하여 일반 연결된 장치에 필요하지만 대규모 배포에서 논리적으로 어려움이 있는 대용량 펌웨어 및 소프트웨어 업데이트를 손쉽게 수행할 수 있습니다.

결론

산업, 의료, 교통 및 농업 시장 부분에서 더 정교한 응용 제품에 대한 수요가 더 복잡한 IoT 지향 내장형 시스템 설계에 대한 요구 사항을 촉진합니다. 연결된 무선 통신 서브 시스템에 대한 지역별 인증 요구 사항으로 인해 문제가 더 복잡해지고 설계가 지연됩니다.

이 문제를 해결하기 위해 Digi의 개발 키트에서는 포괄적인 소프트웨어 환경과 사전 인증된 무선 모듈이 탑재된 최적화된 하드웨어 플랫폼을 제공합니다. 위에서 살펴본 바와 같이 개발자는 이 키트를 사용하여 강력한 연결된 내장형 시스템 솔루션을 쉽고 빠르게 제공할 수 있습니다.

면책 조항: 이 웹 사이트에서 여러 작성자 및/또는 포럼 참가자가 명시한 의견, 생각 및 견해는 Digi-Key Electronics의 의견, 생각 및 견해 또는 Digi-Key Electronics의 공식 정책과 관련이 없습니다.

작성자 정보

Stephen Evanczuk

Stephen Evanczuk는 전자 산업에 관해 하드웨어, 소프트웨어, 시스템, 응용 제품(예: IoT)을 비롯한 광범위한 주제에 대해 20년 이상 집필한 경력을 갖고 있습니다. 그는 신경 과학의 뉴런 네트워크 박사 학위를 받았으며항공 우주 산업 분야의 광범위하게 분포된 보안 시스템 및 알고리즘 가속 메서드 관련 업무를 수행했습니다. 현재, 기술 및 엔지니어링에 대해 기사를 쓰지 않을 때에는 인식 및 추천 시스템에 대한 심층적 학습 응용 프로그램을 연구하고 있습니다.

게시자 정보

Digi-Key 북미 편집자