Pmod-määritysten mukainen FPGA-pohjainen ohjainkortti on tehokas ja monipuolinen väline anturisolmuverkkojen ja muiden IoT-järjestelmien kehittäjille. Se tarjoaa käyttöön kattavan valikoiman helposti laajennettavia ratkaisuja, joiden avulla suunnittelijat voivat nopeasti, luotettavasti ja edullisesti vastata järjestelmien rakentamisen haasteisiin.

Monet esineiden internetin (IoT) kehitykseen liittyvät näkökohdat ovat edelleen ratkaisematta. Vain se on varmaa, ettei tule olemaan mitään 'normaalia', vaan jokainen IoT-järjestelmään liitettävä esine tai asia on erikseen suunniteltava täyttämään halutut tavoitteet. Lisäksi kaupalliset paineet vaativat, että nämä tavoitteet on saavutettava mahdollisimman kustannustehokkaasti.

Tällainen mittatilaustyönä tehtävä suunnittelu ei kuitenkaan tarjoa mittakaavaetua kustannuksiin. Jos jokainen suunnitelma on ainutlaatuinen, suunnittelutyön ja valmistuksen kustannustasoa on pakko saada alemmaksi. Yksi tapa tämän saavuttamiseksi on käyttää suunnitteluun joustavaa alustaa, joka tarjoaa helpon ja edullisen laajennettavuuden.

Jo jonkin aikaa FPGA-piirit ovat tarjonneet tarvittavaa laajennettavuutta alhaisella, transistorien ja porttien tasolla. Samanlaista lähestymistapaa voidaan hyödyntää myös korkeammalla tasolla ja näin laajentaa suunnittelukonseptia. Tämän saavuttamiseksi on nykyään tarjolla tehokkaita tapoja kuten Digilentin kehittämä Pmod-standardi (Peripheral Modules). Tämä joustava liitäntästandardi kattaa laajan valikoiman oheismoduuleja, jotka hyödyntävät suhteellisen alhaisia taajuuksia ja vähäisiä liitäntänastamääriä.

Nämä moduulit toimivat tehokkaina 'oheislaitteina' isäntäpiirille (yleensä FPGA), joka tyypillisesti toimii erillisellä piirikortilla. Pmod-määritykset sisältävät myös version, joka hyödyntää I2C-väyläliitäntää, ja valmistajat tukevat helposti emolevylle sijoitettavaa järjestelmää laajasti. Standardin suosio tarjoaa järjestelmien kehittäjille pääsyn laajaan oheislaitevalikoimaan, joka tarjoaa uusia toiminnallisuuksia muodossa, jota on helppo testata ja evaluoida 'kytke ja käytä' -periaatteella. Ei ole kovin yllättävää, että tällainen modulaarinen suunnittelu nähdään nyt tehokkaana tapana nopeuttaa IoT-järjestelmiin räätälöityjen ratkaisujen suunnittelutyötä.

Teollisuuden anturit ensin

Tuskin kukaan osasi ennustaa tulevien nettisivustojen määrää ja monimuotoisuutta silloin, kun World Wide Web ensi kerran esiteltiin yleisölle. Rekisteröityjen nettisivustojen lukumäärä ylitti miljardin rajan syksyllä 2014, mutta tuon määrän uskotaan jäävän nopeasti tulevien IoT-laitteiden lukumäärän jalkoihin (kuva 1) niiden lähes rajattoman monimuotoisuuden vuoksi. Yleisesti kuitenkin odotetaan, että IoT:n ensimmäisen laajan sovellusalueen tulevat muodostamaan teollisuusympäristöihin tarkoitetut anturiverkot. Valvomalla anturien avulla teollisuuden laitteita, prosesseja, tuotantoresursseja ja tuottavuutta saadaan lukuisia hyötyjä lähes välittömästi. Teollisuusautomaatiota voidaan näin tehostaa nopeasti ja saavuttaa kevennyksiä tuotantokustannuksiin ja sitä kautta parantaa lopputuotteiden hintakilpailukykyä.

Kuva 1: IPv4- ja IPv6-protokollien vertailu.

Anturien lisäämiseksi 'kaikkialle' tarvitaan Internetin lisäksi paikallinen infrastruktuuri. Todennäköisesti tämä toteutetaan käyttämällä WSN-tyyppisiä verkkoja (Wireless Senor Networks). Analog Devices on jo kehittänyt WSN-demoalustan tähän tarkoitukseen. Kyseessä on modulaarinen lähestymistapa, joka sallii anturien, paikallisen prosessoinnin ja langattomien liitäntöjen kytkemisen sekä konfiguroinnin nopeasti täydellisen ratkaisun evaluoimiseksi.

Alusta on saatavissa kahdessa eri kokoonpanossa. Yhteen niputettu versio käsittää monianturisolmuille kaksi piirilevyä, jotka sisältävät ARM Cortex-M3-ytimeen perustuvan, analogisiin toimintoihin kykenevän mikro-ohjaimen (ADuCRF101). Ohjaimen seurana on tehonkulutukseltaan ultrapihi kolmiakselinen kiihtyvyysanturi (ADXL362) sekä joukko muiden valmistajien antureita (kosteus, lämpötila, valaistustaso, passiivinen infrapuna) ja lisäksi tehonhallintayksikkö. Kokonaisuutta täydentävät yhdyskäytäväsolmu (niin ikään ADuCRF101-pohjainen) ja emulointikortti. Toinen alustakokoonpano on puolestaan klusteriversio, joka sisältää kolme monianturisolmua.

WSN-alusta on suunniteltu myös integroitavaksi IBM:n pilvipohjaiseen Bluemix IoT -alustaan. Avoimiin standardeihin perustuva Bluemix on suunniteltu tarjoamaan sovelluspalveluja, joten ADI:n WSN:n kaltaisiin alustoihin perustuvat ratkaisut voivat helposti välittää hyödyllistä dataa sen avulla. Bluemix-alusta kommunikoi solmujen kanssa käyttäen kevyttä MQTT-viestintäprotokollaa, joka on suunniteltu pieniä antureita ja liikuteltavia laitteita varten. Kevyt yhteyskäytäntö on helppo ottaa käyttöön anturipuolella hyödyntämällä edullista Linux-pohjaista yhdyskäytävää kuten Raspberry Pi -moduulia. Analog Devices on yhdessä IBM:n kanssa kehittänyt täydellisen ratkaisun, jossa WSN-verkko kytketään Bluemix-alustaan Raspberry Pin avulla.

Tämä siirtyminen kohti modulaarisia ratkaisuja nähdään yhä selvemmin oikeana tapana käsitellä haastetta, jonka vaivalloisesti ja kalliisti yhteen liitettävien esineiden/asioiden valtava lukumäärä tuo tullessaan. Tätä lähestymistapaa tukee se tosiasia, että useimmat sovellukset jakavat yhteiset vaatimukset tehopihin ja analogisiin toimintoihin kykenevän mikro-ohjaimen perusominaisuuksista kuten kyvystä liittää verkkoon lukuisia antureita ja muodostaa näiden välille tarvittavat yhteydet. Kaikki tähän tarvittavat elementit voidaan muodostaa valmiista kaupallisista moduuleista, mutta samalla voidaan kuitenkin räätälöidä täysin yksilölliset ratkaisut. Näiden ratkaisujen tarjoama lisäarvo ei perustu niinkään niiden rakenteisiin, vaan ensisijaisesti siihen dataan, jota ne kykenevät välittämään eteenpäin. Tästä syystä järjestelmien kehittäjät harkitsevat tarkkaan, mihin lisäarvoa kannattaa sijoittaa.

Helpotusta suunnitteluun

Jos modulaarinen lähestymistapa tekee suunnittelusta yksinkertaisempaa, vielä helpommaksi järjestelmien rakentaminen ja konfigurointi saadaan ottamalla käyttöön jokin yleisesti käytetty liitäntästandardi. Sulautettujen järjestelmien valmistajille on tarjolla useita laajasti käytettyjä liitäntästandardeja, jotka on kehitetty kunkin kohdemarkkinan erityistarpeisiin.

Nopeiden prototyyppien ja piensarjojen valmistajille Digilentin kehittämä Pmod-standardi tarjoaa lukuisia etuja. Tyypillisesti pienet ja hinnaltaan edulliset moduulit on suunniteltu tarjoamaan jokin yksittäinen mutta täydellinen toiminto, joka mahdollistaa nopean ja yksinkertaisen laajennuksen ohjainkortille, joka yleensä perustuu konfiguroitaviin FPGA-piireihin.

Jo useat integroitujen laitteiden kärkivalmistajat ovat ottaneet Pmod-liitännän käyttöön sen monipuolisuuden ja laajan hyväksynnän vuoksi. Näiden joukossa on myös Analog Devices, joka tarjoaa suuren määrän valmiita moduuleja useille eri sovellusalueille. Esimerkiksi RF-liitäntöihin suunniteltu Pmod-moduuli perustuu yhdelle sirulle integroituun 2,4 GHz RF-lähetin-vastaanottimeen ADF7242 (kuva 2). Moduulin avulla voidaan helposti ja nopeasti lisätä langaton liitäntä erilaisiin järjestelmiin. Toimintaetäisyys yltää 100 metriin asti ja datansiirron kaistaleveys enimmillään 250 kilobittiin sekunnissa, kun käytetään moduulikortin omaa antennia.

Kuva 2: Analog Devicesin kehittämän lähetin-vastaanotinpiirin ADF7242 lohkokaavio. Piirin avulla voidaan nopeasti ja helposti lisätä langaton liitäntä järjestelmään. Suurin etäisyys on 100 m ja kaistaleveys 250 kb/s, kun käytetään moduulikortin omaa antennia.

Tätä voidaan helposti täydentää yhdellä tai useammalla anturimoduulilla, DA-muuntimella tai AD-muuntimella, jotka isäntäohjaimeen liitettyinä voivat nopeasti muodostaa rakenteeltaan vankan IoT-sovellusratkaisun. Erilaisten sovellusmahdollisuuksien valikoima on miltei rajaton, sillä Pmod-standardin tarjoama pieni koko, vähäinen tehonkulutus ja edullinen hinta avaavat mahdollisuudet lukuisiin eri käyttökohteisiin. Näitä on tarjolla esimerkiksi teollisuuden ohjausjärjestelmissä, lääketieteellisissä laitteissa, lämmitys- ja ilmastointijärjestelmissä (HVAC), logistiikassa, varastonvalvonnassa ja monissa muissa sovelluskohteissa, joiden olosuhteita ja tapahtumia halutaan reaaliaikaisesti valvoa, tallentaa ja analysoida sekä välittää kerättyä tietoa eteenpäin. Anturien, datamuuntimien ja digitaalisen ohjauksen helppo integrointi on Pmod-formaatin keskeinen päämäärä.

Luovasti alkuun

Koska Pmod-määritykset keskittyvät alhaisiin taajuuksiin ja pieniin IO-nastamääriin, liitäntästandardi soveltuu täydelliseksi ratkaisuksi anturisolmuille, joiden lukumäärän ennustetaan huikeasti kasvavan IoT-kehityksen myötä. 6- ja 12-nastaisina versioina moduulin kokoonpano sisältää joko kaksi tai neljä tehonsyöttönastaa ja vastaavasti neljä tai kahdeksan signaalinastaa. Tämä sopii mainiosti yhden toiminnon moduuleille esimerkiksi datasignaalien keruuseen ja muunnoksiin.

Koska moduulit saavat tehonsa suoraan isäntäohjaimen piirilevyltä, joka tyypillisesti koostuu FPGA-piireistä, järjestelmään sisällytettyjen toimintojen lukumäärä voi olla yhtä joustava kuin itse liitäntäformaattikin. Ohjausvirtojen tulo/lähtö-kapasiteettia ei ole määritetty, vaan se riippuu itse ohjaimen kapasiteetista. Liitäntämoduulit voidaan kytkeä ohjaimeen suoraan tai enimmillään 45 sentin pituisin kaapelein, joten tarvittaessa anturit voidaan helposti sijoittaa hieman erilleen itse ohjainmoduulista.

Liitännän viestintäprotokollakin on joustava. Hyvä esimerkki on 3-akselinen MEMS-kiihtyvyysanturi PmodACL. Se perustuu ADXL345-piiriin, joka kykenee siirtämään mitattua dataa SPI-liitännän tai I2C-väylän kautta. Vaikka Pmod-standardi keskittyy alhaisiin taajuuksiin, se soveltuu vaativiinkin kohteisiin erityisesti silloin, kun mukana on useita antureita. Pienen koon ansiosta useita komponentteja on helppo liittää yhteen ja luoda täydellisiä alijärjestelmiä.

Tällainen on esimerkiksi CN0357-kaasuanturimoduuli (kuva 3). Yhdellä syöttöjännitteellä toimivassa pienikohinaisessa anturimoduulissa yhdistyvät Alphasensen häkäanturi CO-AX sekä ADI:n pienikohinainen operaatiovahvistinkaksikko ADA4528-2 ja ohjelmoitava säätövastus AD5270-20. Ohjelmoitavan säätövastuksen ansiosta voidaan nopeasti luoda prototyyppejä, koska useita eri kaasuanturityyppejä voidaan evaluoida muuttamatta fyysisesti mitään osia itse piirilevyllä.

Kuva 3: ADI:n kehittämä CN0357-moduuli on pienikohinainen, yhdellä syöttöjännitteellä toimiva myrkyllisten kaasujen ilmaisin. Se hyödyntää sähkökemiallista anturia sekä ohjelmoitavaa säätövastusta nopeiden protojen luomiseksi.

CN0322-moduuli on toinen esimerkki siitä, miten älykkäät anturit voivat helpottaa IoT-järjestelmien rakentamista. Kyseessä on Pmod-pohjainen magnetoresistiiviseen anturiin perustuva liitäntämoduuli, joka on tarkoitettu vaihteellisten koneiden pyörimisnopeuksien mittaamiseen. Anturin tuottama heikko differentiaalisignaali puskuroidaan ensin operaatiovahvistimella, minkä jälkeen se vahvistetaan ja muutetaan pulssitetuksi siniaalloksi.

Samaa formaattia sovelletaan myös esimerkiksi evaluointialustassa EVAL-CN0326-PMDZ. Kysymyksessä on täysin eristetty pienitehoinen pH-mittausanturi ja signaalinkäsittely- sekä digitointilaite. Suureen tarkkuuteen päästään automaattisella lämpötilan kompensoinnilla. Evaluointikortissa sovelletaan Analog Devicesin piirejä AD7793, AD8603 ja ADUM5401.

Modulaarisuus säästää resursseja

IoT-järjestelmien rakentaminen vaatii vahvempaa panostusta suunnittelutyöhön kuin koskaan aiemmin on elektroniikka-alalla koettu. Esineiden muodostama netti tulee kirjaimellisesti muuttamaan koko maailman, jossa elämme. Haasteeseen vastaaminen vaatii reilusti enemmän suunnitteluresursseja kuin tällä hetkellä on tarjolla, joten ainoa looginen ratkaisu on omaksua modulaarinen lähestymistapa järjestelmien suunnitteluun.

Laitevalmistajille on tarjolla monenlaisia suunnitteluformaatteja ja määrityksiä, mutta Pmod on todennäköisesti keskeisin standardi, joka soveltuu IoT-järjestelmien merkittävimpään osa-alueeseen eli anturisolmujen muodostamiin verkkoihin. Ottamalla avuksi monipuolisen FPGA-pohjaisen ohjainkortin, joka on yhteensopiva Pmod-määritysten kanssa, järjestelmien kehittäjät saavat käyttöönsä laajan valikoiman ratkaisuja, joiden avulla he voivat nopeasti, luotettavasti ja edullisesti vastata IoT-järjestelmien rakentamisen haasteisiin.

Artikkeli: Avnet Silica