物联网

意法半导体的ST1PS01降压转换器专门采用小尺寸和低静态电流设计,能够在负载的所有电流值下保持高能效,为始终工作的负载点电源和资产跟踪器、可穿戴设备、智能传感器、智能电表等物联网设备节省电能和空间。

新产品采用同步整流技术,在400mA满载时能效为92%;在输出电流仅为1​​mA时,能效为95%。省电设计功能将静态电流降至500nA以下,并包含一个低功耗基准电压电路。脉冲频率计数器控制轻负载时的转换器电流,两个高速比较器有助于最大限度地减少输出纹波。

新产品集成反馈回路补偿、软启动电路和功率开关,完成整个电路只需几个小尺寸的无源器件,从而为设备节省了电路板空间。典型电感值为2.2µH。此外,输出电压选择逻辑电路不仅可以节省外部电压设置组件,还支持在设备出厂前通过数字技术灵活配置模块,或者允许主机系统动态地更改输出电压。新稳压器总共八款产品,每款都有四种可供选择的输出电压设置,用户可选择3.3V至0.625V的稳压输出。所有型号都配有电源正常指示灯。

1.8V-5.5V的宽输入电压范围进一步提高了设计灵活性,用户可选用各种化学电池或只有一个锂电池的简单配置,并延长电池的续航时间。ST1PS01稳压器还是能量收集系统供电设备的理想选择,其低噪声架构可用于噪声敏感应用设计。

评估板STEVAL-1PS01EJR可帮助开发人员快速了解如何利用ST1PS01的高能效和集成功能。

ST1PS01稳压器现已量产,采用1.11mm x 1.41mm的 400μm间距倒装片封装。

了解更多信息,请访问www.st.com/st1ps01-pr或查看ST Voltage Regulator Finder手机应用(这款稳压器查找工具可在热门应用商店下载)。

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Semtech物联网总监 Vivek Mohan

2019年将进入借助采用特定物联网(IoT)技术的垂直集成解决方案来简化开发和大规模部署的一年。随着众多行业依靠物联网解决方案来解决其日常挑战,我们将开始看到多个发展趋势。在看过多个试点和概念验证项目(POC)由于各种原因没有扩展到大规模部署之后,我们将最终看到具有清晰投资回报(Rol)的、被大规模部署的应用案例。数据隐私、安全性、员工安全和不断演进的监管环境将推动诸如智能建筑和工厂等特定领域中的应用。

1.用于物联网的边缘计算解决方案日趋成熟,为中小型商业/中小企业细分市场带来了颇有吸引力的商业价值

由于安全性、延迟和其他考虑因素,物联网的商业模式将日趋显现,同时其财务价值将在边缘和局域部署中实现。边缘的人工智能(AI)和机器学习(ML)将针对制造、公共安全、供应链和物流等领域进行优化;物联网解决方案的业务主张将变得明确,并且它们将从效率提升中获得回报价值。

2. 针对特定应用和用例的垂直集成化端到端解决方案应运而生

提供端到端的运营商级解决方案将成为开发快速上市物联网解决方案以及提高应用采用率的关键。为了不让客户去多家公司采购各种技术(如芯片、云、设备管理等),公司将有能力去提供所有服务,以便加快应用的周期。在大型企业的数字化转型道路上,系统集成商将在物联网的引入方面扮演重要的提供者和加速器的角色。

3 . 借助线上电商和实体店对物联网技术的大量投资,零售业的颠覆过程仍将继续

那些一直投资于新技术的零售商,希望增加商店客流量并提供综合在线和店内体验,将继续评估和部署新兴的物联网解决方案。正如我们最近看到许多大型零售商倒闭一样,制定了物联网战略的现有和新参与者将占据市场份额。这些网络还将在诸如节能和合规等领域内被用于提升效率。合规性(食品安全、数据隐私、员工安全等)也将加速物联网解决方案的部署。

4 .在全球频谱分配实践中,随着一国家增加物联网专用新频段,将推动新用例的产生

此外,我们将在全球范围内看到用于物联网的新频段。随着物联网设备预期的快速增长和在未来几年中的采用,将需要一个能够支撑所有应用的新频段。政府机构将特别关注能够支撑其所支持那些设备和关键应用而需要的带宽。

5 . 在更好的成本点上实现了对物联网传感器和网络的安全性提升,将加速物联网的采用

安全性一直是业界的热门话题,尽管许多消费者(例如智能家居)没有完全理解安全性的价值而在做出选择时把方便性和成本放在高于安全性的位置。随着解决方案的成熟,以及业界在可承受的成本点上提供端到端的安全性,我们将看到在所有物联网细分市场中采用更安全的端点方案。通过供应商大量投资安全功能来实现其产品的差异化,工业物联网网络变得更加安全和坚固。隐私和数据相关的法律也将不断发展以推动采用。

6 . 诸如5G、NB-IoT、LoRa、Wi-Fi等无线技术的互补性将在特定的垂直领域和应用中显现

我们将开始看到技术的融合(如5G、Wi-Fi、BLE、LoRa)。随着许多传感器和应用场景使用多种无线技术,这种融合将从高带宽一直到低带宽都实现覆盖。这个趋势将涵盖从农场到工厂到智能城市应用的各种用例。

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意法半导体 STEVAL-FKI001V1 双射频开发套件支持低能耗蓝牙Bluetooth® Low Energy (BLE) 和Sub-1GHz并行无线通信,大幅提高物联网设备的设计、开发效率和连接灵活性,例如,通过各种网络拓扑、协议和服务实现配置、更新、远程监控和跟踪功能的智能传感器、探测器和跟踪器。

为了推动智能家居/智能建筑、资产跟踪、能源管理、智能农业和工业监控等领域开发者的更多创造力,STEVAL-FKI001V1开发板整合意法半导体的BlueNRG-1蓝牙系统芯片和S2-LP sub-1GHz收发器,性能强大的双射频架构支持各种无线电频段和通信协议同时运行,例如,低能耗蓝牙或专有2.4GHz、Sub-1GHz和Sigfox技术。

用户可以快速研发具有网状或点对点本地互连并支持灵活连接云端的智能物联网设备,例如,利用BLE低能耗蓝牙或Sub-1GHz创建本地无线传感器网络,然后通过本地网关或直接通过无处不在的无缝Sigfox网络将整个系统连接到云端,轻松创建一个便利的智能家居传感器生态系统,实现治安监控或远程监测用途,所有这些只需一个STEVAL-FKI001V1套件。

BlueNRG-1 Bluetooth 5.0认证解决方案在设备安装或维护过程中确保参数的设置、配置或修改简单方便,并准许用户通过Android或iOS设备应用程序监控传感器网络节点。

Sub-1GHz S2-LP收发器支持本地联网以及LPWAN组网,包括Sigfox全球连接,支持事件实时通知等功能。此外,用户还可以利用立即可用的Sigfox网络来跟踪和定位设备资产。

用户通过板上的Arduino™Uno V3连接器可以随时扩展套件功能,ST X-NUCLEO生态系统为开发者提供各种配套电路板,包括带有MEMS传感器、电机控制、GNSS接收器或工业输入/输出和电源驱动器的扩展板。

STEVAL-FKI001V1开发套件还完全兼容最近发布的BlueNRG-Tile板,让开发人员有机会进一步释放创造力,轻松构建端到端智能传感器解决方案,包括传感器节点、本地网关和全球云连接。

利用BlueNRG-1系统芯片的多功能接口和超低功耗的Arm®Cortex®-M0处理器内核以及256KB嵌入式程序存储器,用户可以连接所选的外部传感器并实时处理本地采集的数据。STEVAL-FKI001V1配有简单易用的SDK软件,可简化产品开发并缩短上市时间,同时保持系统的灵活性、伸缩性和可扩展性。事实上,该软件还可以与ST BlueNRG-Mesh软件包配合使用,在大规模安装的设备上创建大型网络。BLE连接支持固件空中下载更新。

STEVAL-FKI001V1基于Jorjin公司的即用型WS2118 RF双射频模块,为开发人员提供了一个方便的预先认证的解决方案,可以从早期的概念可行性设计阶段快速进入原型开发、现场试验和批量生产。这个可编程超低功耗射频模块具有灵活的电源管理和唤醒事件功能,一块小电池可使用多年。

现在用户可从意法半导体经销商或直接通过st.com购买STEVAL-FKI001V1开发套件。

详细信息访问 www.st.com/STEVAL-FKI001V1-pr

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嵌入式物联网(IoT)的六大硬件设计挑战

demi的头像

在开发嵌入式物联网设备时,硬件设计被视为物联网产品成功的关键组成部分。为了确保嵌入式物联网产品满足所需功能,功耗低、安全可靠,嵌入式物联网设备制造商在这些设备的硬件设计阶段面临许多挑战。随着物联网的出现,由于连接设备的快速发展,嵌入式系统市场出现了大幅增长。

嵌入式系统在物联网中的作用

物联网(IoT)被定义为一个过程,其中对象配备有涉及硬件板设计和开发的传感器,执行器和处理器,软件系统,Web API和协议,它们共同创建了嵌入式系统的连接环境。这种连接环境允许技术跨多个设备,平台和网络连接,创建一个通信网络,彻底改变我们与世界进行数字交互的方式。例如与我们的环境,社区和家庭的互动和行为,甚至与我们自己的身体。

我们周围的嵌入式系统采用商业系统的形式,如自动售货机,智能信息亭,AC控制器,联网汽车,酒店票据打印机等,它们能够执行独特的各种操作。因此,在设计这些嵌入式物联网系统时,需要针对特定​​功能进行设计,具有良好的产品设计质量,如低功耗,安全架构,可靠的处理器等。但是,设计嵌入式物联网硬件系统不简单。

在嵌入式系统上运行应用程序缺乏必要的灵活性

SAM R34/35器件具有行业领先的低功耗性能,在延长系统电池寿命的同时实现远距离无线连接

LoRa®(远距离)技术结合远距离无线连接功能和低功耗性能,扩大物联网(IoT)的覆盖范围。为了加快LoRa连网解决方案的发展,Microchip Technology Inc.(美国微芯科技公司)推出高度集成的LoRa系统封装(SiP)系列,该器件采用超低功耗32位单片机(MCU)、sub-GHz射频LoRa收发器和软件协议栈。SAM R34/35 SiP带来经过认证的参考设计和经过证明的互操作性,兼容主要的LoRaWAN™网关和网络供应商,大大简化了硬件、软件和支持的整个开发流程。该器件还提供业内最低的休眠功耗,延长了远程物联网节点的电池寿命。

大部分LoRa终端设备会在更长时间内保持休眠模式,只会在传输小型数据包时偶尔唤醒。SAM R34器件采用基于SAM L21 Arm® Cortex®-M0+的超低功耗MCU,休眠模式下功耗低至790 nA,显著降低了最终应用的功耗并延长电池寿命。对于要求小外形尺寸设计和多年电池寿命的各种远距离、低功耗物联网应用,高度集成并采用6 x 6 mm紧凑封装的SAM R34/35系列是理想选择。

除了超低功耗,简化的开发流程还让开发人员能够将其应用代码与Microchip的LoRaWAN协议栈结合在一起,加快设计速度,同时利用受Atmel Studio 7软件开发工具包(SDK)支持的ATSAMR34-XPRO开发板(DM320111)快速开始原型设计。该开发板获得联邦通信委员会(FCC)、加拿大工业部(IC)和无线电设备指令(RED)认证,开发人员可以确保他们的设计符合各个国家的政府要求。

LoRa技术旨在让低功耗应用利用LoRaWAN开放协议获得比Zigbee®、Wi-Fi®和蓝牙®更大的通信范围。LoRaWAN非常适合智慧城市、农情监测和供应链跟踪等大量应用,它让创建在城市和农村环境中均可运行的灵活物联网网络成为可能。据LoRa Alliance™统计,过去12个月LoRaWAN运营商的数量从40个攀升到80个,100多个国家/地区在积极开发LoRaWAN网络。

Microchip无线解决方案业务部副总裁Steve Caldwell表示:“LoRa生态系统正在进入加速发展阶段,作为LoRa Alliance的创始成员,Microchip在这项技术取得成功的过程中一直发挥着重要的推动作用。SAM R34很好地诠释了Microchip依旧是小型低功耗器件的一站式供应商,可向客户提供免费软件、卓越支持和可靠供货。”

SAM R34/35系列受Microchip的LoRaWAN协议栈支持,采用获得认证且久经考验的芯片级封装,让客户能够加快射频应用的设计速度,而且风险更低。借助对全球862至1020 MHz范围LoRaWAN运行的支持,开发人员可以在全世界范围内使用同一器件型号,从而简化设计流程并降低库存压力。SAM R34/35系列支持A级和C级终端设备,以及专属点到点连接。

供货

Microchip的SAM R34/35 LoRa系列提供六种器件型号,开发人员可以根据自己的最终应用灵活选择最佳的内存和外设组合。系列中包括采用64引脚TFBGA封装的SAM R34器件和无USB接口的SAM R35器件。

欲了解更多信息,请联系Microchip销售代表或全球授权分销商,也可访问Microchip官网。欲购买文中提及产品,可登录Microchip在线采购平台( http://www.microchipdirect.com/ )或联系Microchip授权分销伙伴。

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根据市场研究公司IHS表示,针对连网汽车、可穿戴电子设备、建筑物自动化以及其他有关物联网(IoT)应用的全球微控制器(MCU)市场预计将以11%的复合年成长率(CAGR)成长,从2014年的17亿美元增加到2019年时达到28亿美元的市场规模。

同时,在2019年以前,整体MCU市场预计将以4%的CAGR微幅成长。

“有些人仍认为只是市场炒作的新兴IoT发展趋势,其实已经开始袭卷整个MCU市场了,”IHS Technology资深分析师Tom Hackenberg表示:“事实上,如果少了IoT应用成长的影响,MCU市场将会在未来10年停滞不前。”

根据最新的微控制器市场追踪报告显示,IoT包括现有的网际网路协议(IP)可定址设备以及连网的电子产品。IoT和“万物联网” (Internet of everything;IoE)的定义不同,因为在IoE中,甚至是未连网的电子产品与未连接的物件都可能出现在网路上。

IHS将IoT市场划分为三个不同的类型:控制器,如PC与智能手机;基础架构,如路由器与伺服器;以及节点,包括闭路电视(CCTB)摄影机、交通号志与电器等。“每一种类型都为硬件、软件与服务供廧商带来了独特的机会,”Hackenberg说。

物联网的发展趋势与MCU市场的关系密不可分

“物联网的发展趋势与MCU市场的关系密不可分,无论是连接用的小型节点、收集与记录资料的感测器中枢,主要都以MCU平台为基础,”Hackenberg表 示。“最慎重的MCU供应商正密切关注数十亿台连网设备的IoT最新发展;然而,由于IoT是一种概念性的趋势,而不是一种设备、应用或甚至是新功能,因 此,业界目前的挑战在于如何量化这些新机会。”

由于物联网的连接性需要半导体特性的新思考方向,许多半导体公司开始开发IoT平台解决方案,而其他公司则重新组织IoT部门,以因应真正的机会。

这在MCU市场尤其如此。目前聚焦于IoT策略的半导体供应商包括爱特梅尔(Atmel)、博通(Broadcom)、思科(Cisco Systems)、飞思卡尔半导体(Freescale Semiconductor)、英飞凌(Infineon Technologies)、英特尔(Intel)、美光科技(Microchip Technologies)、恩智浦(NXP )、高通(Qualcomm)、瑞萨电子(Renesas Electronics)与德州仪器(Texas Instruments;TI)。

“物联网是一个笼统的名语,它着眼于许多不同应用中广泛的硬件、软件与服务等机会,”Hackenberg说,“因此,供应商必须专注于其目标市场,并集中精力于所投入的市场特定价值。”

来源:电子发烧友网

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-基于Silicon Labs Gecko微控制器的采用Digi XBee预认证调制解调器提供LPWAN连接的开发套件-

Silicon Labs日前推出采用Digi International Digi XBee3™ 预认证蜂窝调制解调器的全新LTE-M扩展套件,可为电池供电的物联网设备提供超低功耗、远程的无线连接。LTE-M扩展套件与Silicon Labs的EFM32 Giant Gecko 11入门套件配合使用,可简化并加速网关和终端设备的开发过程,这些终端设备通常运行在深度休眠模式,并且需要长电池使用寿命。该解决方案非常适用于农业、资产跟踪、智能能源和智能城市等物联网应用。

Silicon Labs高级副总裁兼物联网产品高级总经理Matt Johnson表示:“Silicon Labs和Digi International共同致力于采用一流的物联网和M2M技术,将人、网络和‘物’连接起来。我们与Digi International合作提供灵活的LTE-M蜂窝网络连接功能,能部署远程、随时可用的云连接应用。”

Digi International产品管理总监Mark Tekippe表示:“合作开发的LTE-M扩展套件与Silicon Labs的MCU入门套件配合使用,可快速实现蜂窝物联网连接并且避免昂贵的蜂窝设备认证,从而加速开发。Digi XBee3蜂窝调制解调器和Silicon Labs Gecko MCU是实现超低功耗云连接产品的理想组合。预认证的Digi XBee3蜂窝调制解调器易于配置,可通过LTE-M和NB-IoT网络提供安全、灵活的开箱即用型连接。”

J. Brehm&Associates的物联网战略负责人Mike Krell补充道:“对于需要长电池使用寿命、有LTE级别可靠性和低延迟的LPWAN应用来说,LTE-M是一个极好的选择。LTE-M与现有的LTE网络兼容,并且将与未来的5G技术共存。这些提供易于使用的开发工具来加速LTE-M解决方案的供应商,将在蜂窝物联网市场增长时获得先机。”

开发人员可以利用LTE-M扩展套件的开发工具,包括Digi Remote Manager®、Silicon Labs Energy Profiler和预烧录的演示程序,快速提供优化的LTE-M产品。通过AT&T和Verizon蜂窝网络认证的Digi XBee3调制解调器与节能型EFM32微控制器(MCU)相结合,开发人员可凭借这一移动物联网开发工具包设计先进的、低功耗广域网(LPWAN)连接产品。

灵活易用的一体化套件

  •   通过FCC和运营商终端设备认证的Digi XBee3 LTE-M调制解调器
  •   Giant Gecko 11 MCU入门套件,即用型MCU套件开发工具和演示
  •   通用Digi XBee®系列,可轻松迁移到NB-IoT
  •   Digi XBee API框架,MicroPython和XCTU®软件工具,可简化开发
  •   Digi TrustFence®,集成的设备安全、身份识别和数据隐私保护
  •   Digi Remote Manager®,用于无线设备配置和固件更新
  •   MCU示例代码可轻松从Giant Gecko 11迁移到其他Silicon Labs低功耗EFM32 MCU和EFR32无线Gecko SoC和模块

价格与供货

Silicon Labs的LTE-M扩展套件和EFM32 Giant Gecko 11入门套件(SLSTK3701A)现已上市,售价均为99美元。SLSTK3701A套件为开发者熟悉Giant Gecko MCU提供了极好的起点。要了解有关LTE-M扩展套件和Giant Gecko入门套件的更多信息,请浏览网站:silabs.com/lte-m。

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Strategy Analytics物联网战略研究服务发布的最新研究报告指出,2025年物联网蜂窝设备销售将转变为5G作为主要的空中接口。Strategy Analytics的研究显示,而2017年SimCom和Quectel占据了模块市场的主导地位。

Strategy Analytics预测,4G物联网模块的销量将在三年内达到峰值,5G模块的销售将在2019年缓慢开始;2024是一个关键转折点,因为5G模块销量将超过4G模块。 在整个预测期内,汽车垂直市场将成为物联网蜂窝模块的最大单一消费市场,但到2025年将大幅增加其市场份额。

SimCom是2017年蜂窝物联网模块的全球市场领导者,由于中国市场的推动,其表现明显高于2016年。 Quectel取代Sierra Wireless成为排名第二的供应商,在过去几年中迅速扩张。

Strategy Analytics企业和物联网研究执行总监Andrew Brown表示:“5G的低延迟/高带宽优势将创造更多物联网需要近瞬时通信的用例;同时5G调制解调器预计的10年电池续航能力将允许mMTC(大规模机器类通信),这潜在的使5G调制解调器的寿命与应用程序相匹配。 当然,增长取决于5G网络部署的临界质量,并且在许多情况下,低功耗4G技术(例如LTE Cat M和NB IoT)在中期仍将是完全足够的,而中国供应商的主导和在中国大量的2G部署表明,2G消失的传言一直以来被夸大了。”

Strategy Analytics物联网研究服务高级分析师Matt Wilkins补充说:“蜂窝物联网模块空中接口的不断变化的风格只是终端用户群体在部署物联网时必须面对的挑战之一。 然而,5G的网络切片优势,例如适用于低带宽和高带宽应用,将使5G变得越来越重要。”

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杭州中天微系统有限公司(阿里巴巴全资收购)宣布正式推出支持RISC-V第三代指令系统架构处理器CK902,可灵活配置TEE引擎,支持物联网安全功能。中天微将以此为新的契机,在RISC-V应用领域中进行全方位的系列化CPU布局与市场开发。

近年来国内对支持RISC-V的CPU处理器一直处于摸索阶段,行业内外对RISC-V处理器的问世愈加期盼。在此时间节点上,中天微正式推出基于RISC-V的第三代C-SKY指令架构,同时发布第一个32位低功耗CK902处理器。并将针对不同的产品应用场景,持续推出支持RISC-V的CPU IP系列,在丰富中天微的产品系列的同时也为行业内客户提供更多更灵活的CPU IP选择。

中天微RISC-V处理器不仅能够实现芯片差异化、多样化设计,同时秉持发展普惠性产品的路线,帮助客户降低产品研发成本。对于热切关注RISC-V架构的发展、希望通过RISC-V架构的处理器进行产品设计的用户,中天微RISC-V处理器将带来重要的意义。

重大发布!中天微发布全球首款支持物联网安全的RISC-V处理器

CK902特点

技术特征:

  •   RISC-V全兼容,RV32-ECM指令集;
  •   16个32b GPR;
  •   支持机器模式权限(machine only)
  •   2级精简流水线,IF/EX
  •   哈佛总线架构;
  •   紧耦合IP,包括计时器、矢量中断控制器组件;
  •   极简调试模块,支持片上硬件调试;
  •   可配置指令cache;
  •   可配置TEE引擎

技术优势:

  •   成熟的扩展指令集
  •   成熟精简的架构
  •   支持TEE安全引擎
  •   成熟稳定的工具链及开发工具
  •   软件自主生态支持
  •   强大的国内自主研发团队
  •   高效的技术支持服务
  •   具有大规模量产经验
  •   DesignKit SoC参考设计平台
  •   成熟可靠的仿真验证环境

持续地深耕和演进让中天微拥有完整的低功耗高性能嵌入式CPU IP的一体化解决方案,作为国内唯一一家实现大规模量产的CPU IP厂商,截至目前,基于C-SKY CPU IP核的SoC芯片累计出货量已经突破8亿颗。此次发布的RISC-V处理器将满足各领域客户的不同设计需求,并将极大助力RISC-V开源生态建设。

同时中天微自主研发的第二代指令系统架构也将持续更新迭代,协助客户将产品更快速的推向市场,争取赢得更多市场份额。中天微将携手更多的行业客户与合作伙伴共同发展RISC-V的技术、市场与生态联盟,持续推动RISC-V在技术上的不断演进,并以此对社区做出更大的贡献。

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几十年来,远程控制节点的基本架构都是由控制器、传感器、本地存储器、网络连接接口和电池组成的。这一架构被广泛应用于实际操作所控制的系统中。在工业自动化系统中,控制器以不同速率监控多个传感器,将已标记时间的传感器数据保存在本地或扩展存储器内,然后通过ProfiBus等工业标准总线传输数据。在高级驾驶辅助系统(ADAS)或车辆事件记录器(EDR)中,多个MCU能够同时采集、控制汽车电子系统的数据,从而提供优质的驾驶体验与无故障的数据保障。医疗系统也有类似的应用:通过传感器获得的关键患者数据,将被存储在本地,或者定期上传进行集中存储。

这些系统都在试图解决数据采集、关键数据存储以及基于数据分析采取相应行动过程中的核心和基础问题。但是,不同系统解决问题的侧重点也有所不同。工业系统倾向于在很短的时间间隔内,从众多不同的传感器中采集海量数据,同时必须在本地和远程留存详细的日志记录。汽车系统数据生成速率较低,但数据重要性高。在某些情况下,数据的丢失或将会威胁驾乘人员的生命安全。大多数汽车的使用寿命都超过十年,因此在选择存储器时,其使用寿命与可靠性便成为了十分重要的考量标准。便携式医疗系统在选择理想的数据存储时,则注重功耗的表现。由于植入式医疗器械、助听器等设备都是由电池进行驱动,因此它们更倾向于选择能耗低同时数据存储精确度高的存储器。兼具长期可靠性和低能耗的无故障数据存储,往往成为系统设计师选择存储产品的重大挑战。

随着物联网的逐步兴起,所有设备都开始通过网络实现互联。保守估计,2020年将有100亿台设备实现联网,其中包括汽车、工业自动化设备、植入式医疗器械、可穿戴设备和智能家居等新一代产品。下一代5G网络已经开始在某些地区部署并有望承担上述设备产生的大部分流量。但是,数据科学家和系统设计师仍有几个尚未解决的问题:哪些设备需要与云连接?需要传播多少信息?有多少信息能在本地处理?谁来支付云的费用?

一个方案是把所有信息都上传到云,远程对信息进行处理。但这一方案只适用于规模小而分散的系统。随着世界互联的程度不断提高,将会有大量甚至过剩的系统进行信息的上传,在这样的情况下我们需要考虑网络和本地两种存储和处理的成本差异。在行驶过程中,一辆自动驾驶汽车每小时将会生成数G的数据。因此为了预测未来的需求,我们现在必须决定哪些信息需要实时传送、哪些可以在本地存储,从而日后再进行压缩传送。工业和医疗领域的系统设计师面临着同样的问题。在“工业4.0”的进程中,“上传所有数据到云”的方式正在逐步转变成为“本地处理,智能上传”的方式。因此,如何选择最好的本地数据存储对未来的系统发展极为重要。

为了保存重要数据,这些系统均需要高可靠、低能耗、高安全性的存储器。一个方法是使用现有的闪存来记录数据。闪存技术具有高效读取的能力,因此已经被广泛用于启动代码和固件的存储。对于现有系统的设备,在执行写入操作时,设计师无需了解闪存的技术限制,即可使用闪存来记录数据。闪存单元只有在事先已被擦除的情况下才能存储新数据。对闪存单元进行编程时,可将逻辑值由“1”变为“0”。在下一次升级中,如果存储单元需要保持逻辑值“1”,就需要擦除数据。为了加快擦除速度、缩短程序时间,闪存制造商设计了各种页、块和扇区架构。页是能够一次编程写入闪存的最小数据存储单位。闪存设备设有内部的页容量缓冲区,用于临时数据存储。当外部接口的数据传输完成时,设备将立即对主阵列中被擦除的页执行页程序。如果该页包含旧数据,则必须在程序启动前予以擦除。每次执行擦除时,闪存单元都会退化。这一现象通常作为在闪存的耐久性指标进行量化记录。耐久性最好的闪存设备一般可以承受10万次的擦除程序循环,在达到这一限值后将无法保证存储的稳定性。尽管这一数字看起来很巨大,但这一数字甚至连低端的数据记录系统的需求都很难满足。

某些制造商则采用字节编程,并且把编程由缓冲区推到闪存进行。尽管这一设计可以简化设备内的程序运行,但却不能使闪存摆脱潜在的耐久性限制。为了抵消上述限制,系统设计师被迫采用一种复杂的文件系统来保证闪存单元的耗损均衡(wear levelling)。文件系统的软件会减缓系统的运行速度。

设想一种情况,设计师考虑使用一种基于闪存的存储器来记录数据。在工业自动化和资产管理系统中,传感器节点会以每秒数次的速度抓取数据,并定期对各种传感器进行取样,然后整理数据包上传网络。一般来说,数据包的取样数从16字节到128字节不等。由于停电的风险不可能完全避免,为了防止数据丢失,设计师使用非易失性存储器来存储数据。振动传感器或步进电机位置传感器每几毫秒都会发送脉冲式数据,而温度或湿度传感器则每隔几秒才发送一次数据,数据包则存储众多传感器的数据。

未来物联网系统中的无故障数据存储

下表为数据包容量与取样率的比较分析,以及数据记录时耗损闪存的规律。分析使用了10万次耐久循环的8兆闪存
未来物联网系统中的无故障数据存储

以下图表对这一数据进行了明确解读。我们发现,对于每1毫秒记录8-16字节数据的低端系统,8兆闪存会在5年内损耗。但是,汽车或工业系统的损耗期限应当超过10年。
未来物联网系统中的无故障数据存储

如果采用简单增加闪存这种低成本、高风险的的方式,则需要复杂的文件系统对损耗均衡进行管理。如果没有部署文件系统,系统则需要在替换整个存储器之后,定期执行芯片擦除循环。在今天的物联网世界中,随着数据采集终端的持续激增,这一问题正在不断恶化。对于存储产品寿命期内写入循环次数不超过1000次的启动代码和固件程序来说,基于闪存的存储器是非常合适的。解决这种数据记录问题的一个理想方法是:使用高耐久性和非易失性的存储器,它们不会由于程序和擦除的延迟而造成数据风险。F-RAM具备承受高达1014次擦除循环的耐久性,具备瞬间非易失性,且无需编程和擦除操作,实时存储进入设备接口的所有数据。例如,一个4兆的 F-RAM存储能够在每10微秒处理128字节的数据流,在1000多年的时间内都不会损耗完毕。

F-RAM存储器单元只有在写入或读取时才会耗电,待机能耗只有几微安培,因此F-RAM是那些依仗电池驱动产品的最佳解决方案。F-RAM适用于对能耗要求较高的助听器和用于心率采样的高端可穿戴医疗设备。此外,汽车系统中的数据会持续不断地了录入存储器,基于闪存的系统无法在闪存“编程”期间抓取数据。只有基于F-RAM的数据存储,可以为该系统提供高可靠性。

作者:Nilesh Badodekar
来源:
电子技术设计

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