Page 1

MILJOONA AALTOMUOTOA SEKUNNISSA

2/2021

KOMPONENTIT - SALAUS - PAIKANNUS - DATANKERUU - MITTAUS

NÄIN VALITSET LINUXIN OIKEIN

PAIKANNA TARKASTI BLUETOOTHILLA

PRIVAATTIVERKOLLA TEHDAS 5G-AIKAAN

TARKKAA DATAA MIKROMODUULILLA


MPLAB® Cloud Tools Ecosystem ®

and AVR®

and complete source code projects

The Microchip name and logo, the Microchip logo, AVR, MPLAB and PIC are registered trademarks of Microchip Technology Incorporated in the U.S.A. and other countries. All other trademarks are the property of their registered owners. © 2021 Microchip Technology Inc. All rights reserved. DS50003138A. MEC2381A-UK-07-21

Page 2

ETNdigi - 2/2021


Koronapandemia näyttää onneksi hellittävän hieman. Elektroniikka-alalla sen vaikutukset ulottuvat kuitenkin pitkälle ensi vuoteen. Tähän on syynä ennen kaikkea laajasti eri aloja vaivaava komponenttipula ja toimitusvaikeudet. Jopa Nokian toimitusjohtaja Pekka Lundmark valitteli komponenttipulaa osavuosikatsauksen yhteydessä lokakuun lopulla. VW-konsernin mukaan pula rokotti erityisesti kansansuosikkien eli Seatin, Volkswagenin ja Skodan toimituksia. Tehtaita on jopa jouduttu väliaikaisesti sulkemaan, kun linjoilta puuttuu tavaraa. Autoalaa seuraava Alix Partners arvioi, että tuotantovaikeudet vievät tänä vuonna autonvalmistajilta 210 miljardin dollarin tulot. Summa on jättimäinen ja voi osaltaan hidastaa jopa autoilun sähköistymistä. Samaan aikaan kun monella puolijohdevalmistajalla on vaikeuksia toimittaa tuotteitaan ja odotusajat venyvät useiksi kuukausiksi, elektroniikan kysyntä on ennätyskorkealla. Kapasiteettiongelmiin ei ole nopeaa ratkaisua. Uusien puolijohdetehtaiden rakentaminen vie vuosia ja maksaa miljardeja dollareita. Uusimpaan prosessiteknologiaan keskittyvien tehtaiden hinta on 5-10 miljardia dollaria. Lisäksi uusia tehtaita ei uskalleta rakentaa, jos ennuste lupaa vain 70 prosentin käyttöastetta. Puolijohdevalmistus on maailman vaativin tuotantoalue, jossa bitin hinta halpenee puolella joka vuosi. Voittojen tekeminen edellyttää, että tehdas on käynnissä koko ajan. SEMI-järjestön mukaan tänä vuonna on alkanut lähes kahdenkymmenen uuden sirutehtaan valmistus. Ensi vuonna peruskivi muurataan ainakin kymmenessä muussa tehtaassa. Näistä ilmoitetuista tai jo alkaneista rakennusprojekteista joka kymmenes on Euroopassa, mikä on hyvä asia eurooppalaisen sirutuotannon kannalta. - Veijo Ojanperä ETN, päätoimittaja

ETNdigi päätoimittaja Veijo Ojanperä vo@etn.fi +358-407072530 myyntipäällikkö Anne-Charlotte Sparrvik +46-734171099 ac@etn.fi Ilmoitushinnat: etn.fi/advertise ETNdigi on ETN:n digitaalinen erikoislehti. Lehti julkaistaan 2-3 kertaa vuodessa eri teemoihin keskittyen. ETN (www.etn.fi) on suomalainen elektroniikan, tietoliikenteen, nanotekniikan ja muun huipputekniikan päivittäinen uutispalvelu. Sivustoltamme löytyy uutisten lisäksi yritysten kanssa yhteistyössä toteutettuja teknisiä artikkeleita. ETN järjestää vuosittain Suomen ainoan itsenäisen sulautetun tekniikan konferenssin. Kahden koronavuoden jälkeen Embedded Conference Finland eli ECF22 järjestetään seuraavan kerran toukokuussa 2022. Lisätietoa löytyy osoitteesta www.embeddedconference.fi Helpoin tapa päästä mukaan uutis- ja tapahtumavirtaan on tilata ilmainen uutiskirjeemme osoitteessa at etn.fi/tilaa. Kannen kuvat: Siemens, Rohde & Schwarz

ETNdigi - 2/2021

Page 3


Embedded Conference Finland will be organised for the 4th time in May, 2022. Last time, before the pandemic we had more than 250 attendees enjoying a very strong technical program. You can find the ECF19 presentations on the event website at embeddedconference.fi. The keynotes and a selection of presentations can also be seen as video on the ETNtv Youtube channel. All vital information will be posted on the event website. As before, attending the conference will be free of charge. The registration for ECF22 will be opened in the beginning of 2022.

For more information see

www.embeddedconference.fi To book a table top or ask for sponsor packages please contact ETN editor-in-chief Veijo Ojanperä vo@etn.fi +358-407072530 or Sales Manager Anne-Charlotte Sparrvik ac@etn.fi +46-734171099

Page 4

ETNdigi - 2/2021


SISÄLTÖ 2/2021

6-13 UUTISET

• Kännykän tietoturva menee uusiksi

15-17

• Tampereella valmistuu Suomen vaativin piirisuunnittelu

POLTTOPISTEESSÄ • Miljoona aaltomuotoa sekunnissa

• Siemens mullistaa jättipiirien tehoanalyysin

• Kestävään kehitykseen uudella tehoelektroniikalla

18 KUINKA VALITA SOPIVA LINUX?

PRIVAATTIVERKOLLA TEHDAS 5G-AIKAAN

BLUETOOTH PAIKANTAA TARKASTI SISÄLLÄ

26

22

30

38 AZURE RTOS TUO PALJON LISÄÄ 32-BITTISIIN

MIKROMODUULILLA DATA TALTEEN TARKASTI

ETNdigi - 2/2021

40

PIENIKIN OHJAIN VOI RIITTÄÄ

Page 5


UUTISET

KÄNNYKÖIDEN TIETOTURVA MENEE UUSIKSI Jan-Erik Ekberg johtaa Huawein HSSLeli järjestelmäturvallisuuden laboratoriota (Helsinki System Security Lab) Helsingissä. Hänen mukaansa älypuhelimien tietoturvan tämän hetken standardiratkaisu syntyi Arm:n TrustZonetekniikan myötä. Useimmissa puhelimissa on turvallinen suojattu TEE-osio, jossa voi säilyttää esimerkiksi pankkikorttitietoja. Käytännössä kyse on rinnakkaisesta kernelistä, joista toinen on suojattu ja tarkoitettu vain tietoturvallisten prosessien käyttöön. - Puhelimen oma tietoturva lähtee TEE:stä. Turvakäynnistys eli secure boot yleensä sisällyttää TEE:n, mutta TEE myös auttaa turvakäynnistyksen ylläpitämisessä, Ekberg kuvaa. Viime vuosina tämä kuva on alkanut monipuolistua. Lähinnä Google on lanseerannut keystone-tekniikan, jossa sovellus voi luoda järjestelmän ylläpitämän avaimen, ja jolla voidaan

Page 6

autentikoida palveluja. Myös nämä on toteutettu TEE-osiossa. Älypuhelimen tietoturvan mullistus tulee kuitenkin palvelinpuolelta.

jonka voisi murtaa. Kun ei ole toista rinnakkaista kerneliä, on yksi komponentti vähemmän, jota vastaan hyökätä, Ekberg selventää.

Intel esitteli viitisen vuotta sitten SGXtekniikan, joka tarkoittaa yksinkertaisesti CPU-piirille lisättyjä tietoturvan laajennuskäskyjä. - Tässä ratkaisussa TEE:n virkaa toimittaa secure enclave eli eristetty turvallinen muistialue. Iso ero TEE-rakenteeseen on siinä, että tällainen enklaavi on koodimäärältään pienempi, Ekberg selventää.

Hän näkee, että tällainen enclavetyylinen ratkaisu rakennelma tulee myös päätelaitteisiin. – Esimerkiksi viime vuonna esitelty Armv9-A-arkkitehtuuri tarjoaa realm-moodia, joka on hyvin lähellä niitä tekniikoita, joita tarjotaan palvelinpuolella.

Enklaavi on väliaikainen rakennelma laitteen muistissa. Se muodostuu ainoastaan suojausprosesseja varten ja poistuu, kun on tehnyt tehtävänsä. Ero on merkittävä TEE-rakenteeseen, jossa käyttöjärjestelmän rinnalla pyörii koko ajan toinen kernel.

Käytännössä enklaavissa on kyse laitepohjaisesta virtualisointikerroksesta, jolla voidaan eri komponentteja laittaa ajamaan rinnan, mutta yhdistettynä muistin salaukseen. - Kun jokaisen rinnakkain toimivan komponentin muisti salataan laitteistotasolla, saadaan sama lopputulos kuin TEE:ssä muistipalomuureilla, mutta paljon dynaamisemmin.

- Kun enklaaviin viedään logiikkaa, on hyökkääjille samalla vähemmän softaa,

Intelin SGX:ssä enklaavit toteutettiin välimuistin kautta, mikä rajoitti niiden

ETNdigi - 2/2021


Älypuhelimissa tietoturva on hoidettu jo yli kymmenen vuoden ajan niin, että luotettu prosessointi tehdään laitteen muistin TEE-osiossa (Trusted Execution Environment). Nyt käynnissä on murros. Tulevaisuudessa esimerkiksi salausavaimet tallennetaan eristettyyn muistialueeseen eli enklaaviin. Tekniikka on tuttua esimerkiksi palvelimista.

käyttöä. Tätä rajoitusta Intel on pyrkinyt korjaamaan uudemmalla TDX-tekniikalla (Trust Domain Extensions). Samaan pyrkii AMD omalla SEV-tekniikallaan (Secure Encrypted Virtualization). Nämä perustuvat salaukseen, jolloin rajoitus tulee enää laitteiston kokonaismuistista, ei välimuistin koosta. Ekberg muistuttaa, että hän katsoo mobiililaitteiden tietoturvaa pitkälti tutkijan näkökulmasta. - Mobiiliekosysteemissä TEE on niin syvään juurtunut, että murroksessa menee varmaan viitisen vuotta. Sen jälkeen jonkin aikaa TEE ja dynaamisemmat ratkaisut ovat markkinoilla rinnakkain. TEE on ollut älypuhelimissa elegantti ratkaisu, vaikka se onkin jäämässä vanhanaikaiseksi. Sen nousuun laitteiden de facto -tietoturvastandardiksi perustuu osin historiaan ja tuonaikaisiiin

ETNdigi - 2/2021

kännykkäpiireihin. - Kun Arm TrustZone kehitettiin 15 vuotta sitten, ei mobiilipiireissä ollut 2-vaiheista virtuaalimuistia. Oli vain yksi virtuaalimuisti sovellusten ja kernelin välillä, ja jos tällaisessa ympäristössä halutaan tehdä laitetasolla eristys, ei ole oikeastaan muuta tapaa kuin tehdä toinen samanlainen ympäristö rinnalle. Tämän jälkeen monivaiheinen virtualisointikerros on pikku hiljaa levinnyt Intelin prosessoreista myös Arm-piireille, jolloin tarve ajaa rinnakkain kahta kerneliä on hävinnyt. Tulevien enklaavien myötä käyttöön saadaan periaatteessa ääretön määrä turvattuja ympäristöjä. ENTÄPÄ IOT-LAITTEIDEN TIETOTURVA? Maailmassa on miljardeja älypuhelimia, mutta verkkoon liitettyjä IoT-laitteita vielä monin verroin enemmän. Monen mielestä

ne ovat vielä puhelimia paljon suurempi tietoturvariski. Osin tämä perustuu siihen, että TEE:n vaatimaa muistia ei yksinkertaisesti ole pienissä ohjainpiireissä. - Valmistajat on kyllä mainostaneet turvakäynnistystä ja muistin salausta tai flashin salausta, mutta ne ovat olleet aika heikkoja ratkaisuja. Viime aikoina Arm:n TrustZone M on tuonut uutta tietoturvamallia ohjaimiin. Näillä piireillä laitteistoon voidaan rakentaa TEE-osioita. - Arm TrustZone-M:llä on myös vaikea ajaa täyttä kerneliä, vaan se on enemmänkin laitetason eristys yksittäisille funktioille. Tämä sopii hyvin pieniin prosessoreihin, koska tietoturvatarpeet on lähinnä laiteohjelmiston päivitystä ja laitteen autentikointia. Siellä ei tarvita jatkuvasti pyörivää rinnakkaista kerneliä, Ekberg päättää.

Page 7


UUTISET

LISÄÄ TEHOA PIENIMPÄÄN RASPBERRY PI -KORTTIIN Farnell on alkanut myymään toisen polven Raspberry Pi Zero -korttia. Zero 2 W nostaa kortin suorituskyvyn noin viisinkertaiseksi. Zeron ongelma on ollut se, ettei prosessoria ole voitu kasvattaa suuremmaksi. Zero 2 W:n kohdalla prosessorille suunniteltiin oma kustomoitu kotelointi RP3A0. Lue lisää etn.fi/12763.

Tampereella valmistuu pian RISC-V-pohjainen IoT-järjestelmäpiiri

UUSI KOODEKKI LISÄÄ KÄYTTÖAIKAA KORVANAPEILLE EDA-talo Cadencen uusi DSP-piiri tukee Bluetooth-standardiin hyväksyttyä vähävirtaista LC3-koodekkia, joka tekee nyt tuloaan laitteisiin. LC3- ja LC3+-koodekit on nyt optimoitu Cadencen HiFi 1 -signaaliprosessorille. Edeltävään HiFi 3 -piiriin verrattuna uutuus vie piillä 11-16 prosenttia vähemmän tilaa, prosessoi ääntä yli18 prosenttia nopeammin ja pienentää energiankulutusta 14 prosenttia LC3koodauksessa. Lue lisää etn.fi/12764.

MINI-UPS VARMISTAA VERKKOYHTEYDET KOTONA Eatonin uusi 3S Mini on pienikokoinen UPS, joka pitää reitittimen käynnissä ja Teamsyhteyden kunnossa, vaikka sähkökatkos iskisikin. Tarvittaessa taskuun sujahtava 3S Mini on fyysisiltä mitoiltaan kaikkein pienin Eatonin kotikäyttöön tarkoitetuista sähköverkon toiminnan varmistavista UPSlaitteista. 3S Mini kykenee esimerkiksi pitämään IP-kameran käynnissä jopa viisi tuntia. Lue lisää etn.fi/12753 ja Eatonin 3S Mini -tuotesivut.

GaN VALTAA LATURIT ÄLYPUHELIMISSA Galliumnitridi-tehokomponenttien toimitukset kasvavat tänä vuonna 73 prosenttia, ennustaa TrendForce. GaN-komponentteja myydään 83 miljoonalla dollarilla. Tutkimuslaitoksen mukaan GaN-piirien markkinajohtajaksi on tänä vuonna nousemassa Navitas, joka tunnetaan GaNFast-piireistään. Navitaksen markkinaosuus nousee tänä vuonna 29 prosenttiin. Lue lisää etn.fi/12045.

Vuoden alussa Tampereelle perustettu SoC-Hub -ekosysteemi kertoi syyskuun lopulla, että se on saamassa ensimmäisen kolmesta protopiiristään valmiiksi jo tämän vuoden lopulla. Tarkempien tietojen perusteella kyse on erittäin mielenkiintoisesta järjestelmäpiiristä. Piiri on suunnattu erittäin vähävirtaisten IoT-laitteiden moottoriksi. Tampereen yliopiston tietotekniikan yksikön johtaja Timo Hämäläinen kertoo, että protopiirin valmistusprosessiksi valikoitui taiwanilaisen TSMC:n 22 nanometriä, joka on tuore erittäin vähävirtaisten piirien 22ULL-prosessi. Käytännössä belgialainen IMEC valmistuttaa piirin moniprojektikiekkona. - TSMC:n prosessi on potentiaalinen myös kaupallisiin tuotteisiin projektin jatkumona, Hämäläinen valottaa tulevaa. Ensimmäisen prototyypin käyttökohteita ovat suorituskykyiset IoTlaitteet. - Päätavoite on kuitenkin ensin integrointiosaamisen kasvattaminen ja myöhemmin lisätään ja syvennetään myös yksittäisten IPlohkojen määrää ja ominaisuuksia. Ensimmäiseltä protolta löytyy

Page 8

esimerkiksi Linux-alijärjestelmä, joa on toteutettu Zürichin ETH:ssä kehitetylle 2-ytimiselle RISC-Vpiirille. Tällä Ariane-nimeltä prosessorilla on 256 kilobittiä L2-välimuistia. Piirillä on myös toinen RISC-Vlohko. Kyse on mikro-ohjainalijärjestelmästä, joka on toteutettu ETH:n pienemmällä RISC-Vytimelle, jonka nimi on Pulpissimo. Tällä tehdään järjestelmän ohjausta. Protopiirin DSP-alijärjestelmä perustuu Tampereen yliopiston omaan TTA-arkkitehtuuriin (Transport Triggered Architecture). Piirillä on lisäksi Nvidian avoimeen NVDLA-arkkitehruuriin perustuva koneoppimis- eli ML-kiihdytin. Koko komeus vie piillä tilaa 15 neliömilliä. Siitä löytyy rajapinta FPGA-integrointia varten ja piirin väylä on AMBA-yhteensopiva. Näin sille voidaan myöshemmin lisätä sekä Arm:n että muita IP-ytimiä. Hämäläisen mukaan kyse on tähän saakka kompleksisimmasta suomalaisessa tutkimushankkeessa koskaan tehdystä piiristä. - Projektityöryhmässä on työskennellyt yhteensä 61 suunnittelijaa tänä vuonna, Hämäläinen päättää.

ETNdigi - 2/2021


Langaton linkki korvaa teollisuusliittimet STMicroelectronics ja impedanssiohjattujen ja optisten liitäntäratkaisujen valmistaja Rosenberger kertovat kehittävänsä yhdessä kontaktitonta liitintä luotettaviin kaksisuuntaisiin lyhyen kantaman linkkeihin teollisuudessa ja lääketieteen laitteissa. Rosenbergerin langaton liitin on nimeltään RoProxCon. Se hyödyntää ST:n 60 gigahertsin RF-lähetinvastaanotinta (ST60A2) nopeaan tiedonsiirtoon. Samalla se suojaa datansiirtoa liikkeiltä, tärinältä, pyörimiseltä ja epäpuhtauksilta, kuten kosteudelta ja pölyltä, jotka voivat häiritä tavanomaisia nastaliittimiä. ST60A2 yhdistää suuren tiedonsiirtonopeuden Bluetoothin kaltaiseen virrankulutukseen. Tekniikka avaa tietä myös aivan uudenlaisille lääketieteen ja teollisuuden sovelluksille, joita fyysiset

yhteydet eivät enää rajoita. RoProxCon-liitännän yli voidaan siirtää dataa kuuden gigabitin sekuntinopeudella molempiin suuntiin eli kyseessä on fulld duplex -liitäntä. - Ratkaisu on merkittävästi halvempi kuin vaihtoehtoiset optiset liittimet ja kuluttaa paljon vähemmän virtaa kuin muut RF tekniikat, sanoo Rosenbergerin lääketieteen ja teollisuuden tuotteiden johtaja Folke Michelmann. STMicroelectronicsin ST60A2-piiri

tarjoaa luotettavan jopa 6,25 gigabitin datanopeuden lyhyissä, muutaman senttimetrin pisteestä-pisteeseen liitännöissä. Piiri toimii laajalla lämpötila-alueella (-40 ... +105 ° C), joten se soveltuu hyvin teollisuuteen. Lähetin on pakattu 2,2 x 2,2 millimetrin koteloon ja sen tehonkulutus on vain 70 milliwattia. RoProxConissa ST:n lähetinvastaanotin on yhdistetty antenniin, joka tarjoaa erinomaisia vaihtoehtoja eri käyttöalueille.

Intel yllätti toisen polven tekoälypiirillä Reilu kaksi vuotta sitten Intel esitteli ensimmäisen neuromorfisen prosessorinsa, joka oli suunniteltu tekoälylaskentaan. "Neuromorfisella" Intel viittaa ihmisaivoja matkivaan rakenteeseen. Nyt yhtiö on esitellyt toisen polven Loihipiirinsä. Se yllättää 4 nanometrin viivanleveydellään.

miljardia transistoria. Yhtä neliömilliä kohti transistoritiheys on 71,2 miljoonaa. Jo Loihi 1 oli merkittävästi tavallisia mikroprosessoreita tehokkaampi tekoälysuoritin. Kaksi vuotta sitten Intel

Loihi 2 ottaa ison askeleen eteenpäin neuromorfisessa laskennassa. Edeltäjäänsä verrattuna piiri tuo 10 kertaa nopeamman prosessoinnin, 15 kertaa enemmän laskentaresursseja samassa tilassa ja jopa miljoona neuronia yhdellä sirulla. Yksi yllättävimpiä kohtia uutisessa on kuitenkin oihi 2:n valmistusprosessi. Intel nimittäin kertoo valmistavansa piirejä Intel 4 -prosessissa. Kyse on EUVlitografiasta ja nejän nanometrin viivanleveydestä. Tässä prosessissa 31 neliömillin kokoiselle sirulle on ahdettu 2,3

ETNdigi - 2/2021

kertoi, että neuromorfinen prosessori laskee koneoppimismalleissa jopa tuhat kertoo tavallista mikroprosessoria nopeammin. Lisäksi Loihi 1 tunnistaa

esimerkiksi graafeja 10000 kertaa energiatehokkaammin kuin tavalliset PCprosessorit. Koska koko laskennan periaate poikkeaa täysin yleiskäyttöisistä, myös sovellusten kirjoittaminen on oma taiteenlajinsa. Intel esitteli Loihi 2:n rinnalla uuden Lavakehitysympäristön, joka on avoin, erilaisilla prosessoriarkkitehtuureilla toimiva kehys. Suurin ero neuromorfisen laskennan ja normaalin prosessoinnin välillä on se, että edellinen on tapahtumapohjainen: kun data on prosessoitu, siirrytään keskeytykseen jälkeen seuraavaan. Perinteisessä laskennassa prosessointi perustuu kellojaksoihin. Intelin ensimmäinen Loihi 2 -järjestelmä on PCIe-pohjainen lisäkortti Oheo Gulch. FPGA-pohjaisena sitä voidaan käyttää sekä Loihi 2 -evaluointiin että palvelimen AI-kiihdytykseen.

Page 9


UUTISET

Siemens mullistaa jättipiirien tehoanalyysin

Järjestelmäpiirien analogiaosien suunnittelu on aina ollut työlästä. Erityisen hankalaa on useiden eri tehoalueiden simulointi. Siemens Digital Software on nyt esitellyt työkalun, joka lupaa mullistaa tehonsyötön analyysin kaikenkokoisissa suunnitteluissa. Työkalu on nimeltään mPower. Siemensillä – ja aiemmin Mentor Graphicsilla – on ollut jo pidemmän aikaa työkaluja tehonsyötön optimointiin ja teholinjojen toteutukseen RTL-tasolla. Uuden tuotteen kehityksestä vastaavan Joseph Davisin mukaan mPower vie simuloinnin järjestelmätasolle.

näkyy monissa tuoteryhmissä: puettavissa, autojen ADAS-järjestelmissä, teollisen älykkään verkon laitteissa, 5G:ssä ja IoT:ssa. Analogialohkojen määrä kasvaa lisäksi aina 10-15 prosenttia, kun siirrytään prosessigeometriasta uuteen. - Kehityksen myötä piireillä on nyt jopa 30 eri tehoaluetta (power domain). Vuonna 2026 niitä on jo 45, Davis ennustaa.

- Kyse on mullistava työkalu tehon eheyden varmistamiseen. Vihdoin lopullinen suunnittelu vastaa alkuperäisiin suunnittelukriteereihin. Suunnittelija saa vietyä eri osiin sen virran, jonka ne tarvitsevat.

Viime vuonna nettiin oli liitetty 7,5 miljardia anturia, mutta vuonna 2025 määrä kasvaa 29,6 miljardiin. - Kaikki tämä tuo lisää analogiaosia piireille, mutta analogiaosien skaalautuvuuteen ei ole tähän asti kiinnitetty huomiota. On tehty spice-analyysiä, jolla voidaan tehdä koko piirin simulointi, mutta järjestelmien koon kasvaessa tämä ei enää riitä, Davis tähdentää.

Motiivi uudenlaisille simulointityökalulle tulee suoraan markkinoilta. Suunnittelualoituksia ajaa nyt sulautettu äly, mikä

Siemensin vastaus ongelmaan on mPower. Se on markkinoiden ensimmäinen skaalautuva ratkaisu sekä

Page 10

analogia- että digitaalisuunnitteluun. Työkalu tukee suunnitteluja, joilla voi olla tuhansia ytimiä. - Voimme tehdä koko piirin kattavan (full-chip) dynaamisen analyysin osana suunnitteluvuota. Tätä ei ole aiemmin osattu tehdä. Esimerkkinä Davis nosti ison FPGA-piirin EM/IR-anayysin. Tähän iso FPGAmatriisi ei sovellu kovin hyvin, kun pitää analysoida satoja miljoonia transistoreja. – MPower säästää merkittävästi suunnittelijan aikaa verifioinnissa. Davisin mukaan aikaa säästyy kaikissa osissa suunnittelua. Tarkkaa säästöä on vaikea määritellä, mutta puhutaan joka tapauksessa viikoista. – MPower mahdollistaa iteraatioita ja kokeiluja. Simuloinnin nopeus tuo suunnittelijalle mahdollisuuden kokeilla ja testata, pääseekö piiritoteutuksessa pienempään kulutukseen tai piialaan, Davis päättää. Lisätietoja mPowerista täällä.

ETNdigi - 2/2021


Opiskelijat julkistivat RISC-V-koodinsa

DRAM SIIRTÄÄ 819 GIGATAVUA SEKUNNISSA Korealainen SK Hynix on esitellyt markkinoiden ensimmäisen HBM3-määrityksiä tukevan muistin, joka yltää datansiirtoon 6400 gigabitin sekuntinopeudella. Tämä tarkoittaa käytännössä jopa 819 gigatavun datansiirtoa sekunnissa muistin ja prosessorin välillä. HBM-arkki-tehtuurissa pinotaan suhteellisen hitaita DRAM-siruja päällekkäin ja yhdistetään ne TSV-läpivienneillä. Lue lisää etn.fi/12735.

ENSIMMÄINEN KENTTÄTESTERI OPEN RAN -RADIOILLE

Eturivissä vasemmalta opiskelijat Otto Simola, Verneri Hirvonen ja Julius Helander. Takarivissä professori Jussi Ryynänen ja vanhempi yliopistonlehtori Marko Kosunen. Kuva: Niina Norjamäki. Ryhmä Aalto-yliopiston mikroelektroniikan opiskelijoita toteutti jo kesällä RISC-V -mikroprosessorin laitteistokuvauksen ja on nyt julkaissut sen avoimesti verkossa. Työ perustuu Berkeleyn yliopistossa kehitettyyn avoimeen RISC-Vprosessoriarkkitehtuuriin. Koodi löytyy Githubista.

Tällä hetkellä maailman tarvitsemien mikroprosessorien suunnittelu ja valmistus on tukevasti suurten amerikkalaisten ja aasialaisjättien hallussa. Prosessorit ovat pääosin suljettuja ja patentoituja järjestelmiä, mikä tarkoittaa, ettei niitä ostavilla ja käyttävillä yrityksillä ole mahdollisuutta tehdä niihin muutoksia.

Opiskelijoiden työtä ohjannut ja Berkeleyssa itsekin työskennellyt vanhempi yliopistonlehtori Marko Kosunen kehuu, että prosessorikoodin koodasi neljän teekkarin porukka kesän aikana. - Nyt prosessori on siinä vaiheessa, että sitä voisi ryhtyä valmistamaan.

Mikroprosessorin toimintaa ohjaa käskykantakuvaus. Se on tekninen dokumentti, joka määrittelee, miten mikroprosessorin tulee reagoida sille välitettyihin komentoihin. Intelin ja Arm:n kaltaisten suurten valmistajien käskykannat ovat salattuja. Aallon opiskelijoiden koodaaman RISC-V käskykanta on avoin, kaikkien saatavilla ja suunniteltu muokattavaksi omiin tarpeisiin.

Koodista vastanneet Julius Helander, Leo Uusimäki ja Otto Simola kutsuvat prosessorin koodausta ”mainioksi kesätyöksi”. Samaa mieltä on aiheesta kandidaatintyönkin tehnyt Verneri Hirvonen. - Prosessorin kehitystyö ja sen verifiointiympäristön rakentaminen antoivat mahdollisuuden konkreettisesti hyödyntää opiskelujen alkuvaiheessa hankittuja taitoja ohjelmoinnista ja elektroniikasta.

ETNdigi - 2/2021

Marko Kosunen korostaa, että kyseessä on vasta yhden ytimen prosessori. Esimerkiksi tekoälysovelluksissa ytimiä voi olla kymmenistä satoihin. Avoimen prosessorin etu on kuitenkin muokkautuvuus, jonka ansiosta Aallonkin prosessori voisi toimia hyvin erilaisissa ympäristöissä.

Viavi Solutions on esitellyt markkinoiden ensimmäisen testilaitteen, jolla O-RANradioita voi testata kentällä. OneAdvisor-800 mahdollistaa kaikki 5G-tukiaseman vaatimat testit, mukaan lukien kuitupohjaisen runkoyhteyden testaamisen, kaapelien ja antennin analyysin sekä itse radion verifioinnin. Lue lisää etn.fi/12732.

NOPEAMPI LANGATON LATAUS TULEE AUTOIHIN NXP Semiconductors on julkistanut markkinoiden ensimmäisen Wireless Power Consortiumin eli WPC:n sertifioiman ja Qi 1.3 -tekniikkaa tukevan autojen langattoman latauksen referenssialustan. Alusta koostuu Qi-sertifioidusta kortista, sekä valinnaisesta NFC:stä, suojaelementistä ja CAN/LINlähetinvastaanottimesta. Standardin 1.3 mukaan lataus onnistuu parhaimmillaan 15 watin teholla. Lue lisää etn.fi/12731.

KANNETTAVA SPEKTRIANALYSAATTORI 44 GIGAHERTSIIN Spectrum Rider FPH on saksalaisen mittauslaitevalmistaja Rohde & Schwarzin kannettavien spektrianalysaattorien sarja. Uusimassa versiossaankin vain 3,2 kiloa painavien testerien mittaustaajuus on nyt ulotettu 44 gigahertsiin. R&S on tuonut uuden 44 gigahertsin mallin olemassa oleviin FPHmalleihin, joiden mittaustaajuudet ovat 5 kilohertsistä 6, 13,6 ja 26,5 gigahertsiin. Lisäksi saatavana on kolme uutta versiota seurantageneraattoreilla, joiden mittaustaajuudet ovat 13,6, 26,5 ja 44 GHz. Lue lisää etn.fi/12728.

Page 11


UUTISET

Raspberry Pi -ohjain taipui teollisuusmoduuliksi Raspberry Pi -säätiö yllätti monet alkuvuodesta esittelemällä oman, talon sisällä kehitetyn ohjainpiirin. Nyt Sfera Labs on tuonut tarjolle teollisuuden IO-moduulin, joka perustuu samaiseen RP2040-mikro-ohjaimeen. Moduulissa yhdistyy digitaalinen ja analogisen tulo/lähtöliitäntä ohjaimen suorituskykyyn ja helppokäyttöisyyteen. Moduuli on nimeltään Iono RP. Se on kompakti ohjelmoitava I/O -moduuli, jolla voidaan toteuttaa kestäviä, turvallisia, luotettavia ja helposti liitettäviä moduuleja teollisuus- ja asuinympä-

ristöihin. Moduuli on täysin CE-, FCC- ja IC -yhteensopiva. Iono RP sisältää RP2040piirin eli Raspberry Pin suunnitteleman ensimmäisen suorituskykyisen mikro-ohjainsirun, joka on suunnattu sekä teollisille että harrastajamarkkinoille. Siinä on kaksiytiminen Arm Cortex-M0+ prosessori (kellotaajuus jopa 133 MHz), 264 kilotavua sisäinen RAM-muistia ja erittäin joustava tulo/lähtöarkkitehtuuri, jossa on useita vakiorajapintoja.

Laajalla 12-24 V:n tuloilla ja lähdöillä Iono RP tukee useimpia standardin mukaisia analogisia tuloja, 0-10 V:n analogialähtöä, digitaalisia tulo-/lähtölinjoja ja RS-485-sarjaliitäntää. Kaikki tämä on pakattu pieneen DIN-kiskoon istuvaan koteloon, joka on valmis asennettavaksi sähkökaappeihin ja integroiduksi automaation ohjausjärjestelmiin. Iono RP:n ohjausohjelmistojen kehittäminen onnistuu MicroPython- ja C/C ++ kielillä. Moduulin sisäiseen 16 megatavun flash-muistiin mahtuu Sfera Labsin mukaan erittäin monimutkainen sovelluslogiikka.

Ensimmäinen PCIe6-testipiiri pääsi piille EDA-ja IP-yritys Cadence Design Systems kertoo, että sen PCIe6-liitännän PHY-osa on viety piille TSMC:n viiden nanometrin N5-prosessissa. IP:n saaminen piille on aina tärkeä etappi, kun uutta tekniikkaa yritetään saada valmistettavaan kuntoon. Cadencen mukaan TSMC:n valmistama testipiiri vastaa PCIe6-vaatimuksiin.

Testipiiri koostu DSP-pohjaisesta PHYosasta sekä ohjaimesta. Piirin sähköiset ominaisuudet toimivat erinomaisesti kaikilla PCIe-nopeuksilla. Signaloinnista huolehtiva PAM4/NRZ-lähetinosa tuotti eheää, symmetristä signaalia, jonka värinä oli erittäin alhainen. Testipiirin PCIe6-linkki kesti häiriöitä ja kanavahäviöitä 35 desibelin verran, kun

dataa siirrettiin 64 gigatavua sekunnissa. Cadencen ohjainpiirin tehtävä on huolehtia mahdollisimman suuresta datansiirtonopeudesta mahdollisimman pienellä latenssilla. Arkkitehtuuri tukee 1024-bittistä datapolkua 16 linjalla yhden gigahertsin kellotaajuudella. Näin päästään 128 gigabitin maksimidatanopeuteen.

Mullistava akku latautuu 90 sekunnissa Autoteollisuuden laite- ja järjestelmätoimittaja Mahle on esitellyt akkukonseptin, joka lupaa mullistaa pienten sähköautojen lataamisen. Litiumhiiliakun lataaminen onnistuu vain 90 sekunnissa. Konseptiakku ei ainakaan vielä sovi normaalikokoisten sähköajoneuvojen voimanlähteeksi. Mahle sanoo yhdistäneensä ihmeakussaan superkondensaattorien ja litiumioniakkujen idean. Nopean lataamisen lisäksi akun energiatiheys on suuri, eikä sen lataaminen aiheuta suurta lämmönnousua. Konsepti on lisäksi ympäristöystävällinen, sillä se ei vaadi harvinaisten raaka-aineiden louhintaa. Koko akku on täysin kierrätettävä. Ihmeakku esiteltiin Aachenin kestävän liikkumisen konferenssissa Saksassa lokakuussa.

Page 12

ETNdigi - 2/2021


Bluetooth sai uusia ominaisuuksia

ALIF VIE TEKOÄLYLASKENNAN VERKON REUNALLE Alif Semiconductor aikoo tuoda tekoälyn verkon reunalaitteisiin räätälöidyillä Armprosessoriytimillä. Kyse on Cortex-M55- ja Ethos-U55-prosessorin yhdistelmästä. Alif on esitellyt kaksi piiriperhettä, joista Ensemble on perusohjain ja Crescendo liittää pakettiin 4G-modeemin (LTE Cat-M1/NB1/NB2) verkkoyhteyksiä varten. Lue lisää etn.fi/12722.

ITU HYVÄKSYI WIREPASIN IOT-VERKKOTEKNIIKAN

Bluetooth SIG julkisti heinäkuussa uuden 5.3-päivityksen tekniikan core-standardiin. Uudistukset tuovat neljä uutta ominaisuutta, jotka parantavat BLE-yhteyksiä entisestään. Renesas on esitellyt tiettävästi ensimmäisen uusia määrityksiä tukevan ohjainpiirin. Uudet ohjaimet tulevat yhtiön RAsarjaan, jotka perustuvat Arm Cortex-M-ytimiin. Ne ovat seuraajia viime vuonna esitellyille RA4W1ohjaimille ja Renesas lupaa näytteitä uutuuksista laitevalmistajille ensi vuoden alkupuolella. Mikä sitten muuttuu BLE-ominaisuuksissa? Ensinnäkin yksi toiminto on poistettu. AMP-laajennus (Alternate MAC and PHY extension) on mahdollistanut toisen ohjaimen käyttämisen pääohjaimen rinnalla. Tätä ei käytännössä ole nähty kaupallisissa piireissä, joten laajennus poistetaan core-standardin uudesta 5.3-versiosta. Lisäyksiä on tehty neljä. Jatkossa protokolladatan mukana laitteet voivat mainostaa ADI-informaatiota (AdvDataInfo). Informaation avulla BLE-ohjain voi tunnistaa, jos datakuorman (payload) mukana tulee uudelleenlähetettyjä, identtisiä datapaketteja. Näitä paketteja ei tarvitse enää käsitellä uudestaan,

ETNdigi - 2/2021

mikä osaltaan nopeuttaa prosessointia. Toinen lisäys on parannus salausavaimen koon hallintaan. Yhdistyneet laitteet voivat neuvotella salausavaimien koosta, joten HCIliitännän yli voidaan välittää tieto pienimmästä hyväksytystä salausavaimen koosta. Tämä parantaa tietoturvaa erityisesti IoT-tyyppisissä laitteissa, kuten BLE:llä ohjatuissa ovissa ja kannettavissa lääketieteen laitteissa. Jatkossa Bluetooth-linkin kaistanleveys voidaan kasvattaa nopeasti vastaamaan laajakaistaista datakuormaa. Tekniikkaa kutsutaan nimellä Connection Subrating. Se mahdollistaa vähävirtaisen toiminnan pienen datan aikana, mutta muuttaa linkin nopeasti laajakaistaiseksi, kun dataa pitää siirtää paljon. Uutta on myös BLE-ohjainten kyky määritellä, millä kanavilla yhteys isäntälaitteeseen halutaan toteuttaa. Isäntälaite voi valita liitetyn laitteen suosittaman kanavan taajuushyppelyn aikana. Tämä parantaa linkin laatua. Lisätietoja uusista ominaisuuksista löytyy tekniikkaa hallinnoivan Bluetooth SIG:n sivuilta.

Tamperelaisen Wirepasin MESHverkkotekniikkaan perustuva IoT-ratkaisu hyväksyttiin viime vuonna ETSI-järjestössä. Nyt kansainvälinen televiestintäliitto ITU on sisällyttänyt tämän DECT-2000-tekniikan osaksi 5G-standardien IMT-2020-suosituksia. Wirepasin MESH-protokolla mahdollistaa miljoonan IoT-laitteen liittämisen verkkoon yhdellä neliökilometrillä ilman operaattoria. Verkko toimii kaikkialla vapaana olevalla 1,9 gigahertsin kaistalla. Lue lisää etn.fi/12720.

DIGI-KEY PARANTELI ILMAISTA PIIRIKAAVIOTYÖKALUAAN Digi-Key tarjoaa asiakkailleen ilmaista, verkossa toimivaa piirikaavioiden työkalua. Nyt Scheme-it-työkalu on saanut uusia ominaisuuksia. Uusia ominaisuuksia ovat esimerkiksi Ultra Librarian -symbolien integrointi. Tämä ominaisuus tuo noin 2 miljoonaa Ultra Librarianin yksityiskohtaista symbolia ja kuvaa Digi-Keyn tuoteluettelosta. Symbolieditori 2.0 antaa käyttäjille mahdollisuuden luoda uusia symboleja. Lue lisää etn.fi/12710.

UUSI FLASH-KORTTI AUTOIHIN JA IOT-LAITTEISIIN JEDEC on saanut valmiiksi XFM- ja XFMDkorttistandardit. XFMD-kortin mitat ovat 13 x 18 x 1,4 millimetriä eli kortti on vanhaa SDkorttia pienempi, mutta hieman microSDkorttia suurempi. Uuden standardin etuna on se, että se hyödyntää PCIe-liitäntää ja NVMeprotokollaa. Vaihdettava kortti sopii vaikkapa IoT-laitteiden laiteohjelmiston päivittämiseen. Lue lisää etn.fi/12706.

Page 13


INSTANT INSIGHT MEETS IN-DEPTH INFORMATION The ¸RTO6 series oscilloscopes deliver a new user interface, state-of-the-art specifications together with a big touchscreen and an ergonomic front panel design, all with a single purpose – to offer reliable results, solve your measurement problems quickly and keep you on schedule. Oscilloscope innovation. Measurement confidence. More information at www.rohde-schwarz.com/product/RTO6

Page 14

ETNdigi - 2/2021


POLTTOPISTEESSÄ

MILJOONA AALTOMUOTOA SEKUNNISSA Rohde & Schwarz on lanseerannut uuden oskilloskoopin. Käyttäjäpalautteen perusteella kehitetyn R&S RTO6-oskilloskoopin suunnittelussa painopistealueena on ollut toimintatehokkuus päivittäisissä mittauksissa.

Kaikista muutoksista eniten huomiota herättävät suuri 15,6-tuumainen kosketusnäyttö ja uusi käyttöliittymä. Laitteen ulkoasu ja etupaneelin käyttönäppäimet on suunniteltu siten, että näytön pinta-ala on maksimoitu mittaustuloksia varten. Käyttäjä voi ryhmitellä mittaustulokset näytölle haluamaansa järjestykseen R&S SmartGrid -toiminnon avulla. RTO6-oskilloskoopin analoginen maksimikaistanleveys on 6 GHz. Analogisten sisääntulokanavien näytteenottotaajuus vaihtelee 10 - 20 giganäytteen välillä sekunnissa (Gsa/s) riippuen laitteen analogisesta kaistanleveydestä. Laitteen sisäinen HWarkkitehtuuri on suunniteltu siten, että aaltomuotojen päivitys- ja prosessointinopeus on erittäin suuri, maksimissaan 1 miljoona aaltomuotoa sekunnissa. Laitteen analoginen etuaste on suunniteltu siten, että siinä on hyvä dynamiikka, se on erittäin herkkä ja tehokkaan koteloinnin ansiosta analogisten kanavien välistä ylikuulumista ei juurikaan ole. Tämän lisäksi laitteen A/Dmuuntimessa on vain yksi ydin, jonka ansiosta ylimääräisiä häiriöpiikkejä ei

ETNdigi - 2/2021

esiinny, kun signaaleja mitataan aikasekä taajuustasossa. Laitteessa on myös ainutlaatuinen HD- moodi, jonka ansiosta vertikaaliresoluutioksi saadaan 16 bittiä. Matalakohinaisen etuasteen ja tehokkaan A/D-muunninsuunnittelun tuloksena laitteella on mahdollista saavuttaa erinomainen 9.4 ENOB -lukema (effective number of bits). Laitteeseen saa näytteenottomuistia aina 2 gigapisteeseen (Gpts) saakka. RTO6oskilloskoopissa käytetään ns. digitaalista triggeröintiä, joka on sijoitettu A/ D-muunninlohkon jälkeen. Tämän suunnitteluratkaisun ansiosta kaikki perinteisen analogisen liipaisun rajoitteet, kuten kaistanleveys, hystereesialueen säätö ja liipaisun aiheuttava värinä (trigger-jitter) on minimoitu. Digitaalisen triggeröinnin avulla on mahdollista liipaista todella matalatasoisiin ja lyhytkestoisiin signaaleihin laitteen koko analogisen kaistanleveyden osalta. Digitaalisen liipaisun tarkkuutta voidaan hyödyntää myös HD-moodissa 16 bitin vertikaaliresoluutiolla. R&S RTO6-oskilloskoopin mittauskyvykkyyttä voidaan laajentaa erilaisten ohjelmisto- ja rautaoptioiden avulla.

Laitteeseen on saatavilla esimerkiksi kaksikanavainen ARB-generaattori, jossa kanavakohtainen kaistanleveys on 100 MHz, 16-kanavainen MSO-logiikkaanalysaattorioptio ja 16 GHz:n differentiaalinen pulssilähde, jonka avulla laitteeseen saadaan Time Domain Reflectometry (TDR) -toiminto. 16 GHz:n differentiaalisen pulssilähteen avulla voidaan karakterisoida testikaapeleiden, mittapäiden ja adaptereiden Sparametreja, joita voidaan hyödyntää Deembedding-toiminnossa, joka on erillinen ohjelmisto-optio. Laitteeseen on saatavana runsaasti erilaisia automatisoituja mittaustoimintoja aina perinteisistä sarjaväylätason analyyseistä compliance -tason testeihin saakka. RTO6-oskilloskooppiin on saatavana kattava valikoima erilaisia aktiivisia ja passiivisia mittapäitä sekä niiden lisävarusteita.

LISÄTIETOJA R&S RTO6 -oskilloskooppi

Page 15


What if hyperscale data centers were hyper-sustainable?

The world’s growing demand for data consumes vast amounts of energy. But now that Maxim Integrated is joining Analog Devices, our combined strength in advanced sensing, power management and connectivity will help pave the way for more secure, energy-efficient and sustainable data centers. See What If: analog.com/Maxim

Where what if becomes what is. Page 16

ETNdigi - 2/2021


POLTTOPISTEESSÄ

KESTÄVÄMPÄÄN KEHITYKSEEN UUDELLA TEHOELEKTRONIIKALLA Kaksi tärkeintä aloitetta päästöjen vähentämisessä ovat uusiutuvan energian tuotantolaitosten laaja käyttöönotto ja ajoneuvojen sähköistäminen. Lähivuosina sähköajoneuvojen odotetaan kymmenkertaistuvan nykyisestä. Esimerkiksi Euroopan unioni pyrkii saamaan yli 30 miljoonaa sähköautoa teilleen tämän vuosikymmenen loppuun mennessä. Sähköautojen, teollisuuskäyttöjen ja uusiutuvan energian asettamat vaatimukset edellyttävät jatkuvaa sähköjärjestelmän innovaatiota. Laajan kaistaeron (WBG, wide bandgap) tekniikka on ollut avainasemassa tehokomponenttien suorituskyvyn parantamisessa ja mahdollistanut järjestelmän kokonaiskoon pienentämisen. Esimerkiksi piikarbidin (SiC) käyttö piin sijaan on johtanut paljon nopeampiin kytkentänopeuksiin, minkä ansiosta muunnoksen tehokkuutta voidaan parantaa dramaattisesti. SiC MOSFET piirit korvaavat nyt suuria piipohjaisia IGBT-piirejä, ja sekä käynnistys- että sammutushäviöt ovat vähentyneet merkittävästi. Hyöty nähdään sekä sähköautoissa että uusiutuvan energian järjestelmissä käytettävissä DC/DCmuuntimissa. Samoin SiC MOSFET -moduulien suuremmat tehotiheydet merkitsevät sitä, että uusiutuvan energian invertterit, teollisuuskäytöt ja moottorin ohjausMikroelektronikan DC MOTOR 14 Click -kortti perustuu Toshiban TB67H450FNGajuripiiriin.

ETNdigi - 2/2021

Maailmanlaajuisen väestönkasvun vuoksi sähkönkulutus on edelleen kohtuuttoman korkea. Tämä rasittaa käytettävissä olevia energiavaroja ja vaikuttaa myös vakavasti ympäristöön suurempina kasvihuonekaasupäästöinä. Onneksi kehitykseen voidaan vaikuttaa uusilla tehoelektroniikan ratkaisuilla. järjestelmät voidaan tehdä paljon pienemmiksi samalla kun ne toimivat tehokkaammin. Ne pystyvät työskentelemään korkeammissa lämpötiloissa kuin piipohjaiset vastineisiinsa, joten myös luotettavuus paranee. UUSIA INNOVAATIOITA Toshiban uusimmat lisäykset suosittuun M4K-mikro-ohjainperheeseen, joissa jokaisessa on 32-bittinen Arm Cortex-M4 -ydin ja liukulukuyksikkö, voivat parantaa moottorin ohjausta. Uusien TXZ+ -piirien A-VE+-tekniikka (advanced vector engine plus) tarkoittaa, että ne soveltuvat erittäin hyvin AC- ja harjattomien DC-moottoreiden kenttäorientoituneeseen ohjaukseen sekä servokäyttöihin. Äskettäin julkistetussa TPHR7404PUMOSFETissa on matalapiikkiominaisuus, joka lieventää kytkimen ylityksen vaikutuksia. 40 V:n N-kanavainen virtalähde käyttää Toshiban omaa U-MOSIX-Hprosessitekniikkaa. Se soveltuu erittäin hyvin toisiopuolen synkroniseen oikaisuun kytkentävirtalähteen sovelluksissa, mikä pienentää huomattavasti EMIpäästöjä. Toshiban 3-vaiheinen 400 VAC:n tehokertoimen korjauksella varustettu referenssisuunnittelu on suunniteltu helpottamaan sähköautojen latauslaitteistojen käyttöönottoa ja helpottamaan siirtymistä piistä laajan kaistaeron komponentteihin. 750 VDC:n lähdöllä se on täysin linjassa sähköautojen latauksessa nyt vaadittujen korkeampien

jännitetasojen kanssa. Muuntotehokkuudessa siinä päästään 97 prosenttiin ja ja tehokertoimeen 0,99. Yhtiön kaksisuuntaisen DC/DC-referenssisuunnittelun avulla voidaan ottaa käyttöön sähköjärjestelmä, jossa verkko voi käyttää akkureserviin varastoitua energiaa suurimman kysynnän aikana. Se perustuu TW070J120B SiC MOSFETja TLP5214A-ohjainkomponenttien käyttöön, kun piipohjainen TK49N65W5MOSFET sijaitsee pienjännitepuolella. Tämä referenssimalli pystyy tuottamaan 5 kilowattia tehoa molempiin suuntiin. Ratkaisu sisältää ylivirtasuojauksen ja alijännitesulkusuojausmekanismit turvallisuuden takaamiseksi. Yhteistyössä MikroElektronikan kanssa Toshiba pystyy tarjoamaan suunnittelijoille sarjan Click-kortteja, jotka auttavat heitä luomaan tehokkaita moottorin ohjausjärjestelmiä. DC MOTOR 14 Click on pulssileveysmoduloitu (PWM) katkaisutyyppinen ratkaisu harjattujen tasavirtamoottoreiden ajamiseen. Kortin ytimessä on TB67H450FNG-ohjainpiiri, jonka maksimivirta on 3,5 ampeeria. Alhainen vastuksen MOSFETit ja PWM-toiminta takaavat tehokkaan moottori-käytön vain vähäisellä lämmöntuotannolla. Kirjoittaja Peter Lieberwirth toimii Toshiba Electronics Europe GmbH:ssa markkinoinnista ja vastaavana johtajana.

Page 17


KUINKA VALITA SOPIVA LINUX?

Kathy Tufto Siemens Digital Industries

Käyttöjärjestelmä voi olla vakaa yritysluokan ratkaisu, kuten Ubuntu ja Windows, jotka ovat helppokäyttöisiä ja monipuolisia, mutta joita ei ole helppo muokata. Toinen vaihtoehto on käyttää sulautettua Linux-ratkaisua, kuten Yocto Project, ja usein julkaistavia versioita erittäin muokattavissa olevista ratkaisuista. Kolmas vaihtoehto on reaaliaikainen käyttöjärjestelmä. Nykyään kehittäjät haluavat yritysluokan käyttöjärjestelmän vakauden ja helppokäyttöisyyden sekä perinteisen sulautetun käyttöjärjestelmän suorituskyvyn, muokattavuuden ja vähän muistia

Page 18

vievän koon. MITÄ TARKOITTAA YRITYSLUOKKA? Enterprise- eli yritysluokalla tarkoitetaan sovelluksia, jotka on suunniteltu kestäviksi ja skaalautuviksi laajaan organisaatioon, ja jotka ovat riittävän tehokkaita vastaamaan sitä käyttävien yritysten tarpeita. Yritysluokan käyttöjärjestelmä on monipuolinen ja vakaa, ja se sisältää vuosittaisia julkaisupäivityksiä, rikkaan tai näyttävän grafiikan ja helppokäyttöisyyden Debianissa ja Ubuntussa. Sulautettujen sovellusten kehittäjät voivat helposti lisätä valmiita paketteja tai sovelluksia käyttöjärjestelmään käyttämällä

kohdepakettien hallintatyökaluja. Koko käyttöjärjestelmä on tyypillisesti esiasennettu binaarinen käynnistyskuvatiedosto, joten käyttöönotto on nopeaa ja helppoa. Kehitys tehdään tyypillisesti suoraan kohteeseen eli isäntäkoneeseen ja käytössä on runsaasti resursseja asioiden lisäämiseen, kuten kääntimiä. Yritysluokan käyttöjärjestelmä voi kuitenkin olla haaste, kun kirjoitetaan sovelluksia 32-bittiselle Arm-prosessorille, josta puuttuu riittävät resurssit kohdennetuille kehitystyökaluille. Eri alustoilla toimivia kehitystyökaluja ei ole usein saatavilla, mikä pakottaa käyttäjät kehittämään sovelluksia isäntäraudalle. Perinteistä yritystason käyttöjärjestelmää ei ole

ETNdigi - 2/2021


A ? IoT:n, tekoälyn ja koneoppimisen käytön kasvaessa nykypäivän laitevalmistajien on ymmärrettävä saatavilla olevat kaupalliset tai avoimen lähdekoodin käyttöjärjestelmät. Tässä kuvataan kolme käyttöjärjestelmää ja niiden ominaisuudet, joiden avulla voidaan löytää optimaalinen, helppokäyttöinen, turvallinen, vaatimustenmukainen ja tehokas alusta suunnitteluun ja valmistettavuuteen tuotteen elinkaaren aikana.

helppo muokata, koska se vie muistia yli gigatavun verran. Käynnistysaika voi olla 30 sekuntia tai pidempi, mikä vaikeuttaa optimointia, kun yritetään vastata perinteisen sulautetun käyttöjärjestelmän nopeuteen. SULAUTETTU LINUXJÄRJESTELMÄ Perinteisessä sulautetussa Linuxkäyttöjärjestelmässä kehittäjät työskentelevät tyypillisesti lähdekoodin tasolla ja määrittävät koko käyttöjärjestelmän vähintään siten, että se kootaan (build) lähdekoodista ensimmäisen kerran. Tämä mahdollistaa käyttöjärjestelmän skaalautumisen ja kehittäjät voivat tyypillisesti pienentää käyttö-

ETNdigi - 2/2021

järjestelmän alle gigatavuun. Käyttäjät voivat helposti portata Linux -käyttöjärjestelmän eri laitteisiin ja optimoida sen käynnistymään nopeammin kuin yritystason käyttöjärjestelmän. Linux-käyttöjärjestelmä tarjoaa reaaliaikaisia ominaisuuksia ja hyvää suorituskykyä. Koska kehitys tapahtuu lähdekoodin tasolla, sulautetut käyttöjärjestelmät ovat hyvin muokattavissa, mutta tämä voi tulla kalliiksi. Oppimiskäyrä on korkeampi perinteisessä sulautetussa Linuxkäyttöjärjestelmässä verrattuna yritystason ratkaisuun. Jos esimerkiksi sulautettu kehittäjä haluaa lisätä Chromiumin kaltaisen sovelluksen laitteeseen, kun hän rakentaa käyttöjärjes-

telmää Yocto -projektin avulla, kehittäjän on luotava kerros ja kirjoitettava reseptejä varmistaakseen, että kaikki Chromiumin edellytykset on rakennettu mukaan ja otettu käyttöön kohdekuvatiedostossa. Tämä voi olla melko aikaa vievää. Verrattuna Debianin kaltaiseen yritystason käyttöjärjestelmään sulautetun Linuxin kehittäjien on vain asennettava Chromium, joka sisältää kaikki riippuvuudet. Sen lataaminen kestää vain muutaman minuutin. Lähdepohjaisen käyttöjärjestelmän käytön mahdollinen puute on kuitenkin se, että jos käyttäjä ei ole varovainen, on erittäin mahdollista luoda useita muunnelmia. 10 kehittäjää voi tehdä 10 muutosta samaan

Page 19


lähdetiedostoon helposti. Siten voi olla 10 eri versiota binaarista tuotteen 10 eri versiossa. Esimerkiksi eräs suuri asiakas teki sisäisen tarkastuksen vain saadakseen selville, että heillä oli sisäisesti käytössä satoja Linuxvariantteja. Tämä pakotti heidät etsimään erilaista Linuxia, eli binaarista yritysluokan sulautettua Linuxia. DEBIAN-LINUX Debian on yritysluokan Linuxkäyttöjärjestelmä, joka on ollut olemassa ”ikuisesti” ja jota käytetään nykyään sulautetuissa laitteissa. Ubuntu perustuu Debianiin ja sen käyttäjäkunta on yritysluokan Linuxeista kaikkein suurin, joten siihen perehtyneiden kehittäjien löytäminen on helppoa. Debian on erittäin vakaa, ja siitä julkaistaan uusi versio kahden tai useamman vuoden välein. Käyttöjärjestelmä on monipuolinen sisältäen yli 59 000 valmiiksi rakennettua pakettia, jotka toimivat hyvin yhdessä. Pakettisyötteiden avulla Debianin kehittäjät voivat helposti laajentaa käyttöjärjestelmää. Debianilla on erittäin hyvin dokumentoitu kehityskäytäntö, johon on pakko sitoutua ja joka tarjoaa korkealaatuista dokumentaatiota

Page 20

ja keskitetyn vianseurantajärjestelmän. Yocto-projektiin verrattuna jokainen paketti sisältää ytimen, avoimen SSL:n, Qt:n graafisten käyttöliittymien luomiseen, ja alustariippumattomat sovellukset. Jokaisella näistä työkaluista on omat kehityspolitiikkansa, mukaan lukien mahdollisesti erilaiset vianseurantamekanisminsa. Lisäksi Debian tarjoaa työkaluja tiedostojärjestelmän mukauttamiseen ja mukautettujen käyttöjärjestelmäkuvatiedostojen luomiseen. Työkalujen oppiminen voi kuitenkin olla aikaa vievää ja Debianin koon pienentäminen ja sen mukauttaminen voi olla vaikeaa näitä työkaluja käytettäessä. Toinen huomioon otettava seikka Debianin ja muiden ei-kaupallisten käyttöjärjestelmien kohdalla on tuen tai tieturvakorjausten saaminen yhteisöltä sen jälkeen, kun niitä ei enää tarjota. Haasteita voi myös muodostaa tekninen ongelma, jota yhteisö aio korjata nykyisessä julkaisussa. MENTOR EMBEDDED LINUX OMNI OS Kolmas Linux-tyyppi on Mentor Embedded Linux (MEL) Omni OS, joka perustuu Debianiin. Se tarjoaa molempien edellä esiteltyjen

maailmojen parhaat puolet. MEL Omni OS tarjoaa yritysluokan käyttöjärjestelmän tärkeimmät edut yhdessä sulautetun käyttöjärjestelmän koon, konfiguroitavuuden ja suorituskyvyn kanssa. Lisäksi se tukee pilviliitettävyyttä ja IoTratkaisujen ominaisuuksia. MEL Omni OS sisältää sekä reaaliaikaisen sulautetun ytimen että version, joka tukee ennakoivaa (preemptive) moniajoa. MEL Omni OS yhdistää yritysluokan ja sulautetun käyttöjärjestelmän parhaat ominaisuudet binaarijakeluversioon, mikä mahdollistaa esimerkiksi UL 2900 -standardoinnin. Kehittäjät voivat käyttää valmiita binaarisia käyttöjärjestelmäkuvia tai määrittää ja mukauttaa tarvittavat käyttöjärjestelmät. Tämä ratkaisu mahdollistaa laitteiden kunnon seurannan ja suojatut ohjelmistopäivitykset laitteiden käyttöönottoa varten. Monet kaupalliset kumppanit tukevat MEL Omni OS käyttöjärjestelmää, ja ne tarjoavat palveluja sekä kehittämisen että käyttöönoton jälkeen. LISÄTIETOJA siemens.com/embedded

ETNdigi - 2/2021


ETN is a Finnish technology media for everyone working, studying or just interested in technology. Through website with daily news and technical articles, daily newsletters and columns ETN covers every aspect of high technology. We cover automation, devices, networks, embedded, power, test & measurement, design & programming, manufacturing and distribution. All in Finnish. etn.fi/tilaa

For advertising and editorial cooperation, contact us Editor-in-chief Veijo Ojanperä vo@etn.fi +358-407072530 Sales Manager Anne-Charlotte Sparrvik ac@etn.fi +46-734171099

ETNdigi - 2/2021

Page 21


BLUETOOTH PAIKANTAA TARKASTI SISÄLLÄ Erik Carlberg u-blox

Tarkka sisätilapaikannus on aina ollut iso haaste laitevalmistajille. Bluetooth tarjoaa uuden ratkaisun ongelmaan. Testeissä ratkaisu on jo osoittautunut toimivaksi. Bluetoothilla päästään alle metrin tarkkuuteen.

Paikkatietoisuus on yksi IoTteknologian mukanaan tuomista tärkeimmistä hyödyistä niin liiketoiminnalle kuin kuluttajille. Sen avulla pystyvät kohtuuhintaan seuraamaan ja jäljittämään reaaliajassa kalustosta vastaavat henkilöt kulkuneuvojaan, logistiikkayritykset lähettämiään tuotteita ja maanviljelijät tuotantoeläimiään. Samalla tavoin me ihmiset voimme hankkia yhteydenottoon soveltuvia päätelaitteita pitämään silmällä ikääntyviä sukulaisiamme, lemmikkieläimiämme tai autoja ja muita arvotavaroitamme.

Page 22

Maailmanlaajuiset satelliittipaikannusjärjestelmät (GNSS) kuten GPS, GLONASS, BeiDou ja Galileo ovat mahdollistaneet paikannusteknologian tuomisen osaksi mitä moninaisimpia talouden ja päivittäisen elämän alueita. GNSS-teknologiat ovat kehittyneet vuosi toisensa jälkeen ja saavutetut sijainnin tarkkuudet ovat tarkentuneet metreistä muutamiin sentteihin, yhteydenottoajat lyhentyneet ja paikannuksen alkaminen on kutistunut kymmenistä sekunneista sekunteihin ja palvelun saavutettavuus on saatu kattamaan jopa kaikkein

tiheimmät asutuskeskittymät. Tarkalla sijainnin määrityksellä on kuitenkin vielä nykyisin haasteena toimiminen suurissa sisätiloissa. Heikoilla GNSS-signaaleilla on vaikeuksia läpäistä riittävän tehokkaasti suljettujen sisätilojen seinämiä. Sen seurauksena riittävän paikan määrityksen saavuttaminen on ollut hankalaa esimerkiksi seuraavissa tärkeissä käyttökohteissa: • sairaaloissa jäljittäessä lääkintälaitteita, potilaista ja henkilökuntaa

ETNdigi - 2/2021


• lentokentillä paikallistettaessa matkatavaroita ja matkustajia • teollisuuslaitoksissa automatisoitaessa tuotantoprosesseja • huolto- ja myyntiyhtiöissä seurattaessa asiakaskäyttäytymistä ja taustaoperaatioita • miehittämättömissä varastoissa päivitettäessä robottien toimintoja Koska mainituissa ympäristöissä satelliittisignaalien toimintakelpoisuus on suurelta osin riittämätöntä, useita erilaisia teknologioita on ehdotettu parantamaan tilannetta. Esimerkiksi langattomalla modeemilla varustetut laitteet voivat hyödyntää solukkoverkon signaaleilla saatavia sijaintiarvioita lähellä oleviin tukiasemiin nähden, ne voivat myös hyödyntää edistyneempiä signaalin lentoajan mittausmenetelmä. Wifi-verkossa toimivat laitteet voivat hyödyntää samantyyppistä lähestymistapaa määrittämällä sijaintinsa wifi-alueiden suhteen. Ja Bluetoothilla varustetut laitteet voivat käyttää Tarkkuus Tehonkulutus Asennuskustannus Laitekustannus

Wifi-paikannus 10 m Suuri Alhainen Korkea

Wifi ToF 1-2 m Suuri Keskisuuri Korkea

syydelle ja GNSS-paikannuksesta tutulle edullisuudelle. Mobiiliverkko- ja wifi-perustaisissa paikannusteknologioissa laitteistokustannusten osuus nousee sitä mukaa, mitä tarkempia sijainnin määrityksiä halutaan. Ja huolimatta huonosta tarkkuudestaan Bluetooth RSSI on kuitenkin onnistunut saamaan jalansijaa sovelluksissa, joissa sisätilan paikannuksissa riittää huonetason tarkkuus, koska se on hinnaltaan edullinen, kuluttaa vähän tehoa ja on yhteensopiva useimpien liitettävien laitteiden kanssa. Vuonna 2019 Bluetoothpaikkatietojärjestelmät saivat enemmän jalansijaa sisätilojen paikannuksen markkinoilla, kun tekniikan kehitystyötä valvova Bluetooth SIG esitteli Bluetooth Direction Finding -tekniikan. Siinä käytetään hyväksi uudenlaista Bluetooth-signaalia ja monen antennin ryhmää, joilla mitataan mobiilitunnisteen ja yhden tai useamman kiinteän ankkuripisteen välisen Bluetooth-viestin kulkukulmaa. Bluetooth-radiosuunnin on lupaava ratkaisu

Kaikissa edellä mainituissa menetelmissä on kuitenkin puutteita, jotka rajoittavat niiden käyttöönottoa tilanteissa, joissa on asetettu kunnianhimoiset tavoitteet tarkkuudelle, toimintakelpoisuudelle, helppokäyttöi-

ETNdigi - 2/2021

TARKKA PAIKANNUS SISÄTILOISSA

sisätilassa tapahtuvaan paikan määrittämisen ongelmaan ja se täyttää todistetusti ensimmäistä kertaa sisätilojen paikannukselle asetetut vaatimukset. Riittävä tarkkuus? Kyllä. Helppo käyttää? Kyllä. Hinnaltaan edullinen? Kyllä. Pieni tehon kulutus? Kyllä.

Sisätilojen Bluetooth-paikannuksen perustana on Bluetoothradiosuuntimien (Direction Finding) teknologia. Kuten nimestä jo voi päätellä Bluetoothradiosuuntiminen mahdollistaa Bluetooth-signaalin kulkusuunnan määrittämisen mobiilitunnisteen ja kiinteän ankkuripisteen välillä. Bluetooth-radiosuuntiminen voi tapahtua kahdella eri tavalla: saapumiskulman (AoA, Angle of Arrival) määrittelyssä kiinteä piste laskee tunnisteelta tulevan signaalin suunnan ja lähtökulman (AoD, Angle of Departure) määrittelyssä roolit on käännetty toisin päin, jolloin tunnisteen tehtävänä on laskea kulma, jossa signaali lähetetään ankkuripisteestä.

Sen jälkeen, kun ensimmäiset Bluetooth-perustaiset sisätilan paikannusratkaisut tulivat markkinoille, ne ovat herättäneet

Tässä artikkelissa keskitytään AoA-määrittelyyn, joka soveltuu paremmin sisätilojen paikannusratkaisuihin, kun taas AoD

Bluetooth RSSI 5-10 m Keskiluokkaa Alhainen Alhainen

Bluetooth AoA 0,5-1,0 m Alhainen Keskisuuri Alhainen

Erilaisten sisätilaojen paikannustekniikoiden vertailua. Luvut ovat arvioita. Todelliset tarkkuudet riippuvat toteutustavasta.

hyväksi vastaanotetun signaalin voimakkuutta (RSSI) määrittäessään arvioitua etäisyyttä suhteessa käytössä oleviin Bluetooth-majakoihin.

paljon kiinnostusta. Markkinatutkimuslaitos ABI Research on arvioinut, että Bluetooth-tunnisteiden toimitukset lisääntyvät vuosittain keskimäärin 28,3 % vuosina 2019-2025 ja että suurinta kasvua (64,2 %) odotetaan älykkäisiin toimistoihin ja absoluuttisesti suurinta määrällistä kasvua (yli 163 miljoonaa tagia) varastoihin ja logistiikkakeskuksiin. Koska näillä ratkaisuilla voidaan täydentää u-bloxin ulkoilmassa toimivia GNSSratkaisuja, yhtiö on panostamassa voimakkaasti tuotekehitystään tähän suuntaan. Hyvän pohjan tälle antaa u-bloxin ulkona toimivat GNSS-ratkaisut, jotka kuluttavat vähän tehoa, ovat hinnaltaan edullisia ja tarjoavat alle metrin paikannustarkkuuksia sekä u-boxin maailmanlaajuinen asiakaskunta, joka jo kehittää sen GNSS-teknologiaan perustuvia ratkaisuja.

Page 23


sijainti- ja suuntatietojen syöttämistä paikannusprosessoriin, jossa ajettava algoritmi sitten laskee merkityn kohteen sijainnin kaksi- tai kolmiulotteisesti kunkin ankkuripisteen laskemien saapumiskulmien perusteella.

Kuva esittää, miten tagin lähettämä signaali tulee yksittäisiin antenneihin ankkuripisteessä. Vaihe-eron perusteella voidaan laskea signaalin kulkema matka.

soveltuu paremmin sisätiloissa tapahtuviin navigointiratkaisuihin.

osa kiinteän ankkuripisteen antennien ryhmää.

Arvioidessaan teknologian soveltuvuutta sisätilapaikannukseen u-blox rakensi AoApohjaisen Bluetooth-radiosuuntimisen demon Malmössä sijaitseviin toimistoihinsa, joissa radiosuuntimen ankkuripisteeseen asennettu ohjelmoitu servo seuraa liikkuvaa Bluetooth-tagia ja laskee reaaliaikaisesti siltä saatavaa signaalin saapumiskulmaa.

Kuljettujen matkojen erojen perusteella kukin antenni vastaanottaa signaalin, jonka vaihe-ero poikkeaa hieman muiden signaalien vaihe-eroista. Vaihe-erot voidaan mitata CTE:n perusteella.

Bluetooth-paikannus perustuu kahteen ”salaisuuteen”. Ensiksi tarvitaan uusi Bluetoothradiosuunninsignaali lisättynä CTE-tunnisteella (CTE, Constant Tone Extension). Kun loppuosa Bluetooth-viestistä moduloidaan datan kuljetukseen, CTE sisältää ainoastaan ykkösistä koostuvan merkkijonon. Tämän seurauksena vastaanotin voi hyödyntää viestin tätä osaa mitatessaan tarkasti signaalien välisiä vaihe-eroja. Tästä päästäänkin toiseen Bluetooth-radiosuuntimisen piilotoimintoon. Jokaisessa ankkuripisteessä piilottelee yksittäisen antennin sijaan usean antennin ryhmä. Yllä olevassa kuvassa esitetään, miten mobiilitunnisteen lähettämä radiosuuntimen signaali saapuu yksittäisille antenneille, jotka ovat

Page 24

Tavallisessa kooltaan 8 x 6 metrisessä toimistohuoneessa, jossa neljä ankkuripistettä on sijoitettu huoneen nurkkiin, kokeiluissa on saavutettu alle metrin keskimääräinen tarkkuus 95 prosentin todennäköisyydellä. KOKEILU TEOLLISUUSVARASTOSSA Omaa Bluetooth-pohjaista sisätiloissa reaaliajassa tapahtuvaa sijainnin määrittämistä varten u-blox rakensi teolliseen varastorakennukseen koejärjestelyn tavaroiden seurantaa testatakseen.

Tavallisessa toimistotilassa paikannustarkkuudessa päästiin alle metriin 95 prosentin todennäköisyydellä.

Ankkuripisteeseen sulautetussa mikro-ohjainyksikössä ajettavat algoritmit jäsentävät edellä saadun datan sellaiseen muotoon, josta saadaan laskettua signaalin saapumiskulma halutulla tarkkuudella (+/- xº). Kun yksittäisen ankkuripisteen sijaan halutaan käyttää useita ankkuripisteitä, useilta ankkuripisteiltä saapuvista saapumiskulmista voidaan laskea trigonometrisesti likiarvo seuraajan sijainnista. Tämä edellyttää ankkuripisteiden tarkkojen

Kooltaan 30 x 50 metriä oleva varastorakennus oli kalustettu metallihyllyillä laitteiden ja laatikoiden varastointia varten. Bluetooth-määrittelyjen mukaan alimmat kerrokset käsittelevät RF-raakadataa, mutta ne eivät määrittele algoritmia varsinaisen saapumiskulman laskemiseksi. Testimenettelyä varten u-blox kehitti tehokkaan algoritmin, jota ajetaan Bluetooth-piiriin sulautetussa mikro-ohjainyksikössä niin, ettei piirin tarjoama suuri tarkkuus huonone eikä

ETNdigi - 2/2021


päivitettävyys kärsi. Erityisesti ublox on kiinnittänyt huomiota etupään RF-piiriin, antenneihin, ankkuripisteissä sijaitsevissa Bluetooth-moduuleissa ajettaviin sulautettaviin algoritmeihin ja langattomaan liitettävyyteen runkoverkkoon ankkuripisteiden yhdistämiseksi verkkoon. Alla olevassa kuvassa esitetään u-bloxin ankkuripisteissä käytettäviä Bluetooth-tunnistetta ja Lmuotoista antenniryhmää. Koejärjestelyssään u-blox käytti kymmentä ankkuripistettä, joilla katettiin kuusi metriä korkea ja noin 1000 neliömetriä pintaalaltaan oleva suljettu tila. Huolellisen suunnittelun ja valmistelun perusteella paikannusjärjestelmän asentaminen tapahtui rakenteisiin kajoamatta ja kesti vain pari tuntia. Jotta seurantatunnisteiden ja moniantenniryhmien välinen näköyhteys saatiin parhaimmaksi mahdolliseksi, ankkuripisteet sijoitettiin 3-5 metriä lattiapinnan tason yläpuolelle. Koejärjestelyssä käytettiin yksinkertaisuuden vuoksi kolmannen osapuolen toimittamaa jäljitysohjelmistoa, tässä tapauksessa ohjelmisto tuli Traxmatelta. Tällä voitiin helposti syöttää ankkuripisteiden sijainnit ja suuntaviivat

Testissä käytetty Bluetooth-tagi ja L:n muotoinen antenniryhmä.

prosessoripiirin paikannustoimintojen käynnistämiseksi integroitua API:a käyttäen. Lopuksi u-blox toteutti wifitiedonsiirtoon runkoverkon jokaisen ankkuripisteen ja paikannusprosessorin välille.

ETNdigi - 2/2021

Erityisesti huomiota kiinnitettiin ubloxin kokeessa järjestelyn kokoonpanon suunnitteluun luotettavan toiminnan aikaan saamiseksi sisätiloissa, sillä tyypillisesti sisätilojen toteutukset ovat vaatineet monimutkaisia järjestelyjä. Ensinnäkin u-bloxin järjestelyssä ankkuripisteet on sijoitettu siten, että näköyhteys on paras mahdollinen kaikkien todennäköisten tunnistesijaintien ja ainakin kolmen ankkuripisteen välillä. Tämän lisäksi järjestelyllä pyritään estämään haitallisen keilaheijastuman vaikutusta esimerkiksi radiosignaalien sinkoillessa seinistä. Ankkuripisteissä ajettavat kulmia laskevat algoritmit on varustettu tekniikalla, joka pienentää monipolkuvaikutusta (multipath mitigation). Tuloksena on vakaa suorituskyky jopa vaativissa varastorakennusten radioympäristöissä. Konseptin oikeaksi todistamista varten tehdyt testit ovat vahvistaneet, että Bluetoothpohjaisen tarkan sijainnin määritys toimii hyvin. Testin kokemukset ovat vastanneet hyvin odotuksia. Hyvin toteutettuna järjestely tuottaa alle metrin tarkkuuksia, joita aletaan edellyttää sisätilojen paikannukselta yhä useammissa käyttökohteissa. Bluetooth-laitteille tyypilliseen tapaan vaadittavien laitteistojen kustannukset jäävät pienemmiksi kuin kilpailevissa teknologioissa ja samoin on tilanne tehonkulutuksen osalta. Sisätiloissa tapahtuvan paikannuksen toteutusratkaisut ovat jo pitkään olleet varsin haasteellisia. U-bloxin toteuttamien laitteistojärjestelyjen integroiminen webbiliittymiin Traxmaten kehittämien ohjelmistojen avulla

on yksinkertaistanut merkittävästi toteutusta. HOUKUTTAVA VAIHTOEHTO Julkistettuaan Bluetooth-radiosuuntimisen käsitteen kehitystyötä valvova Bluetooth SIG on pystynyt tarjoamaan sisätiloissa tapahtuvaan paikannukseen hyvin kilpailukykyisen toteutuksen, joka ratkaisi monia markkinoilla olevissa tuotteissa olevia heikkouksia. Kokemukset teknologiasta ubloxin esittämässä käyttökohteessa, jossa radiosuuntimista käytettiin ohjaamaan servoa toimisto-tiloissa toteutetussa paikannuk-sen koemenettelyssä ja konseptin oikeaksi todistaminen teollisuuden varastorakennuksessa, on vahva osoitus mahdollisuuksista soveltaa Bluetooth-pohjaista teknologiaa sisätiloissa kohteiden paikannuksessa samalla tavoin kuin GNSSteknologiat ovat tehneet ulkoilmassa tapahtuvan paikannuksen osalta. Lisätietoja koejärjestelyissä käytetyistä laitteista ja konseptin oikeaksi todistamisesta sekä kehitettyjen algoritmien tuomista eduista saapumiskulmien laskemisessa kussakin ankkuripisteessä, paikannusprosessorin sijaintien estimoinneista ja keilaheijastumien häivyttämisestä toteutettavien ratkaisujen luotettavuuden parantamiseksi on saatavissa ubloxin sivuilta.

LISÄTIETOJA • Bluetooth Direction Finding • Bluetooth indoor positioning explorer kits

Page 25


YKSITYINEN 5G-VERKKO

VIE TEHTAAT UUDELLE TASOLLE Anja Schaal Rutronik

Digitalisaatio pakottaa yritykset kehittymään jatkuvasti pysyäkseen kilpailussa mukana. Privaatit 5G-verkot auttavat heitä olemaan ketterämpiä, tehokkaampia ja hyödyntämään digitaalisuutta tehokkaammin.

Yksityiset 5G-verkot ovat paikallisia, maantieteellisesti rajoitettuja 5G -verkkoja, jotka eivät ole yleisön saatavilla. Ne ovat erityisen kiinnostavia teollisessa käytössä, koska 5G-tekniikka tarjoaa juuri verkottuneen tuotannon edellyttämät ominaisuudet korkean luotettavuuden, laajan kantaman, alhaisen latenssin ja suuren kaistanleveyden energiatehokkuuden rinnalla. Nämä ominaisuudet edellyttävät kuitenkin korkeampia taajuusalueita. Aiempien matkapuhelinstandardien kahden gigahertsin sijasta 5G-privaattiverkot nojaavat 3,7 - 3,8 gigahertsin taajuuksiin. Tämä tarkoittaa 5Gtaajuuskaistaa n78. MIKÄ TEKEE PRIVAATTIVERKOSTA ERITYISEN? 5G-tekniikka mahdollistaa langattoman reaaliaikaisen viestinnän ihmisten, koneiden,

Page 26

antureiden ja muiden päätelaitteiden välillä. 5G-verkko voittaa 4G-edeltäjänsä parannetulla mobiililaajakaistalla (eMBB, enhanced mobile broadband), massiivisella koneiden välisellä viestinnällä (mMTC, massive Machine Type Communication) ja erittäin luotettavalla ja alhaisen viiveen yhteydellä (URLLC, Ultrareliable low-latency communication). URLLC:n myötä latenssi putoaa 4G:n noin 15-80 millisekunnista alle yhteen millisekuntiin. Tämä mahdollistaa koneiden, robottien ja itsenäisten kuljetusjärjestelmien ohjaamisen ilman havaittavaa viivettä. EMBB:n avulla tiedonsiirtonopeus voi nousta 5G:ssä jopa 10 gigabittiin sekunnissa – kapasiteetti on tällöin 10 terabittiä sekunnissa neliökilometrillä. Vertailun vuoksi

4G-tekniikan raja oli 1 gigabitti sekunnissa, mikä tekee 5G:stä noin kymmenen kertaa 4G:tä nopeamman. Videot voidaan lähettää suorana erittäin korkealla resoluutiolla. Näinä koronaviruspandemian aikoina ulkomaiset kehittäjät voivat videon välityksellä tarkastella pienimpiäkin yksityiskohtia ja kommentoida niitä. Erityisen mielenkiintoista on mMTC:n mahdollistama valtava yhteystiheys, joka on jopa miljoona päätelaitetta jokaisella neliökilometrillä. Samalla eMTC minimoi energiankulutuksen, joka on vain noin 10 prosenttia LTEjärjestelmien kulutuksesta. Tämä siitä huolimatta, että 4G:ssä yhdellä neliökilometrillä voi parhaimmillaankin olla vain noin 200 päätelaitetta. MMTC on erityisen hyödyllinen suurissa varastoissa, pysäköintialueiden

ETNdigi - 2/2021


E Kuva: Adobe Stock

hallintajärjestelmissä ja suurissa tapahtumissa loppuunmyydyillä stadioneilla käytetyissä sovelluksissa. Lisäksi älykkään verkon viipalointitekniikan (network slicing) ansiosta useat virtuaaliverkot voivat toimia samanaikaisesti samalla fyysisellä verkkoinfrastruktuurilla. Tämä mahdollistaa jokaisen sovellustyypin (eMBB, mMTC ja URLLC) tietojen siirtämisen oman virtuaalisen matkapuhelinverkkonsa kautta, mikä puolestaan voidaan optimoida yksilöllisesti kullekin sovellukselle. Privaattiverkot voittavat julkiset verkot myös luotettavuuden ja saatavuuden suhteen, koska niiden toiminta ei ole riippuvainen operaattorista. MITÄ 5G TEKEE PAREMMIN KUIN WI-FI 6? Tällä hetkellä suurin osa privaattiverkoista – joita esimerkiksi Saksassa kutsutaan varsin yleisesti kampusverkoiksi - perustuu WiFi-tekniikkaan. Wi-Fi 6, joka tunnetaan myös nimellä Wi-Fi AX, on tekniikan uusin sukupolvi, joka julkistettiin lähes samaan aikaan

ETNdigi - 2/2021

kuin 5G-tekniikka. 5G:n tapaan se tuo lukuisia parannuksia, kuten enemmän kaistanleveyttä datastriimiä kohden, alhaisemman viiveen ja korkeammat tiedonsiirtonopeudet, jotka yltävät jopa 6 gigabittiin sekunnissa. Tämän mahdollistavat uudet modulointimenetelmät, kuten OFDMA (ortogonaalinen taajuusjakoinen monipääsy) ja 1024-QAM (kvadratuuri-amplitudimodulaatio). Koska Wi-Fi 6 on taaksepäin yhteensopiva, käyttäjän laitteistoa ei tarvitse vaihtaa. Tämä on iso etu erityisesti toimistorakennusten yksityisille verkoille. Kun verkkoon liitettyjen koneiden, järjestelmien ja mobiilisovellusten, kuten robottien ja itsenäisten kuljetusjärjestelmien määrä kasvaa, myös yksityisen verkon tarpeet lisääntyvät. Monet teollisuus- ja tuotantolaitokset tarvitsevat myös privaattiverkon, joka kattaa sisätilojen lisäksi ulkoalueet, koska esimerkiksi kuljetusjärjestelmät levittäytyvät yleensä koko tuotantolaitoksen alueelle. Matalataajuisena (3,7–3,8 GHz verrattuna 5 GHz:iin Wi-Fi-

verkossa) 5G kattaa suuremman alueen ja tarjoaa silti Wi-Fin kanssa vertailukelpoisia tiedonsiirtonopeuksia. Wi-Fiä ja jopa Wi-Fi-verkkovierailua käytettäessä tapahtui usein, että autonomisen kuljetusjärjestelmän oli pysähdyttävä hetkeksi, kun siirrytään solun alueelta toiselle. Liikkeeseen päästään vasta, kun yhteys uuteen soluun tai yhdyskäytävään on muodostettu. Tämä koskee erityisesti kaikkia mobiilisovelluksia, jotka ovat riippuvaisia jatkuvasta datavirrasta. 5G-solut ovat suurempia, latenssiajat ovat lyhyempiä ja siirtyminen solujen välillä on saumatonta. Joten kun on kyse mobiilijärjestelmistä ja sovelluksista, joita käytetään teollisuuden järjestelmien ja tuotantolaitosten automaatiossa, 5G:llä on selvä etu puolellaan. MITEN YRITYKSET SAAVAT 5G-PRIVAATTIVERKON? Saksassa yritykset voivat hankkia lisenssejä 5G -taajuuksille jättämällä hakemuksen liittovaltion sähkö-, kaasu-, televiestintä-,

Page 27


posti- ja rautatievirastolle. Federal Network Agency on hyväksynyt 100 megahertsiä taajuuksia (3,7 - 3,8 GHz) paikallisiin verkkoihin tätä tarkoitusta varten. Taajuuslohkoja voidaan myöntää yhdelle tai useammalle kiinteistölle. Lisenssimaksu lasketaan pyydetyn kaistanleveyden (B) megahertseinä (joka on määritettävä 10 megahertsin välein), lisenssisopimuksen keston vuosina (t) ja alueen perusteella (neliökilometreinä). Katettava alue voidaan luokitella "rakennettuna ympäristönä ja siihen liittyvänä liikennealueena" (a1) tai "muuna" (a2). Teollisuus- ja kauppa-alueet luokitellaan a1-luokkaan. Laskentakaava on seuraava:

5G-kampusverkot eivät ole julkisessa käytössä, joten ne takaavat datalle korkea tason turvallisuuden.

Hinta euroissa = 1000 + B x t x 5 x (6 x a1 + a2) Tuotantolaitokselle, jonka tehokas pinta-ala on 0,2 km², sopimuskausi kymmenen vuotta ja koko kaistanleveys 100 MHz, lisenssimaksu on 6000 euroa. Vuodessa lisenssin hinta on siis 600 euroa. MITÄ LAITTEITA VAADITAAN PRIVAATTIVERKKOON? Tarvittavat laitteet, 5G-korteista ja modeemeista antenneihin, palvelimiin ja virtalähteisiin, ovat saatavilla Rutronikilta. Yksi esimerkki on Telitin FN980-5GM.2-kortti, joka oli yksi ensimmäisistä markkinoille tulleista 5Gtuotteista. Se tukee maailmanlaajuisesti käytettyjä LTE- ja 5Gyhteyksiä alle 6 gigahertsin taajuuksilla eli myös n78-kaistaa, joka kattaa alueen 3,3 - 3,8 GHz, jota tarvitaan privaattiverkon rakentamiseksi Eurooppaan. 30 × 50 millimetrin kokoisena ja -40…+85 asteen lämpötilaalueella toimivana tämä 5G-M.2kortti on ihanteellinen teollisiin sovelluksiin. Se perustuu Qualcommin Snapdragon X55 5G piirisarjaan. FN980-kortin mukana toimitetaan oma Telit-ohjelmisto,

Page 28

ja se voidaan konfigu-roida ATkomennoilla. FN980m-malli tukee myös uusia millimetri-alueen taajuuksia. Myös Advantech tarjoaa 5G-M.2kortin AIW-355DQ-perheen muodossa. Telitin piirisarjan tapaan Advantechin kortti perustuu Snapdragon X55 5G -piirisarjaan. Toisin kuin Telit, Advantech suunnittelee kuitenkin alueellisia versioita Eurooppaan, PohjoisAmerikkaan ja Japaniin AIW-355DQ-sarjan avulla. Kortin koko on 52 × 30 millimetriä ja lämpötila-alue kattaa alueen -10 ... +55 astetta. Molempien valmistajien 5Gverkossa toimivat M.2-kortit tarjoavat useita 5G- ja GNSSantenniliitäntöjä. Rutronik tarjoaa sopivia antenneja esimerkiksi 2J:ltä, AVX:ltä ja Pulselta. Yksi tuotepaletin kohokohdista on 2JW1683 Katana 2J:lta. Yhtenä pienimmistä 5G-monopoliantenneista se tukee alle 6 GHz:n taajuusalueita privaattiverkossa ja on myös taaksepäin yhteensopiva 4G-, 3G- ja 2Gkaistojen tuen kanssa.

Nivelpistokkeen ansiosta antenni voi olla 45 - 90 asteen asennossa. Se on erittäin pienikokoinen, kooltaan vain 10 × 80 millimetriä, joten se mahdollistaa hyvin pienet laitteet. Silti antennilla voidaan lähettää rakennusten ja voimakkaasti rakennettujen kaupunkialueiden läpi, joten se sopii täydellisesti tuotantolaitosten koko alueen peittämiseen. Mitä tulee 5G-laitteiden polymeeriliima-antenneihin, 2J tarjoaa versiot 2F0283P, 2JF0383P, 2JF0483P ja 2JF0583P. Nämä eroavat toisistaan vain maadoituslevyn koon suhteen. Ne optimoivat signaalin voimakkuuden ja signaalin laadun koko alle 6 GHz:n alueella käyttämällä monisuuntaista lähetyskuviota. Ne tukevat 5G:n lisäksi myös vanhoja 4G-, 3G- ja 2G-taajuusalueita. Rutronikin langattomien tekniikoiden tiimiltä on saatavana sopivia kaikenpituisia ja -värisiä kaapeleita ja liittimiä, ja teknistä tukea tarjoaa suuri joukko sovellussuunnittelijoita ja tuoteasiantuntijoita.

ETNdigi - 2/2021


Committed to excellence CONSULT | COMPONENTS | LOGISTICS | QUALITY

HIGH-TECH COMPONENTS for Your Innovations

As a leading distributor of electronic components we are able to offer you a wide portfolio of products, expert technical support for product development and design-in, individual logistics and supply chain management solutions as well as comprehensive services. Semiconductors Passive Components

Electromechanical Components

Displays & Monitors Boards & Systems

Storage Technologies Wireless Technologies

For more information about RUTRONIK: Tel. +358 9 3291 2200 | sales_finland@rutronik.com

www.rutronik.com ETNdigi - 2/2021

Page 29


MIKROMODUUL TARKKAA DATANKERUU Analog Devicesin µModule-ratkaisu ADAQ4003 on tarkoitettu tarkkojen datankeruujärjestelmien suunnittelijoiden käyttöön. Moduulirakenne nopeuttaa komponenttien valintaa ja tuotantovalmiiden prototyyppien rakentamista.

Maithil Pachchigar Analog Devices

Järjestelmäarkkitehdit ja piiritason suunnittelijat käyttävät huomattavia t&k-resursseja kehittääkseen erittäin suorituskykyisiä ja tarkkoja lineaarisia erillislohkoja sovellustensa signaaliketjuihin (mittaus ja testaus, teollisuusautomaatio,

terveydenhuolto, ilmailu, puolustus), joita järjestelmät hyödyntävät mittaukseen ja suojaukseen, datan keräämiseen ja muokkaamiseen. Tässä artikkelissa keskitytään erittäin tarkan datankeruun alijärjestelmiin, kuten kuvasta 1 nähdään.

Kuva 1. Huippuluokan tiedonkeruujärjestelmän lohkokaavio.

Page 30

Elektroniikkateollisuuden dynamiikka kehittyy nopeasti, jolloin analogisten kytkentöjen ja prototyyppien rakentamiselle jää entistä vähemmän aikaa, kun t&k-budjettien ja tuotteiden markkinoille tuonnin hallinta muuttuu yhä haastavammaksi. Piirisuunnittelijat vaativat tarkoilta datamuuntimilta parempaa suorituskykyä ja kestävyyttä monimutkaisia, yhä pienemmässä koossa toteutettavia, sovelluksia varten. Heterogeeninen integrointi SiPteknologian (System-in-Package) avulla edistää edelleen elektroniikkateollisuuden keskeisiä trendejä kuten siirtymistä suurempaan tiheyteen, parempaan toimivuuteen ja suorituskykyyn sekä pidempään vikaantumisväliin. Tämä artikkeli havainnollistaa, miten Analog ETNdigi - 2/2021


LILLA

UTA

Devices hyödyntää heterogeenistä integraatiota muuttaakseen tarkkojen muunnosten pelikenttää ja tarjotakseen ratkaisuja, joilla on merkittäviä vaikutuksia sovelluksiin. Järjestelmien suunnittelijat kohtaavat logistisia haasteita, kuten komponenttien valinta ja suunnittelun optimointi lopullisille prototyypeille. Lisäksi on teknisiä haasteita, kuten AD-muuntimien tulojen ohjaaminen ja niiden suojaaminen ylijännitetapahtumilta, järjestelmän tehonkulutuksen minimointi sekä paremman suorituskyvyn saavuttaminen niukkatehoisilla mikro-ohjaimilla ja/tai digitaalisilla erottimilla. Koska järjestelmätason ohjelmistoihin ja sovelluksiin kiinnitetään nykyään enemmän huomiota kuin itse järjestelmäratkaiETNdigi - 2/2021

suihin, OEM-valmistajat osoittavat entistä enemmän resursseja ohjelmistojen kehittämiseen laitteistojen sijasta. Tämä johtaa lisääntyneeseen paineeseen piiriratkaisujen suunnittelussa iteraatiokierrosten vähentämiseksi. Tiedonkeruun signaaliketjuja kehittävät suunnittelijat vaativat yleensä suurta tuloimpedanssia, jotta voidaan käyttää suoria liitäntöjä erilaisiin antureihin. Signaaliketjuissa voi esiintyä vaihtelevia yhteismuotojännitteitä ja yksi- tai kaksinapaisia maatasoon verrannollisia tai differentiaalisia tulosignaaleja. Jos tutkitaan kokonaisvaltaisesti kuvan 2 (s. 32) mukaista erilliskomponentein toteutettua tyypillistä signaaliketjua, on helppo ymmärtää joitakin järjestelmäsuunnittelun tärkeimpiä teknisiä

kipupisteitä. Kuvassa 2 on esitetty huipputarkan datankeruun alijärjestelmä, jossa instrumentointivahvistimen 20 Vpp lähtö syötetään differentiaalivahvistimen (FDA) positiiviseen tuloon. Tämä FDA-vahvistin tarjoaa tarvittavan signaalinmuodostuksen tasonsiirtoineen ja vaimentaa signaalin sekä asettaa lähdön vaihtelemaan nollan ja viiden voltin välillä. Vaiheeltaan käänteiset signaalit tuottavat 10 Vpp differentiaalisen signaalin AD-muuntimen tuloasteelle dynaamisen alueen maksimoimiseksi. Instrumentointivahvistimen syöttöjännite saadaan ±15 V kaksoislähteestä, kun taas FDA saa käyttötehonsa +5/-1 voltin lähteestä ja ADmuunnin +5 voltin lähteestä. Takaisinkytkentävastusten (RF1 = Page 31


RF2) suhde vahvistusvastuksiin (RG1 = RG2) asettaa FDA:n vahvistuskertoimeksi 0,5. FDA:n kohinanvahvistus (NG) määritellään seuraavasti:

Missä β1 ja β2 ovat takaisinkytkentäkertoimet: Kuva 2. Tyypillisen tiedonkeruupiirin signaaliketjun yksinkertaistettu kaavio.

Artikkelin tässä osassa esitetään, kuinka piirin epätasapaino (eli β1 ≠ β2) tai takaisinkytkentä- ja vahvistusvastusten epäsovitus (RG1, RG2, RF1, RF2) FDA:n ympärillä vaikuttavat tärkeimpiin spesifikaatioihin kuten signaali/ kohina-suhteeseen, säröön, lineaarisuuteen, vahvistusvirheeseen, ryömintään ja yhteismuodon vaimennussuhteeseen (CMRR). FDA:n differentiaalinen lähtöjännite riippuu jännitteestä VOCM. Jos takaisinkytkentäkertoimet β1 ja β2 eivät ole yhtä suuret, lähtösignaalin amplitudin tai vaiheen epätasapaino tuottaa lähtöön epätoivotun yhteismuotoisen komponentin, jota vahvistetaan kohinanvahvistuskertoimella, mikä synnyttää ylimääräisen kohinan ja tasopoikkeaman FDA:n differentiaaliseen lähtöön. Siksi on välttämätöntä, että vahvistus/takaisinkytkentävastukset on sovitettu tarkasti. Toisin sanoen tulolähteen impedanssin ja vastuksen RG2 (RG1) tulisi vastata toisiaan (eli β1 = β2), jotta vältetään signaalin säröytyminen ja kunkin lähtösignaalin yhteismuotoisen jännitteen epäsovitus sekä estetään FDA-vahvistimelta tulevan yhteismuotoisen kohinan lisääntyminen. Yksi tapa tasapainottaa differentiaalista offsetia ja välttää lähdön säröytymistä on lisätä ulkoinen vastus sarjaan vahvis-

Page 32

tusvastuksen (RG1) kanssa. Lisäksi vahvistusarvon ryömintään vaikuttaa myös vastustyypin valinta. Ohutkalvo-vastuksella on alhainen lämpötilakerroin, mutta vastusten valinta on haasteellista kustan-nusten ja piirilevytilan asettamien rajoitusten puitteissa.

ja signaaliketjulta odotettavan suorituskyvyn saavuttamiseksi. HELPOTUSTA SUUNNITTELUTYÖHÖN

Lisäksi epätavallisten kaksipuolisten jännitelähteiden toteuttaminen on haasteellista monille suunnittelijoille, koska niiden piirilevyihin liittyy lisäkustannuksia ja rakenteellisia rajoituksia. Suunnittelijoiden on myös huolellisesti valittava optimaaliset passiivikomponentit, mukaan lukien RC-alipäästösuodin (joka on sijoitettu ADCohjaimen lähdön ja AD-muuntimen tulojen väliin) sekä suodatuskondensaattori SAR ADC:n (Successive Approximation Register) dynaamista referenssisolmua varten.

Monet järjestelmien suunnittelijat toteuttavat samaa signaaliketjuarkkitehtuuria eri sovelluksille. Yksi ratkaisu ei kuitenkaan sovi kaikille, joten Analog Devices (ADI) on keskittynyt signaaliketjun yleisiin osiin eli signaalinkäsittelyyn ja digitointiin tarjoamalla signaaliketjuihin täydellisempiä µModule-ratkaisuja, joilla on pitkälle kehitetty suorituskyky ja jotka kaventavat kuilua erillisten standardikomponenttien ja erittäin pitkälle integroitujen asiakaskohtaisten IC-piirien välillä. Yhtiön kehittämä ADAQ4003 on SiP-ratkaisu, joka tarjoaa parhaan tasapainon t&kkustannusten ja koon pienentämisen välille nopeuttaen samalla prototyyppien suunnitteluaikaa.

RC-suodin auttaa rajoittamaan kohinaa AD-muuntimen tuloissa ja vähentää SAR ADC:n kapasitiivisesta DAC-tulosta tulevien ’takapotkujen’ vaikutusta. Kondensaattorien on syytä olla C0G- tai NP0-tyyppisiä ja sarjavastusten resistanssien järkevän kokoisia, jotta vahvistin pysyy vakaana ja lähtövirta sallituissa rajoissa. Lopuksi osien sijoittelu piirilevylle on erittäin tärkeä tekijä signaalin eheyden säilyttämiseksi

Huipputarkkaan datankeruuseen tarkoitettu µModule-ratkaisu ADAQ4003 sisältää useita yleisiä signaalin käsittely- ja muokkauslohkoja sekä kriittisiä passiivikomponentteja, jotka on yhdistetty yhdeksi moduuliksi käyttämällä ADI:n edistynyttä SiPtekniikkaa (kuva 5). Pienikohinainen moduuli sisältää FDAvahvistimen, vakaan referenssipuskurin sekä 18 bitin erottelukykyyn yltävän 2 Ms/s SAR ADC -muuntimen.

ETNdigi - 2/2021


ADAQ4003 yksinkertaistaa erittäin tarkkojen mittausjärjestelmien signaaliketjujen suunnittelua ja kehityssykliä siirtämällä komponenttien valinnan, optimoinnin ja osien sijoittelun suunnittelijalta valmiiseen moduuliin ja ratkaisee kaikki tärkeimmät edellä mainitut ongelmat. FDA:n ympärille sijoitettu tarkkuusvastusten ryhmä on muodostettu käyttämällä ADI:n omaa iPassivesteknologiaa, joka hoitaa piirien epätasapainon, vähentää loissignaaleja ja auttaa saavuttamaan jopa 0,005% vahvistuksen sovituksen sekä optimoidun ryömintätason (1 ppm/°C). iPassives-teknologia tarjoaa myös kokoedun erillisiin passiivikomponentteihin verrattuna, mikä minimoi lämpötilasta riippuvat virhelähteet ja vähentää järjestelmätason kalibrointitarvetta. FDA:n nopea asettuminen ja laaja yhteismuotoinen tuloalue sekä tarkasti määritettävissä olevat vahvistusvaihtoehdot (0,45, 0,52, 0,9, 1 tai 1,9) mahdollistavat vahvistuksen tai vaimennuksen säätämisen ja täysin differentiaaliset tai maatasoon verrannolliset tulot. ADAQ4003 sisältää ADCohjaimen ja AD-muuntimen välille sijoitetun yksinapaisen RCsuotimen, joka on suunniteltu optimoimaan asettumisaika ja tulosignaalin kaistanleveys. Kaikki tarvittavat suodatuskondensaattorit jännitteen referenssisolmulle ja teholähteille auttavat pitämään materiaalikulut kurissa. ADAQ4003 sisältää myös referenssipuskurin, joka on konfiguroitu ykkösvahvistukselle ohjaamaan optimaalisesti SAR ADC referenssisolmun dynaa-mista tuloimpedanssia. REF-nastaan sijoitettu 10 µF konden-saattori on kriittinen vaatimus, joka auttaa täydentämään sisäi-sen kapasitiivisen DAC:n varaus-ta

ETNdigi - 2/2021

signaalien sijoittamisen vasemmalle puolelle ja digitaalisten signaalien oikealle puolelle. Toisin sanoen tämä mahdollistaa sen, että suunnittelijat voivat pitää herkät analogiset ja digitaaliset lohkot erillään ja näin välttää signaalipolkujen risteämisen vähentääkseen säteilemällä siirtyvää kohinaa.

Kuva 3. ADAQ4003 µModule pohjaisen laitteen koko verrattuna erilliskomponentein toteutettuun signaaliketjuratkaisuun.

bittipäätösprosessin aikana. Tämä on välttämätöntä muunnoksen huippusuorituskyvyn saavuttamiseksi. Kun mukana on referenssipuskuri, käyttäjä voi hyödyntää paljon pienempitehoista referenssilähdettä kuin monissa perinteisissä SAR ADC -pohjaisissa signaaliketjuissa, koska referenssilähde ohjaa suuren impedanssin solmua SAR-kondensaattoriryhmän dynaamisen kuormituksen sijaan. Käyttäjä voi joustavasti valita referenssipuskurin tulojännitteen, joka vastaa haluttua tuloaluetta. TIHEYTTÄ JA HELPPOUTTA PIIRILEVYSUUNNITTELUUN ADAQ4003:n 7x7-millinen BGAkotelo pienentää tarvittavan piirilevyalan alle neljäsosaan verrattuna perinteiseen erilliskomponentein toteutettuun signaaliketjuun (kuva 3), mikä mahdollistaa pienikokoiset laitteet suorituskyvystä tinkimättä. Piirilevysuunnittelu on kriittinen vaihe signaalin eheyden säilyttämisessä ja signaaliketjulta odotetun suorituskyvyn saavuttamiseksi. ADAQ4003:n nastajärjestys helpottaa osien sijoittelua ja sallii analogisten

ADAQ4003 sisältää kaikki tarvittavat (alhaisen ESR- ja ESLlukeman) suodatuskondensaattorit REF- ja teholähdenastoja (VS+, VS-, VDD ja VIO) varten. Nämä kondensaattorit tarjoavat korkeille taajuuksille matalaimpedanssisen polun maatasoon virtapiikkien suodattamiseksi. Ulkoisia suodatuskondensaattoreita ei vaadita ja ilman niitä toiminnassa ei ole havaittu mitään vaikutusta suorituskykyyn tai minkäänlaisia EMI-ongelmia. Vaikutusta suorituskykyyn testattiin ADAQ4003-evaluointikortilla poistamalla ulkoiset suodatuskondensaattorit referenssi- ja LDO-regulaattorien lähdöistä, jotka muodostavat sisäiset syöttölinjat (REF, VS+, VS−, VDD ja VIO). Kuvasta 4 nähdään, että kaikki häiriöt ovat alle –120 dB riippumatta siitä, käytetäänkö ulkopuolisia kondensaattoreita vai ei. ADAQ4003:n pieni koko mahdollistaa suuren kanavatiheyden piirilevyllä vähentäen samalla lämpöhaasteita. Yksittäisten komponenttien sijoittelu levylle ja eri signaalien reititys on kuitenkin ratkaisevan tärkeää. Tulo- ja lähtösignaalien symmetrinen reititys on erityisen tärkeää, samoin tehonsyöttöpiirien pitäminen erillään signaalireiteistä erillisen piirilevykerroksen avulla. Näin voidaan tarjota matalaimpedanssiset reitit ja vähentää häiriöiden vaikutusta syöttölinjoihin sekä välttää EMIongelmia.

Page 33


vastaamaan ADAQ4003:lle haluttua yhteismuotoista tulosignaalia ja tarjoaa amplitudin, joka tarvitaan ADAQ4003 μModulen sisällä olevan ADmuuntimen differentiaalisen signaalialueen suurimman 2 x VREF huipusta huippuun jännitteen saavuttamiseksi. Kuvat 6 ja 7 (s. 36) esittävät SNR- ja THD-suorituskykyä LTC6373vahvistinpiirin eri vahvistusasetuksilla ja kuva 8 puolestaan esittää INL/DNL-suorituskykyä arvoilla ± 0,65 LSB/± 0,25 LSB kuvassa 5 esitetylle konfiguraatiolle. SOVELLUSESIMERKKINÄ ATE Kuva 4. ADAQ4003-moduulin FFT-mittaustulokset tulot oikosuljettuina. Suorituskyky säilyy samana ennen ja jälkeen ulkoisten erotuskondensaattorien poistamisen.

ADAQ4003-PIIRIN OHJAUS PGIA-VAHVISTIMELLA Kuten aiemmin mainittiin, korkean tuloimpedanssin etuasteita vaaditaan tyypillisesti silloin, kun kytkeydytään suoraan erilaisiin antureihin. Suurin osa instrumentoinnista ja ohjelmoitavan vahvistuksen instrumentointivahvistimista (PGIA) käyttää yksipuolisia lähtöjä, jotka eivät voi suoraan ohjata täysin differentiaalista tiedonkeruun signaaliketjua. Korkean impedanssin PGIA-vahvistinpiiri LTC6373 tarjoaa kuitenkin alhaisen kohinan ja särön sekä laajan kaistanleveyden omaavat täysin differentiaaliset lähdöt, joilla voidaan suoraan ohjata ADAQ4003-moduulia tinkimättä tarkasta suorituskyvystä, joten se sopii monenlaisiin signaaliketjun sovelluksiin. LTC6373:n lähtö ja tulo ovat DC-kytkettyjä, lisäksi vahvistusasetus on ohjelmoitavissa (käyttäen A2-, A1- ja A0nastoja). Kuvan 5 tapauksessa LTC6373piiriä käytetään differentiaalisen

Page 34

tulon ja differentiaalisen lähdön sekä ±15 V kaksoissyötön konfiguraatiossa. LTC6373vahvistinta voidaan tarvittaessa käyttää myös yksipuolisen tulon ja differentiaalisen lähdön kokoonpanossa. LTC6373 ohjaa suoraan ADAQ4003-moduulia vahvistusarvolla 0,454. LTC6373:n VOCM-nasta on kytketty maahan ja sen lähdöt vaihtelevat välillä -5,5...+5,5 V (vastakkaisessa vaiheessa). ADAQ4003-piirin sisäinen FDA muuttaa LTC6373:n lähdöt

Seuraavassa keskitytään siihen, miten erinomaisesti ADAQ4003 sopii automaattisissa mittausjärjestelmissä (ATE) hyödynnettäviin SMU-mittausyksiköihin (Source Measurement Unit) ja teholähteisiin. Näitä modulaarisia instrumentteja käytetään testattaessa monenlaisia sirutyyppejä nopeasti kasvaville älypuhelin-, 5G-, ajoneuvo- ja IoT-markkinoille. Nämä tarkkuuslaitteet voivat toimia sekä kuormana että lähteenä, mikä vaatii kullekin kanavalle ohjaussilmukan, joka huolehtii ohjelmoidusti jännitteen ja virran säätämisestä. Ne vaativat suurta tarkkuutta (erityisesti lineaarisuutta), nopeutta ja laajaa dynaamista aluetta (µA/µV -signaalitasojen

Kuva 5. LTC6373-vahvistin ohjaa ADAQ4003-moduulia (vahvistus = 0,454, 2 Ms/s).

ETNdigi - 2/2021


New flagship ultra-low-power MCUs with advanced performance and security

STM32U5 MCU series puts an end to the power/performance dilemma in smart embedded applications from wearables to home automation and industrial sensors. Now at distributors.

Find out more at: www.st.com/stm32u5

ETNdigi - 2/2021

Page 35


deterministinen ryömintä vähentää uudelleenkalibroinnin kustannuksia ja laitteen seisokkeja.

Kuva 6. Signaali/kohina-suhde LTC6373:n vahvistuksen funktiona, kun LTC6373 ohjaa ADAQ4003moduulia (vahvistus = 0,454, 2 Ms/s).

mittaamiseksi), monotonisuutta sekä pientä kokoa rinnakkaisten kanavien määrän lisäämiseksi. ADAQ4003 tarjoaa ennennäkemättömän tarkkuuden, vähentää loppujärjestelmän osien määrää ja mahdollistaa suuremman kanavatiheyden piirilevytilan asettamien rajoitusten puitteissa. Samalla moduuli helpottaa kalibroinnin tarvetta ja lämmönhallinnan haasteita, jotka ovat tyypillisiä kaikille skaalautuvia DC-mittauksia hyödyntäville testauslaitteille.

Kuva 7. Harmoninen kokonaissärö (THD) LTC6373:n vahvistuksen funktiona, kun LTC6373 ohjaa ADAQ4003-moduulia (vahvistus = 0,454, 2 Ms/s).

ADAQ4003:n huippuluokan tarkkuus yhdistettynä suureen näytenopeuteen vähentää kohinaa. Viiveetön toiminta tekee siitä ideaalisen ohjaussilmukkaa hyödyntäviin sovelluksiin tarjoamalla optimaalisen askelvasteen ja nopean asettumisen mittausten tehostamiseksi. ADAQ4003 poistaa puskurien tarpeen referenssijännitteiden jakamisessa laitteille. Koska ryömintä ja ikääntyminen sanelevat testauslaitteen tarkkuuden, ADAQ4003:n

ADAQ4003 parantaa instrumenttien kykyä mitata alhaisimpia virta- ja jännitealueita sekä helpottaa ohjaussilmukan optimointia erilaisille kuormitusolosuhteille. Tämä johtaa suoraan käyttöominaisuuksien, testaustehokkuuden, suorituskyvyn ja kustannustehokkuuden paranemiseen. Näiden instrumenttien suurempi testaustehokkuus ja lyhyemmät testausajat johtavat suoraan loppukäyttäjien alhaisempiin testauskustannuksiin. SMU-yksikön yksinkertaistettu lohkokaavio on esitetty kuvassa 9 ja sitä vastaava signaaliketju kuvassa 5. Suuri läpimenonopeus antaa ADAQ4003:lle mahdollisuuden ylinäytteistykseen mahdollisimman alhaisen kohinan saavuttamiseksi ja amplitudiltaan hyvin pienten signaalien havaitsemiseksi laajalla kaistanleveydellä. ADAQ4003:n ylinäytteistys kertoimella neljä tuo yhden lisäbitin resoluutioon (tämä on mahdollista vain siksi, että ADAQ4003 tarjoaa riittävän lineaarisuuden – kuva 8) eli lisää dynaamista aluetta 6 dB. Toisin sanoen ylinäytteistyksen ansiosta saatava dynaamisen alueen (DR) parannus määritellään seuraavasti: ΔDR = 10 × log10 (OSR) dB.

Kuva 8. INL/DNL-suorituskyky, kun LTC6373 (vahvistus = 1) ohjaa ADAQ4003moduulia (vahvistus = 0,454).

Page 36

ADAQ4003:n tyypillinen dynaaminen alue 2 Ms/s nopeudella on 100 dB viiden voltin referenssijännitteellä, kun tulot on oikosuljettu maahan. Koska ADAQ4003 ylinäytteistää kertoimella 1024x lähdön datanopeudella 1,953 ks/s, se tarjoaa ennätyksellisen noin 130 dB dynaamisen alueen vahvistuskertoimilla 0,454 ja 0,9. Tämän ansiosta voidaan havaita hyvin tarkasti erittäin pienet

ETNdigi - 2/2021


Kuva 9. SMU-mittausyksikön yksinkertaistettu lohkokaavio.

mikrovolttiluokan amplitudit. Kuvassa 10 nähdään ADAQ4003:n dynaaminen alue ja signaali/kohina-suhde ylinäytteistyksen eri nopeuksilla sekä tulotaajuuksilla 1 kHz ja 10 kHz.

mahdollisuuden toimittaa edistyneitä järjestelmäratkaisuja loppuasiakkaille entistä nopeammin.

REILUSTI LISÄARVOA SOVELLUKSIIN

kuten automaattisissa testauslaitteissa (SMU, DPS), elektroniikan mittauksissa (impedanssimittaus), terveydenhuollossa (elintoimintojen seuranta, diagnostiikka, kuvantaminen), ilmailussa sekä monissa teollisissa käyttökohteissa (koneautomaation tulo- ja lähtömoduulit).

Tarkkojen datankeruujärjestelmien suunnittelun alueella Analog Devices hyödynsi vankkaa osaamistaan lineaarija muunninpiireissä kehittäessään signaaliketjuun tarkoitetun ADAQ4003 µModule -ratkaisun. ADAQ4003 mahdollistaa vaikeimpien teknisten ongelmien ratkaisemisen. ADAQ4003 keventää suunnittelutaakkaa, kuten komponenttien valintaa ja tuotantoon valmiiden prototyyppien rakentamista, ja antaa järjestelmien suunnittelijoille

ADAQ4003:n kaltaiset mikromoduuliratkaisut vähentävät merkittävästi järjestelmän suunnittelun kokonaiskustannuksia (kuva 11). Ne alentavat piirilevyjen kokoonpanokustannuksia parantamalla tuotantoerien välistä saantoa ja mahdollistavat suunnittelun uudelleenkäytön skaalautuvilla/modulaarisilla alustoilla sekä yksinkertaistavat kalibrointitoimia loppusovelluksessa nopeuttaen näin tuotteiden markkinoille tuomista.

ADAQ4003 µModule:n ennennäkemättömän tarkka suoritus-

Kuva 10. ADAQ4003:n dynaaminen alue ja signaali/kohina-suhde

kyky ja pieni koko tuovat lisäarvoa moniin sovelluksiin, jotka keskittyvät datan tarkkaan muuntamiseen lukuisissa eri kohteissa

Kuva 11. Kokonaiskustannusten vähenemisen syyt, kun signaaliketjussa käytetään µModuletekniikkaa.

ETNdigi - 2/2021

Page 37


AZURE RTOS TUO PALJON LISÄÄ 32-BITTISIIN Oletko STM32-mikro-ohjainten käyttäjä tai aiotko käyttää piiriperheen ohjaimia lähitulevaisuudessa? Kummassakin tapauksessa STM32-ohjainperheen parissa työskentelyyn tarjotut uudet resurssit ovat mielenkiintoisia. Erityisen kiintoisa on mahdollisuus integroida Microsoftin reaaliaikainen Azure RTOS käyttöjärjestelmä kirjastoineen STM32-kehitysalustaan.

Sulautettuihin järjestelmiin tarkoitettujen mikro-ohjainten parissa työskenteleville kehitysresursseista ja kirjastoista on tullut selkeästi erittäin tärkeä osa itse ohjainpiirien tarjontaa. Monille kehittäjille nämä resurssit ovat yhtä tärkeitä kuin sovelluksissa käytettävien mikro-ohjainten ominaisuudet ja hinnat. Mikä on tilanne omalla kohdallasi? Tämä pätee myös suosittuun STM32-mikro-ohjainperheeseen, joka tuli markkinoille vuonna 2007. STMicroelectronics halusi alusta lähtien tuoda yleiskäyttöisen ohjainperheen kehittäjien, bittinikkarien ja opiskelijoiden laajaan käyttöön. Tätä varten tarvitaan luonnollisesti myös edistyneitä ja vapaasti saatavilla olevia kehitystyökaluja (koodieditori, C-kääntäjä, virheenkorjain) sekä kirjastoja, sovellusesimerkkejä ja kehityskortteja. Kaikki, jotka ovat käyneet läpi STM32-kehityksen alusta lähtien, tietävät, että näiden tuotteiden tarjonta ei alkuvaiheessa ollut yhtä monipuolista ja helposti käyttäjien saatavilla kuin nykyään. Tästä huolimatta STMicroelec-

Page 38

tronics jatkaa edelleen investointejaan laajentaakseen tärkeää tarjontaa kehittäjille. Hyvä osoitus tästä on Microsoftin kanssa viime vuonna aloitettu yhteistyö, joka tuo tarjolle erittäin mielenkiintoisen joukon reaaliaikaisia käyttöjärjestelmiä (RTOS) ja kirjastoja Azure RTOS -paketin muodossa. Yksinkertaisesti ilmaistuna Microsoft on tehnyt yhteistyötä STMicroelectronicsin kanssa varmistaakseen, että Azure RTOS hyödyntää tehokkaasti STM32mikro-ohjaimia, minkä ansiosta suunnittelijat voivat nopeasti aloittaa projektiensa kehitystyön käyttämällä ThreadX RTOS käyttöjärjestelmää ja lukuisia muita Azure RTOS -komponentteja (USBX, NEXT Duo, FileX, LevelX jne). STM32 säilyy luonnollisesti edelleen avoimena alustana myös muille RTOS-käyttöjärjestelmille. Tämä tarkoittaa, että ne kehittäjät, jotka haluavat käyttää FreeRTOS-, Zephyr- tai mitä tahansa muuta RTOS-järjestelmää sulautetuissa sovelluk-

sissaan, voivat edelleen tehdä niin. Yhteistyössä Microsoftin kanssa on kuitenkin mahdollista parantaa nykyisiä ratkaisuja ja tarjota kattava valikoima ohjelmistokomponentteja, joiden avulla voidaan nopeasti sisällyttää haluttuja ominaisuuksia järjestelmiin ja mikä tärkeintä, täyttää näin erilaisten sertifikaattien asettamat vaatimukset. MITÄ AZURE RTOS TUO STM32-KEHITYKSEEN? Azure RTOS on ainoa sulautetuille järjestelmille suunnattu ilmainen käyttöjärjestelmä, jolla on useita sertifikaatteja sekä turvallisuuden (IEC 61508 SIL 4, ISO 26262 ASIL D, IEC 62304 Medical Class C) että tietoturvan (EAL4+, FIPS 140-2) alueilta. Käyttäjät, jotka haluavat edetä esimerkiksi teollisuuden, autonvalmistuksen tai lääketieteen markkinoille tai muille uusille alueille, voivat kääntyä ST-kumppanuusohjelman jäseneksi liittyneen Microsoftin puoleen saadakseen nämä standardit käyttöön ja tarjotakseen asiakkailleen aiempaa laajemmat takuut.

ETNdigi - 2/2021


STMicroelectronics jatkaa yhteistyötä Microsoftin kanssa varmistaakseen, että Azure RTOS hyödyntää parhaalla mahdollisella tavalla STM32-perheen mikroohjainten tärkeimpiä resursseja kuten laitepohjaista salausydintä. Toinen huomioitava seikka on, että siirtyminen suunnittelukonseptista lopputuotteeseen voi olla hyvin monimutkainen tehtävä. Tästä syystä markkinoille tuomisen nopeuttamiseksi kaikki STM32-mikro-ohjaimet saavat Azure RTOSin vapaat käyttö- ja tuotantolisenssit. STMicroelectronicsin ja Microsoftin välisen yhteistyön ansiosta kehittäjät voivat muokata Azure RTOS -pohjaista lähdekoodia ja jakaa sen uudelleen järjestelmiinsä. Tämän lisäksi STMicroelectronics päivittää ja julkaisee myös uusia integroituja ohjelmistopaketteja ja työkaluja STM32Cube-kehitysalustalle Azure RTOS -ympäristön hyödyntämiseksi. MITÄ AZURE RTOS TUO STM32CUBEEN? Azure RTOS:n ytimenä on ThreadX RTOS, joka erottuu muun muassa tehokkaiden ajoitusominaisuuksiensa ansiosta. Microsoft esittää artikkelissa ’Preemption-Threshold Scheduling’, kuinka RTOS perinteisesti mahdollistaa minkä tahansa korkeamman prioriteetin säikeen ennakoinnin, mikä tarkoittaa tehtävän haltuunottoa käynnissä olevalta alemman prioriteetin säikeeltä. ThreadX tarjoaa kuitenkin paljon enemmän hienojakoisuutta ja antaa kehittäjille mahdollisuuden asettaa kynnysarvoja, jotta voidaan välttää ennakointeja ja vähentää kontekstin vaihtamista, mikä optimoi merkittävästi järjestelmän suorituskykyä. Lisäksi se tarjoaa tapahtumien ketjutuksen, joka mahdollistaa määrätyn toiminnon suorituksen,

ETNdigi - 2/2021

kun tapahtuma ilmenee. Tämän ansiosta tapahtumaa odottavat säikeet voivat aloittaa käsittelyn automaattisesti, mikä helpottaa kehitystyötä ja vähentää tarvittavia resursseja. Koska Azure RTOS on osa STM32Cubea, käyttäjät voivat helpommin hyödyntää Azure RTOS:n etuja samalla, kun voivat nauttia STMCube-kehitysalustan parhaasta mahdollisesta tarjonnasta. Azure RTOS:n mukana toimitetaan myös tiedostojärjestelmä FileX, joka tarjoaa kehittyneitä NAND- ja NOR flash-muistiominaisuuksia kuten vikasietoisuus ja kulumisen tasoitus (wear leveling). NetX ja NetX Duo puolestaan ovat tiedonsiirtopinoja, jotka tarjoavat tuen TCP/IP-, IPv4- ja IPv6-protokollille ja lisäksi monille IoT-sovelluksissa käytettäville korkean tason protokollille (esim. MQTT tai COAP). Mukana on myös USBX, jonka avulla on helppo käyttää USB-liitäntöjä joko isäntänä tai laitteena täydellä tuella kaikille USB-versioille. Ensimmäinen tarjolle tuotu paketti on nyt saatavissa STM32H7-sarjaan: X-CUBEAZRTOS-H7 [6]. Muut STM32sarjat seuraavat tänä ja ensi vuonna. MIKÄ SÄILYY ENNALLAAN? STMicroelectronicsin tarjoama tekninen tuki säilyy ennallaan

asiakkaille, jotka ovat STM32:n, STM32Cuben tai Azure RTOS:n käyttäjiä. Koska STMicroelectronics on jo pitkään tarjonnut korkealuokkaista TouchGFXalustaa [7] GUI-käyttöliittymien toteuttamiseen, Azure RTOS:n GUIX-komponenttia ei tueta suoraan STM32Cubessa. Asiakkaat voivat olla varmoja, että STMicroelectronicsin investoinnit nykyisiin STM32työkaluihin ja -ratkaisuihin jatkuvat. Samoin STMicroelectronics tukee, käyttää ja kehittää edelleen STM32CubeMonitorvalvontatyökalua, jota suositellaan Microsoftin TraceX-työkalun sijaan. Tämä STMicroelectronicsin ja Microsoftin yhteinen hanke on varmasti erittäin hyödyllinen kaikille sulautettujen järjestelmien suunnittelijoille, kehittäjille ja sovellushankkeiden johtajille, jotka saavat enemmän vaihtoehtoja tarvittavien ominaisuuksien toteuttamiseen menettämättä ennestään tuttuja työkaluja ja kehitysympäristöä.

LISÄTIETOJA STM32-ohjaimet Azure RTOS STM32-ohjaimet ST:n kumppanuusohjelma Tekninen dokumentti ”PreemptionThreshold Scheduling”

Page 39


PIENIKIN OHJAIN VOI RIITTÄ Stian Sogstad Microchip Technology

Jos mikro-ohjain on varustetuttu edistyneillä analogiatoiminnoilla, voidaan säästää sekä korttialaa että järjestelmäkustannuksia paristokäyttöisissä sovelluksissa. Esimerkiksi sopii infrapunasäteilyä aistiva liikeilmaisin.

Turvallisuusjärjestelmien ja langattomien lääketieteen valvontalaitteiden kaltaisten sovellusten kehitystyössä on otettava huomioon monia tekijöitä suunnittelun onnistumisen varmistamiseksi. Näistä tekijöistä etenkin suunnittelun kompleksisuus ja tehonhallinta ovat tärkeässä asemassa akkukäyttöisten ja verkkoon liitettävien sovellusten suunnittelun yhteydessä. Mitä pidempää akun käyttöikää lopullinen sovellus vaatii, sitä pienempää täytyy sen tehontarpeen olla.

Tällaisten sovellusten tehovaatimusten täyttäminen luotettavissa ja pitkäikäisissä suunnitteluissa edellyttää, että suunnittelijat käyttävät pienikokoisia ja tehokkaita mikro-ohjaimia, jotka on varustettu älykkäillä ja kehittyneillä sisäänrakennetuilla ominaisuuksilla ja toiminnoilla. Tällaiset mikro-ohjainyksiköt pystyvät suorittamaan suurimman osan sovellukselle asetetuista tehtävistä, jolloin ulkoisten passiivikomponenttien tarve vähenee anturisolmujen suunnitteluissa ja joustavuutta ja helppokäyttöi-

Kuva 1: PIR-anturin liikkeen ilmaisun periaate.

Page 40

syyttä saadaan lisättyä pienen tehonkulutuksen ja sisäänrakennettujen ominaisuuksien ansiosta. Esimerkiksi suunniteltaessa paristokäyttöisiä anturisolmuja kodin turvajärjestelmien tapaisiin sovelluksiin, passiivinen infrapunaan (PIR) perustuva liikeilmaisin asennetaan usein kiinteistön sisä- ja ulkopuolelle. PIR-anturi havaitsee anturielementtien ”näkemät” muutokset infrapunasäteilyn määrissä, jotka vaihtelevat anturin edessä olevan kohteen lämpötilasta ja pintaominaisuuksista riippuen. Kun ihminen kulkee anturin ja taustan välistä, anturi havaitsee ympäristön lämpötilan ja ihmiskehon lämpötilan välillä tapahtuvan muutoksen ihmisen etenemisen aikana. Se muuttaa tuloksena saatavan tulevan infrapunasäteilyn muutostiedon lähtöjännitteen (VPIR(t)) muutokseksi. Muut kohteet, joiden lämpötila on sama kuin taustalla, mutta jotka poikkeavat pinnan ominaisuuksiltaan taustasta, aikaansaavat sen, että anturi

ETNdigi - 2/2021


Siinä on piirikortilla kaikki toimivan PIR-anturisolmun passiivikomponentit. Kortti perustuu operaatiovahvistinratkaisuun, joka sisältää AD-muuntimet, vastukset ja kondensaattorit, ja joka on helppokäyttöinen, heti toimiva ratkaisu prototyyppi- ja evaluointisovelluksiin.

TÄÄ ilmaisee erilaisen säteilykuvion kuten kuvassa 1 on nähtävissä. PIR-anturin lähtösignaalin tasot ovat tyypillisesti matalia ja alle 1 mV:n luokkaa. Liikkeen havaitseminen ja virheilmaisun välttäminen edellyttää analogiasignaalin vahvistamista ennen kuin AD-muunnin ottaa siitä näytteen. Tyypillisissä PIRratkaisuissa tämä saavutetaan käyttämällä useita suuren vahvistuksen omaavia operaatiovahvistinasteita, mikä puolestaan lisää suunnittelun kompleksisuutta, komponenttimäärää, tehon tarvetta, hintaa jne. Seuraavaksi tässä artikkelissa käydään läpi, miten pieniä ja tehokkaita mikro-ohjainyksiköitä käyttämällä edellä mainittuja ominaisuuksia saadaan suitsittua. SUUNNITTELUN KOMPLEKSISUUS Kun PIR-anturisolmujen suunnittelun perustana käytetään pienikokoisia mikro-ohjainyksiköitä, jotka on varustettu tarvittavilla ominaisuuksilla kuten ohjelmoitavalla vahvistinyksiköllä (PGA) varustetulla 12-bittisellä differentiaalisella AD-muuntimella, tarvitaan vähemmän ulkoisia komponentteja ja tilaa piirikortilla sekä säästetään materiaalikustannuksia. Ajatellaan esimerkiksi MickroE:n PIR Click -anturia.

ETNdigi - 2/2021

Tyypillinen kokoonpano prototyypin tekoa varten saadaan, kun käytetään PIR Click -korttia yhdessä Microchipin Curiosity Nano Base for Click Boards- ja Curiosity Nano Evalution Kit tuotteiden kanssa. PIR-anturisolmuratkaisussa voidaan hyödyntää Microchipin 12-bittisellä differentiaalisella AD-muuntimella ja PGA-vahvistimella varustettua ATtiny1627-mikro-ohjainta. Ulkoisten komponenttien määrää voidaan merkittävästi vähentää, kun ei tarvita ulkoista operaatiovahvistinta signaalin vahvistamiseen. Sen lisäksi ulkoisen ADmuuntimen käyttäminen mahdollistaa useiden muiden passiivisten komponenttien kuten vastusten ja kondensaattorien pois jättämisen.

piirikortin suunnittelu tarvittavine komponentteineen. Tämä modifioitu ratkaisu ei kuitenkaan kilpaile Click-korttien käyttötarkoituksen kanssa. Yllä mainituilla modifikaatioilla sisäänrakennettua 12-bittistä differentiaalista AD-muunninta ja PGA-vahvistinta hyödyntämällä kuvassa 3 on kuvattu, miten vähillä ulkoisilla komponenteilla pärjätään, kun valitaan sopiva mikro-ohjainyksikkö. Vähemmin ulkoisin komponentein laitteisto- ja piirikorttisuunnittelu saadaan selkeäksi ja kompaktiksi, koska laitteiston suunnittelussa ei tarvitse ottaa huomioon ulkoisten komponenttien sijoittelun tuomia haasteita. Lisäksi ohjelmistot ja laiteohjelmistot saadaan kompakteiksi ja tehokkaiksi, kun suuri osa tehtävistä hoituu mikro-ohjaimessa. Ajastus ja synkronointi ovat myös helpompia hallita.

Käyttämällä edellä mainitun kaltaista mikro-ohjainyksikköä PIR Click -kortin pinta-alaa saadaan Kuva 2: Esimerkki PIR Click -kortin ja piirikuvion pienennettyä merkit- modifikaatioista. tävästi. Kuvassa 2 esitetään ruksilla (X) poistetut komponentit ja sinisillä viivoilla muodostetut uudet kytkennät. Huomautettakoon, että tässä esimerkissä modifikaatioiden perustana on käytetty PIR Click korttia, koska se on ollut käytännöllisempää kuin uuden

Kuva 3: Modifioitu PIR Click -kortti ja piirikuvio.

Page 41


Page 42

ETNdigi - 2/2021


Kun anturisolmun suunnittelussa suuri osa laitteiston kompleksisuudesta siirretään mikro-ohjainyksikköön ja keskusyksikköön laiteohjelmistolla ohjattavaksi, muutosten tekeminen ja toimintojen lisääminen kehitystyön aikana muodostuu hyvin joustavaksi, eikä aikaa tarvitse kuluttaa piirikortin sijoittelun (layout) uudelleen suunnitteluun, jolloin säästetään sekä suunnitteluun kuluvassa ajassa että kustannuksissa. Samalla saadaan myös lisää joustavuutta muiden tekijöiden kuten tehonhallinnan koodaamiseen. Helposti parametriasetuksia muuttamalla voidaan suunnitteluvaiheessa sovelluskoodia muuttamalla joko lisätä toimintoja tai optimoida koodia tehonkulutuksen vähentämiseksi. Koodia voidaan myös optimoida ympäristöolosuhteiden vaikutuksen eliminoimiseksi esimerkiksi tilanteissa, jossa ympäristön lämpötilan yli 30 asteeseen anturit tulkitsevat muutoksen ihmisen läsnäoloksi. Toisena esimerkkinä toiminnallisuuden lisäämisestä voisi olla koneoppimisen lisääminen liikekuvioiden tunnistamista varten ja järjestelmän opettamiseksi erottamaan, mikä on pelkkää kohinaa tai esimerkiksi erottamaan ihmisen liikkumisen eläimen liikkumisesta. Liikkeen ilmaisun sovelluksissa, joissa käytetään PIR-antureita ja mikro-ohjainyksikköjä kuten ATtiny1627-piiriä, suunnittelutyö painottuu laitteiston suunnittelun sijaan laitteiston ja ohjelmistoon koodaamiseen, koska suuri osa tarvittavasta toiminnallisuudesta on sisäänrakennettuna mikroohjaimeen. Näin suunnittelutyön määrä vähenee ja joustavuus lisääntyy. TEHON HALLINTA Langattomissa anturisolmuissa tehonkulutus on avainasemassa.

ETNdigi - 2/2021

Mitä pitempi on akun kesto, sitä pitempi on anturisolmun käyttöikä ja näin ollen myös koko anturiverkon muodostaman järjestelmän käyttöikä. Tämä pätee kaikkiin langattomiin anturijärjestelmiin. Kun kymmeniä, satoja tai tuhansia antureita on asennettu erilaisiin valvontatehtäviin, solmun katsotaan olevan toimintakelvoton tai toimivan virheellisesti, jos se kytkeytyy pois päältä.

toiminnassa otetaan huomioon lepotilojen ja nopean käynnistyksen tuomat edut. Tehonkulutus riippuu sovelluksesta ja vaihtelee PIR-anturien kokoonpanosta, näytteenottonopeudesta ja suodatusparametreista riippuen, mitkä seikat vaikuttavat myös ilmaisuetäisyyteen ja herkkyyteen. Asettamalla nämä parametrit huolellisesti saadaan tehon-

Kuva 4: Laiteohjelmoinnin ajoituskaavio.

Laajoissa anturijärjestelmissä pariston tai itse anturin vaihtaminen lisää ylimääräisiä kustannuksia loppu-käyttäjälle ja samoin tapahtuu myös, jos järjestelmä on poissa käytöstä tai toimii puutteellisesti solmun ollessa kytkeytyneenä pois päältä. Tällöin epätoivottuja tapahtumia voi tapahtua ilman ilmoituksia. Mitä kauemmin paristo kestää, sitä parempi siis. Mikro-ohjaimen lepotilojen ja nopean käynnistymisen ansiosta kukin anturisolmu voi kuluttaa niin vähän tehoa kuin mahdollista. Solmu voi olla lepotilassa ja käynnistyä nopeasti, kun liikettä havaitaan anturin ympäristössä tapahtuvien lämpötilan muutosten vuoksi, jonka jälkeen signaali prosessoidaan ja sen jälkeen solmu palautuu lepotilaan, jolloin paristokäyttöisen solun käyttöikää voidaan lisätä tarvitsematta vaihtaa paristoa. Kuvassa 4 esitetään, kuinka mikro-ohjaimen

kulutusta edelleen pienenemään niinä aikoina, jolloin sovelluksen kuormitus on vähäisintä. Älykkäillä ja edistyneillä sisäänrakennetuilla virran kulutusta ja tehonhallintaa parantavilla ominaisuuksilla ja toiminnoilla varustettuja pienikokoisia ja tehokkaita mikro-ohjaimia kuten ATtiny1627:ää käyttämällä saadaan lisättyä paristokäyttöisten verkkoon kytkettävien sovellusten käyttöikää samalla, kun suunnittelun kompleksisuus ja järjestelmän kokonaiskustannukset vähenevät ja sitä kautta tuotteen markkinoille pääsy nopeutuu. Lisätietoa vähän tehoa kuluttavien ja kustannustehokkaiden liikkeenilmaisuun tarkoitettujen PIRsovellusten suunnittelusta on saatavissa Microchipin verkkosivuilta osoitteesta www.microchip.com.

Page 43


WANT TO JOIN US?

• ETNdigi is a special digital magazine from ETN. We cover components, test & measurement, radios & networks and the whole scope of embedded software. To put it short: Everything related to electronics & embedded design. • In 2022 we plan to publish two magazines. Want to join us? Just contact ETN editor-in-chief Veijo Ojanperä at vo@etn.fi or our sales manager Anne-Charlotte Sparrvik at ac@etn.fi. More info about the pricing can be found at etn.fi/advertise