La evolución de los dispositivos integrados:abordar desafíos de diseño complejos

Los dispositivos integrados solían ser relativamente sencillos de diseñar antes de la Internet de las cosas. El diseñador de un aparato, controlador industrial o sensor ambiental solo necesitaba interconectar las señales de entrada, procesar con un microcontrolador y proporcionar control de salida. Los sistemas eran independientes; y además de la ingeniería inversa, no había ningún incentivo para que un pirata informático acceda a un sistema.

Con la introducción del teléfono inteligente, ahora esperamos que nuestros dispositivos sean inteligentes, actualizables y accesibles a través de Internet. La seguridad no es opcional:si no se toma en serio la seguridad, los datos, la reputación de la marca y las fuentes de ingresos se verán afectados. Además, los sistemas integrados son cada vez más complejos y no puede ser un experto en todo. Afortunadamente, puede utilizar los estándares existentes y las bibliotecas de pila para completar un proyecto de manera oportuna y segura.

Este artículo describe los principales desafíos de diseño que enfrenta un desarrollador integrado en la actualidad y algunas de las nuevas tecnologías que ayudarán a los diseñadores a abordar estos desafíos.

Desafíos clave de diseño y expectativas del mercado

1. Interfaces de usuario enriquecidas

Los primeros teléfonos inteligentes introdujeron una interfaz de usuario enriquecida con una pantalla táctil y una pantalla de alta calidad. Los dispositivos integrados de alta gama han agregado pantallas LCD y OLED y pantallas táctiles. Esto ha aumentado los requisitos de procesamiento y la necesidad de un procesador de aplicaciones y un sistema operativo enriquecido. Para aquellos que no necesitan un procesador de aplicaciones, los avances tecnológicos han impulsado las velocidades de reloj de los microcontroladores de decenas de megahercios a varios cientos de megahercios, y los tamaños de memoria a varios megabytes. Esto ha permitido a los diseñadores seguir beneficiándose de arquitecturas familiares, como la utilizada para Arm Cortex-M.

Muchos sistemas integrados solo necesitan una interfaz de usuario para la configuración y el control ocasional. Los dispositivos de IoT industriales y de consumo son sensibles al precio y se benefician de la conexión a Internet para permitir el control a través de una interfaz web o una aplicación de teléfono inteligente. Por ejemplo, los datos de los sensores industriales se pueden monitorear de forma remota para administrar el rendimiento y los errores, así como prevenir posibles fallas. Esto presenta nuevos desafíos para el ingeniero integrado. Ahora deben conocer RF, pilas de protocolos, seguridad, administración remota y actualizaciones de firmware.

Figura 1:Controles domésticos inteligentes (Fuente:Getty Images, ID 908590688, Elena Pejchinova)

2. Control local y remoto

Puede implementar el control local y remoto a través de Ethernet, WiFi, Bluetooth, Z-Wave, Zigbee o Thread; cada uno tiene beneficios en lo que respecta al consumo de energía, la complejidad y el costo . En general, los protocolos de bajo consumo como Bluetooth de bajo consumo, Z-Wave y Zigbee son buenas soluciones para aplicaciones de batería. Estos incluyen cerraduras de puertas, sensores ambientales y sistemas de alarma inalámbricos. Los dispositivos que necesitan más ancho de banda, como cámaras de seguridad y puertas de enlace de sensores, se conectarán a través de WiFi. O, los dispositivos en ubicaciones remotas usarán celular. Una opción interesante es combinar WiFi y Bluetooth de bajo consumo. Luego, se usa Bluetooth para la puesta en servicio y el acceso local para una latencia baja, y se usa WiFi para el acceso remoto a través de Internet.

El desafío para el desarrollador de diseño integrado no es solo cómo elegir la solución adecuada para su producto, sino también la complejidad de integrar la radio, las pilas de comunicación y la administración de energía, todo sin aumentar los costos.

Figura 2:Red de una ciudad (Fuente:Getty Images, ID 811360940, Dong Wenjie)

3. Baja y menor potencia

El bajo consumo de energía es fundamental en las aplicaciones que funcionan con baterías. Por ejemplo, los medidores de agua inteligentes deben funcionar con una sola batería durante la vida útil del medidor, que podría ser de hasta 20 años. Por otro lado, en una cerradura de puerta, la batería se puede reemplazar una vez al año y esto requiere un diseño cuidadoso. Una de las técnicas utilizadas para ahorrar energía es diseñar un microcontrolador de muy baja potencia para que se encienda durante períodos muy cortos para detectar la interacción del usuario. Luego dormirá por períodos más largos.

4. Los dispositivos son cada vez más inteligentes

Los diseñadores buscan formas de diferenciar sus productos agregando funciones inteligentes. Las funciones inteligentes generalmente implican que un dispositivo aprende más sobre el usuario, el entorno y el sistema, y ​​puede ajustar la funcionalidad.

El aprendizaje automático es una forma de agregar funciones inteligentes mediante un algoritmo que puede aprender y adaptarse. Hoy vemos el aprendizaje automático a nuestro alrededor:desde el desbloqueo de su huella digital (que coincide con un pequeño conjunto de imágenes de huellas digitales) o la función de etiquetado automático de Facebook. Sin embargo, es una solución bastante nueva dentro de sistemas integrados con restricciones de costos.

Un gran ejemplo de aprendizaje automático para aplicaciones integradas son los termostatos inteligentes. El termostato aprenderá el comportamiento del usuario en función de su estilo de vida y luego, con el tiempo, ajustará automáticamente la temperatura a la configuración más cómoda. Para el mercado industrial, un ejemplo podría ser un sensor de vibraciones para motores. El sensor puede aprender la firma de vibración normal del motor y luego advertir al personal cuando la unidad requiere mantenimiento o está a punto de fallar.

El desafío para los diseñadores integrados es comenzar con los algoritmos de aprendizaje automático y poder adaptar los algoritmos a las necesidades de la aplicación.

Figura 3:Sistema de control de clima doméstico inteligente (Fuente:Getty Images, ID 474200292, MaxiPhoto)

5. Los productos deben actualizarse

Actualmente, los productos rara vez se envían con el conjunto de funciones final. A través de actualizaciones inalámbricas (OTA), se puede descargar nuevo firmware para agregar funciones, corregir errores o parchear agujeros de seguridad, extendiendo significativamente la vida útil del producto. Los productos también deben diseñarse con suficiente espacio libre en memoria y potencia de procesamiento para permitir un aumento en el tamaño y la funcionalidad del código.

Un desafío es garantizar que las actualizaciones de firmware y todas las comunicaciones sean seguras. Cuando se repara una vulnerabilidad de firmware, el sistema no debe permitir una reversión del firmware. Si lo hace, la vulnerabilidad quedará expuesta.

Figura 4:Ejemplos de aplicaciones integradas que pueden requerir actualizaciones OTA (Fuente:Imagen de Getty Images, ID 145676156, Earl Wilkerson. Iconos:Arm)

Nuevas tecnologías para ayudar a los diseñadores a abordar estos desafíos

He descrito los desafíos que enfrentan los diseñadores integrados y las tendencias de la industria que los impulsan, pero ¿qué pasa con las posibles soluciones? Yo diría que hay tres técnicas de diseño fundamentales que afectan todas las áreas definidas anteriormente:implementar el procesamiento de señales, proteger su dispositivo y agregar inteligencia a través del aprendizaje automático.

¿Cómo puedo simplificar el procesamiento de la señal y ahorrar costos?

La mayoría de los sistemas integrados tienen interfaces analógicas. Estos pueden ser tan simples como leer la temperatura a través de un convertidor de analógico a digital, a sistemas más complejos, como procesar el sonido de varios micrófonos (formación de haz) y reconocimiento de voz.

Los diseños más antiguos solían llevar a cabo la mayor parte de la aplicación y el filtrado en el dominio analógico, pero con procesadores de señales digitales dedicados (DSP), el procesamiento se ha trasladado al dominio digital. Esto se debe a que los DSP son más precisos, repetibles en la fabricación y se pueden ajustar con el tiempo.

Con la introducción de controladores de señal digital (DSC) o microcontroladores con extensiones DSP, los diseñadores ahora pueden tener lo mejor de ambos mundos. Un solo controlador que puede realizar las funciones de control y DSP ofrece una reducción en el costo, el espacio en la placa y el consumo de energía.

El procesamiento de señales digitales puede ser complejo, pero los diseñadores no tienen que ser expertos para utilizar el procesamiento avanzado. Por ejemplo, Arm proporciona un marco de software gratuito para aplicaciones integradas, bibliotecas CMSIS-DSP.

¿Por qué debería preocuparme por la seguridad?

Un producto que se envía con una seguridad inadecuada puede provocar la pérdida de datos, publicidad vergonzosa, costos financieros y frustración del cliente. Los ataques de seguridad pueden abarcar todos los sectores y tener distintos niveles de impacto, desde obtener acceso a un sistema de automatización del hogar y encender y apagar luces, hasta espionaje industrial y obtener acceso a una red a través de dispositivos de IoT.

Las amenazas externas se pueden clasificar en cuatro tipos de ataques:comunicación, ciclo de vida, software y físico. Pero, ¿cómo sabe contra qué amenazas debe protegerse y cómo diseñar con el nivel adecuado de seguridad para su dispositivo? El año pasado lanzamos un marco de seguridad para cualquiera que diseñe dispositivos conectados, Platform Security Architecture (PSA). Es un proceso de tres etapas que brinda a los diseñadores y desarrolladores todo lo que necesitan para determinar el nivel de seguridad y la mitigación de amenazas por las que deben optar. La documentación de PSA y el código fuente abierto (Trusted Firmware-M) facilitan a los desarrolladores comenzar.

Figura 5:Tecnología Arm disponible para mitigar las vulnerabilidades de seguridad (Fuente:Arm)

¿Cómo agrego funciones inteligentes?

Se pueden agregar funciones inteligentes mediante la implementación de algoritmos complejos escritos por científicos de datos. Se puede implementar un sistema que responde a los comandos de voz analizando muestras de sonido y comparándolas con una plantilla para cada comando. El problema con este enfoque es que puede funcionar bien para un usuario, pero no para una amplia gama de usuarios, y no sería robusto en un entorno ruidoso o cambiante.

Las funciones inteligentes que utilizan el aprendizaje automático requieren que el sistema se entrene mediante un conjunto de datos, como los comandos de voz pronunciados por muchos hablantes en diferentes entornos y condiciones. Esta formación suele utilizar servidores en la nube. Una vez que el modelo está construido y optimizado, la inferencia o uso del modelo se puede completar en un procesador integrado.

Una solución es CMSIS-NN, una biblioteca de red neuronal gratuita desarrollada para maximizar el rendimiento y minimizar la huella de memoria de las redes neuronales en los núcleos del procesador Cortex-M.

Nueva era:nuevas oportunidades y nuevos desafíos

No hay duda de que los dispositivos integrados son más complejos que nunca:los requisitos del producto están aumentando, hay una presión creciente sobre los costos y las preocupaciones por la seguridad continúan aumentando, especialmente para los dispositivos conectados.

Todos estos factores plantean desafíos importantes para los desarrolladores. Pero la buena noticia es que la industria está evolucionando para respaldar esto con IP, software, herramientas y recursos de capacitación para ayudar a los desarrolladores integrados a superar los límites de lo posible.

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Phil Burr es director de la cartera de productos establecida dentro de Embedded Group en Arm. Dirige un equipo responsable de la cartera de CPU de Arm, lo que ayuda a garantizar que estos procesadores permitan que los socios nuevos y existentes innoven. Phil también administra el programa Arm DesignStart, una ruta de bajo costo y fácil acceso a Arm IP.