Accélérer les projets de microcontrôleurs et de microprocesseurs grâce à une plateforme de développement flexible

Les systèmes embarqués et leurs applications sont en pleine évolution, tout comme les processeurs qui les équipent. En réponse, les processeurs embarqués deviennent de plus en plus sophistiqués, offrant aux ingénieurs une liste toujours plus longue d'options aux fonctionnalités souvent similaires. Même si un choix plus large est toujours souhaitable, explorer toutes les possibilités peut prendre un temps considérable. Pour réussir dans un environnement dynamique, les développeurs ont besoin d'un moyen d'évaluer rapidement plusieurs options de silicium, des microcontrôleurs (MCU) aux microprocesseurs (MPU), tout en rationalisant le processus de prototypage.

L'une des façons d'aider les concepteurs consiste à adopter une approche modulaire pour le matériel. En associant des cartes de développement simplifiées à une vaste bibliothèque de modules d'extension et de logiciels de support, les concepteurs peuvent combiner les différents éléments à leur guise selon leurs besoins.

Cet article examine l'évolution des exigences en matière de conception de systèmes embarqués et ce que ces changements impliquent pour la sélection des processeurs. Il montre ensuite comment une plateforme de NXP permet aux concepteurs d'explorer plusieurs classes de processeurs, allant des microcontrôleurs à basse consommation aux processeurs d'application et microprocesseurs hautement intégrés de classe Linux.

Les frontières floues de la conception embarquée

Jusqu'à récemment, la plupart des applications embarquées entraient dans des catégories aux limites bien définies. Les E/S simples et la logique de contrôle relevaient du domaine des microcontrôleurs 8 bits ; les microcontrôleurs 32 bits géraient, quant à eux, les tâches complexes en temps réel. Les applications nécessitant un système d'exploitation (OS) complet ou une interface utilisateur graphique (GUI) étaient clairement l'apanage des microprocesseurs.

Aujourd'hui, ces frontières sont devenues floues. De nombreuses applications 8 bits traditionnelles ont été poussées vers le domaine 32 bits, car des applications auparavant autonomes offrent désormais une connectivité sophistiquée. Les piles logicielles complexes se multiplient dans les applications en temps réel, combinant désormais des exigences qui relèvent à la fois du domaine des microcontrôleurs et des microprocesseurs. Parallèlement, l'intelligence artificielle (IA) et l'apprentissage automatique (ML) sont intégrés dans un éventail de plus en plus large d'applications.

Les distinctions entre les classes de processeurs sont également devenues floues. Les microcontrôleurs à hautes performances sont désormais dotés d'accélérateurs graphiques et de fonctionnalités IA/ML qui étaient autrefois réservées aux microprocesseurs haut de gamme. Les microprocesseurs ajoutent des capacités en temps réel qui, auparavant, n'étaient disponibles que sur des microcontrôleurs. Pour corser le tout, la demande en graphiques haut de gamme, en IA et autres fonctionnalités sophistiquées a conduit à l'introduction de processeurs d'application, dont les architectures s'inspirent de celles des téléphones mobiles.

Tous ces changements surviennent alors que l'innovation continue de s'accélérer. Entre le début d'un cycle de conception et le lancement du produit, la dynamique du marché peut sensiblement modifier les exigences du projet. Par exemple, une conception sans clavier ni écran ni souris basée sur un microcontrôleur peut soudainement intégrer un écran tactile, ce qui nécessite le passage à un microprocesseur. À l'inverse, il peut arriver qu'une équipe marketing décide à la dernière minute qu'un produit haut de gamme doit être accompagné d'une version d'entrée de gamme, ce qui entraîne une course effrénée pour trouver un processeur moins coûteux.

Ces tendances et ces changements ont rendu nécessaire la mise en place d'un écosystème d'évaluation des processeurs permettant aux concepteurs d'explorer facilement différentes options. Les cartes d'évaluation traditionnelles peinent à répondre à cette demande. Souvent destinées à démontrer toutes les fonctionnalités importantes d'une famille de processeurs, elles ont eu tendance à utiliser des conceptions complexes optimisées pour une gamme restreinte d'applications. Par conséquent, les efforts investis dans une carte étaient rarement transférables à une autre.

Une plateforme flexible pour une évaluation plus rapide des processeurs

Pour répondre aux besoins des concepteurs de systèmes embarqués, NXP a porté un regard neuf sur le problème et a mis au point la plateforme de développement FRDM (Figure 1). Au lieu d'intégrer toutes les fonctionnalités possibles, les cartes FRDM ne comprennent que l'essentiel : le processeur, la mémoire et les E/S de base. Des fonctionnalités spécifiques à l'application peuvent ensuite être ajoutées en puisant dans le vaste écosystème d'embases d'extension Arduino (Arduino), Pmod (Digilent) et mikroBUS (MikroElektronika). NXP soutient cette approche modulaire avec son centre de cartes d'extension (Expansion Board Hub), qui offre des options pour les écrans, les capteurs, les interfaces de communication, etc.

Figure 1 : Les cartes FRDM ne comprennent que l'essentiel, laissant les fonctionnalités telles que l'affichage et les E/S aux cartes d'extension basées sur des normes. (Source de l'image : NXP)

Cette approche modulaire facilite l'extension des fonctionnalités et la réutilisation du matériel dans différents projets. Comme les modules d'extension partagent les mêmes interfaces standard, la même carte périphérique peut être évaluée avec différents processeurs. Par exemple, un concepteur peut valider un module de capteur sur une plateforme de microcontrôleur d'entrée de gamme, puis réutiliser le même matériel avec un microprocesseur hautes performances, le tout sans avoir à repenser la conception du prototype.

Le secret de cette flexibilité réside dans le large éventail de processeurs Arm pris en charge par la plateforme FRDM. Cette gamme se compose de microcontrôleurs d'entrée de gamme à ultrabasse consommation et s'étend à un large éventail de dispositifs riches en fonctionnalités, notamment des options adaptées à la commande de moteurs, au graphisme et à la connectivité sans fil. Les modèles haut de gamme comprennent des microprocesseurs et des processeurs d'application offrant des performances de l'ordre du gigahertz (GHz) et des fonctionnalités avancées, telles que les accélérateurs d'intelligence artificielle.

Démarrer avec une carte de développement de microcontrôleur d'entrée de gamme

Le modèle FRDM-MCXC444 (Figure 2) illustre les avantages de la plateforme FRDM. Cette carte d'entrée de gamme offre une base à ultrabasse consommation pour les applications embarquées sensibles au coût, grâce au microcontrôleur MCXC444VLH. Ce microcontrôleur fait partie de la série MCX C de NXP, conçue pour les applications où le rendement énergétique et le faible coût sont primordiaux.

Figure 2 : La carte d'entrée de gamme FRDM-MCXC444 est équipée d'un microcontrôleur basse consommation MCXC444VLH série MCX C, d'un écran LCD de petite taille et de ports USB. (Source de l'image : NXP)

Le MCXC444VLH est construit autour d'un cœur Arm Cortex-M0+ cadencé jusqu'à 48 mégahertz (MHz). Il consomme 54 microampères par MHz (µA/MHz) en mode de fonctionnement à très basse consommation et seulement 1,96 µA en mode veille profonde. Grâce à cette faible consommation d'énergie, il convient tout particulièrement aux applications alimentées par batterie.

Autre fonctionnalité distinctive du MCXC444VLH, son contrôleur LCD à segments intégré prend en charge jusqu'à 24 × 8 ou 28 × 4 segments sans nécessiter de pilotes externes. Il intègre également la fonctionnalité USB 2.0 à pleine vitesse, sans nécessiter de quartz externe, ce qui permet de réduire les coûts de la nomenclature et la complexité de la carte.

La carte FRDM-MCXC444 offre ces fonctionnalités avec un écran LCD et un port USB intégrés. Parmi les autres fonctionnalités notables, citons un accéléromètre et un capteur de lumière, qui permettent de prototyper des conceptions basées sur des capteurs. La carte constitue un bon point de départ pour les dispositifs fonctionnant sur batterie qui nécessitent des interfaces utilisateur simples et une connectivité régulière.

Dynamiser la commande de moteurs à l'aide d'une carte de développement de microcontrôleur grand public

En passant au milieu de gamme, le FRDM-MCXA346 (Figure 3) met en évidence la manière dont la plateforme FRDM prend en charge des tâches de contrôle plus sophistiquées. Cette carte est destinée à la commande de moteurs et intègre le microcontrôleur MCXA346VLQ, qui fait partie de la série MCX A de NXP, destinée aux applications courantes nécessitant une intégration sophistiquée.

Figure 3 : La carte d'évaluation FRDM-MCXA346 est basée sur un microcontrôleur MCXA346VLA série MCX A et offre un riche ensemble de fonctionnalités pour le contrôle industriel, y compris CAN FD. (Source de l'image : NXP)

Le MCXA346VLQ est construit autour d'un cœur Arm Cortex-M33 cadencé à 180 MHz. Il comprend 1 méga-octet (Mo) de mémoire Flash et 256 kilo-octets (Ko) de mémoire vive statique (SRAM), offrant ainsi une capacité de stockage suffisante pour le code et les données des applications. Avec ses extensions FPU (unité en virgule flottante) et DSP (traitement des signaux numériques), ce processeur est parfaitement adapté aux algorithmes de commande complexes.

Pour les applications de commande de moteurs, le MCXA346VLQ offre un support matériel complet. Deux modules FlexPWM, chacun comprenant quatre sous-modules, fournissent jusqu'à 16 sorties PWM (modulation de largeur d'impulsion) complémentaires pour le pilotage de moteurs CC sans balais (BLDC) et de moteurs synchrones à aimants permanents (PMSM). Quatre convertisseurs analogique-numérique (CAN) de 16 bits acquièrent jusqu'à 3,2 méga-échantillons par seconde (Méch./s), ce qui permet une surveillance précise sur plusieurs phases du moteur. Deux modules codeur/décodeur en quadrature (eQDC) gèrent le retour d'information sur la position du rotor, tandis que deux modules et/ou/inverseur (AOI) fournissent la logique matérielle pour les séquences de contrôle complexes.

La carte FRDM-MCXA346 offre un accès direct aux principales E/S, y compris l'USB à pleine vitesse et le CAN FD pour les applications de réseau industriel. La carte prend en charge les interfaces parallèles d'affichage et de caméra, ce qui permet de développer des interfaces graphiques sans avoir recours à du matériel externe. Ces fonctionnalités rendent la carte particulièrement adaptée au développement d'équipements industriels nécessitant une interface homme-machine (IHM).

Aborder l'Edge AI avec une carte de développement de microprocesseur hautes performances

Au sommet de la gamme FRDM, le FRDM-IMX8MPLUS (Figure 4) démontre comment la plateforme s'étend au-delà des microcontrôleurs de manière à englober la conception complète de processeurs d'application. Cette carte est basée sur le MIMX8ML8DVNLZAB, un membre de la famille i.MX 8M Plus de NXP qui comprend des processeurs multi-cœurs cadencés à plus de 1 GHz et des accélérateurs d'intelligence artificielle.

Figure 4 : La carte de développement FRDM-IMX8MPLUS est basée sur le microprocesseur MIMX8ML8DVNLZAB de la famille i.MX 8M Plus ; elle comprend des interfaces multimédia étendues et une accélération de l'intelligence artificielle. (Source de l'image : NXP)

Plus précisément, le FRDM-IMX8MPLUS combine quatre cœurs Arm Cortex-A53 cadencés jusqu'à 1,8 GHz, avec un cœur dédié Cortex-M7 en temps réel fonctionnant à 800 mégahertz (MHz) et une unité de traitement neuronal (NPU) capable d'effectuer 2,3 téra-opérations par seconde (TOPS). Cette architecture hétérogène constitue une base solide pour la vision artificielle, la reconnaissance vocale et d'autres applications d'intelligence artificielle, tout en permettant un contrôle en temps réel.

En matière de multimédia et de connectivité, la carte offre un ensemble complet d'interfaces. Les sorties HDMI 2.0, MIPI-DSI et double LVDS (signalisation différentielle à basse tension) prennent en charge le développement d'écrans, tandis que les entrées MIPI-CSI doubles permettent l'intégration de caméras pour les applications de vision. La mise en réseau et l'extension sont tout aussi polyvalentes, avec deux ports Gigabit Ethernet, USB 3.0 et un module tri-radio Wi-Fi 6/Bluetooth 5.4/802.15.4 intégré.

Accélérer le développement grâce à une assistance logicielle complète

La flexibilité matérielle de la plateforme FRDM s'accompagne de ressources logicielles complètes, conçues pour rationaliser le développement sur l'ensemble de la gamme de processeurs. NXP soutient cette initiative en proposant deux voies de développement logiciel, l'une pour les microcontrôleurs en temps réel et l'autre pour les microprocesseurs à hautes performances.

Pour le développement de microcontrôleurs, NXP fournit la suite de logiciels et d'outils MCUXpresso. Il s'agit d'une suite complète pour les processeurs Cortex-M (tels que les séries MCX C et MCX A) qui comprend l'environnement de développement intégré (IDE) MCUXpresso, une extension VS Code, des outils de configuration et un kit de développement logiciel (SDK) de haute qualité. Cette voie est conçue pour les applications en temps réel et supporte les environnements IDE embarqués courants, tels que Keil MDK et Embedded Workbench d'IAR Systems.

Pour le développement de microprocesseurs sur des processeurs tels que les gammes i.MX 8M Plus, NXP fournit une prise en charge robuste pour Linux embarqué, y compris des BSP (Board Support Packages) pour Yocto Project et Debian. Pour démarrer rapidement, NXP propose GoPoint, un référentiel de démonstrations pré-intégrées basées sur Linux et des guides étape par étape pour les applications avancées, telles que la vision artificielle, l'IA et le multimédia.

Pour accélérer le prototypage du côté du microcontrôleur, NXP propose également le MCUXpresso Application Code Hub. Il s'agit d'un référentiel centralisé d'exemples de logiciels et de démonstrations d'applications développés par les experts et partenaires de NXP. Ce hub fournit plus de 180 exemples de code couvrant la commande de moteurs, la détection et l'intelligence artificielle. Ces exemples sont conçus pour fonctionner directement avec les cartes FRDM, ce qui permet de migrer un prototype d'application développé sur une carte de microcontrôleur FRDM vers un autre microcontrôleur compatible avec un minimum de changements.

Conclusion

À mesure que les exigences des systèmes embarqués évoluent et se recoupent, les ingénieurs ont besoin de moyens efficaces pour tester plusieurs processeurs et prototyper rapidement leurs idées. Le matériel modulaire et les ressources logicielles partagées de la plateforme FRDM de NXP permettent de concrétiser cette exploration, en prenant en charge aussi bien les microcontrôleurs à basse consommation que les contrôleurs de milieu de gamme, en passant par les microprocesseurs de classe Linux dotés d'une intelligence artificielle. En normalisant l'extension et la réutilisation du code, il est possible de raccourcir le chemin entre le concept et le prototype fonctionnel, tout en préservant la flexibilité à mesure que les conceptions évoluent.