IoT의 가치는 상호 접속에서 나온다. IoT 시스템은 양방향 접속이 가능해야 한다. 센서나 다른 IoT 장치 같은 데이터 소스로의 다운 방향과 데이터 애그리게이터나 중앙 제어 포인트의 클라우드 업 방향이 그것이다. 데이터 소스에 연결하려면 I2C, SPI, UART 같은 인터페이스에서 실행되는 다양한 M2M 프로토콜 지원이 필요하다. 대부분의 애플리케이션에서는 그 산업과 애플리케이션을 통해 시스템이 요구하는 M2M 인터페이스의 종류가 결정된다.
조 폴켄즈(Joe Fiolkens) / 제품 마케팅 엔지니어 텍사스 인스트루먼트
마이크로프로세서(MPU)와 마이크로컨트롤러(MCU) 아키텍처의 지속적인 발전으로 임베디드 설계에 대한 지식이 높아졌다. 이러한 스마트 제품은 이제 사물인터넷(IoT) 접속이 더해지면서 한층 더 강화되고 있다. 이 접속으로 탁월한 사용자 체험, 원격 작동, 자동 제어, 지능형 네트워킹 등 기업과 사용자 모두에게 완전히 새로운 세상이 열렸다. 대부분의 경우, 접속은 임베디드 시스템의 효용과 내구성, 다목적성을 크게 강화시킨다.
IoT의 가치는 상호 접속에서 나온다. IoT 시스템은 양방향 접속이 가능해야 한다. 센서나 다른 IoT 장치 같은 데이터 소스로의 다운 방향과 데이터 애그리게이터나 중앙 제어 포인트의 클라우드 업 방향이 그것이다. 데이터 소스에 연결하려면 I2C, SPI, UART 같은 인터페이스에서 실행되는 다양한 M2M(machine-to-machine) 프로토콜 지원이 필요하다. 대부분의 애플리케이션에서는 그 산업과 애플리케이션을 통해 시스템이 요구하는 M2M 인터페이스의 종류가 결정된다.
인터넷을 통한 클라우드 연결에는 IP 기반 인터페이스가 필요한데, 대표적으로 유선 접속에는 이더넷, 무선 애플리케이션에는 Wi-Fi가 있다. 10/100 이더넷의 유비쿼티는 유선 제품 라인과의 보안 접속이 필요할 때 매력적인 옵션이다. 개발자에게 어려운 점은 이 접속을 성능이나 신뢰도 하락 없이 최저 비용과 전력으로 구현해야 한다는데 있다.
PHY 통합
기존에는 이더넷 MAC을 MCU에 집적하여 비용과 디자인 복잡도를 낮췄다. 반면, 이더넷 PHY는 아날로그 집적의 어려움 때문에 별도의 컴포넌트로 구현되었다. 하지만 많은 애플리케이션이 PHY 집적의 이점을 똑같이 누릴 수 있다.
텍사스 인스트루먼트(TI)의 TM4C129x MCU 제품군을 이용하면서, MAC/PHY를 MCU에 집적했을 때의 이점을 누릴 수 있게 되었다. TI는 아날로그 집적의 어려움을 극복하는데 필요한 기술을 개발하여 산업 선도적인 이더넷 PHY 및 10/100 MAC 기술을 ARM Cortex-M4기반 MCU 코어와 함께 묶었다. TM4C129x MCU는 시스템을 클라우드에 연결하여 IoT 능력을 맘껏 활용하고 싶어하는 제조 업체들에게 효과적인 솔루션이다.
그림 2에서 알 수 있듯이 PHY를 집적시키면 이더넷 MAC을 처음 MCU에 집적시켰을 때 얻었던 것과 비슷한 절감과 이점을 얻게 된다.
•절전 : 유효전력 절감을 최대 58mA까지 달성할 수 있다. 이것은 76% 절감에 해당된다. 대기전력 절감은 그 구현방식에 크게 좌우되기 때문에 아무 절감 없는 상태부터 최대 10.2mA, 즉 74% 절감까지 다양하게 나타날 수 있다. 전력소모를 줄이면 시스템의 전력효율이 늘어나 라인 구동 디바이스의 운영비가 줄어들고 배터리 구동 시스템의 작동 수명이 늘어난다.
•보드공간 절약 : 집적된 PHY에는 여전히 트랜스포머와 일부 ESD(electrostatic discharge) 방지 형식 같은 몇몇 외부 컴포넌트가 있어야 MCU를 외부 쇼크로부터 보호할 수 있다. 그래도 전반적인 보드 공간 절약은 93%~96% 감소 선이다. 이 때문에 PCB 공간이 여유가 생겨 추가 기능이 가능해진다.
•노이즈 감소 : 몇 가지 외부 신호 제거와 크리스털 제거 때문에 외부 시스템 노이즈가 줄어든다. 그러면 개발자에게 신호 마진이 커져 루팅 제약과 디자인 복잡도가 수월해진다.
•설계 가속 : PHY 집적은 엔지니어에게 디자인을 간소화해주어 더욱 빠른 구현과 문제해결을 가능하게 해준다.
•신뢰도 향상 : 완전한 인터페이스로서 TM4C129x MCU의 집적 MAC/PHY는 확실하게 입증된 완성품이다. 외부 컴포넌트를 제거함으로써 시스템 내에 문제가 생길 여지가 줄어들어 신뢰도가 높아지고 전체 비용이 절감된다.
이 수치들은 설계 중 PHY 부분만을 비교한 것으로 애플리케이션과 실제 구현, 사용 예제, 제품 규모, 그 밖의 요소들에 따라 다를 수 있다. 설계자가가 애플리케이션에서 이뤄낼 수 있는 절감을 가늠할 수 있도록 TI는 몇 가지 제품 평가 옵션을 제공하고 있다.
TI의 TM4C129x MCU 제품군
10/100 MAC/PHY가 집적된 산업 최초의 ARM Cortex-M4 MCU, TM4C129x MCU 아키텍처(그림 3)은 여러 가지 다양한 임베디드 애플리케이션에 적합하다. 이 TM4C129x MCU 제품군의 주요 기능은 아래와 같다.
•산업 최초의 집적 10/100 이더넷 MAC+PHY
•하드웨어 기반 AES, DES, HASH, CRC 가속 등 암호 기능
•최대 1024 KB 플래시와 256 KB SRAM 메모리 풋프린트
•옵션형 집적 LCD 컨트롤러 •조작 감지 및 제어와 JTAG/디버그 록아웃 등 플래시 및 EEPROM 보호 기능으로 강화된 데이터 보호
•High Speed, Full Speed, On the Go (OTG)/Host/Device 등 USB 지원
•고속 12bit ADC와 최대 2 MSPS까지의 전환 속도로 정확성과 고성능을 모두 달성
•경쟁 디바이스보다 더 많은 고전류 지원 (최대 12mA)
•고신뢰 플래시로 최소 100,000 쓰기/지우기 사이클과 산업표준보다 뛰어난 자릿수 제공
•QEI (quadrature encoder interface)와 고급 타이머 및 PWM 출력 등 모션 제어 지원
•배터리로 지원되는 동면 모드로 절전 증가
•디지털 신호 제어와 부동소수점 등 고급 프로세싱 기능
주요 기능
현재 TM4C129x MCU 제품군(표 1)에는 20 개의 베이스 디바이스가 있어서 다양한 구성으로 여러 가지 IoT 애플리케이션 요구사항에 최대한 맞출 수 있다. 외부 PHY가 필요한 시스템의 경우, TM4C129x MCU 계열은 MAC을 집적시킨 디바이스를 제공하고 있다. TM4C129x MCU로 비용, 전력, 보드공간의 절약을 누릴 수 있는 시스템은 아래와 같다.
•통신 어댑터/콘센트레이터
•네트워크 산업 계량기/컨트롤러/게이트웨이
•산업 HMI 컨트롤 패널/디스플레이
•네트워크 주거/상업 건물 시스템
•클라우드 연결 벤딩 머신
•네트워크 산업 인버터/모터 드라이버
•보안 접속 시스템
•산업 센서
•산업 자동화와 기타 등등
PHY를 넘어
IoT 애플리케이션에서 TM4C129x MCU의 장점은 단순한 PHY 절감을 뛰어 넘는다(그림 4). 무엇보다 이더넷 인터페이스는 시스템의 한 부분에 지나지 않는다. 오늘날의 IoT 디바이스는 다음과 같은 기능의 완전 통합 프로세스를 필요로 한다.
•고급 HMI (human-machine interface) 기능
•고속 데이터 집성
•높아진 신뢰도
•강화된 데이터 보호
•보드공간이 제한적인 시스템을 위해 축소된 타깃 풋프린트
•통합 산업 제어 기능
예를 들어, 기계식 버튼과 다이얼로 이루어진 레거시 HMI 시스템은 오늘날의 시스템이 요구하는 시각화 및 제어 레벨을 제공하지 못한다. 더 높은 접속성과 제어를 제공하는 새롭고 풍부한 HMI 인터페이스에도 모노 칩 리소스와 프로세싱 기능을 가진 프로세서가 필요하다.
또한 이 프로세서는 넓어진 작동 온도 범위와 더 큰 용량으로 확장된 사이클 비휘발성 메모리 같은 기능을 통해 산업 레벨의 신뢰도를 제공해야 한다.
커넥티비티, 통신, 제어
TM4C129x MCU가 가진 가치의 핵심은 커넥티비티, 통신, 제어를 조합한 데 있다. 하드웨어 측면에서, TM4C129x MCU는 아키텍처에 집적된 고급 통신 주변장치의 규모 면에서 따라올 자가 없다. 이러한 주변장치로는 이더넷 MAC+PHY, 2 CAN, EPI(External Parallel Interface), USB On-The-Go/Host/Device, 4 개 Quad SSI/SPI, 최대 10 I2C, 최대 8개 UART가 있다.
펌웨어 역시 클라우드와의 통신에서 중요한 역할을 한다. TM4C129x MCU의 모든 인터페이스에는 양산 준비가 완료된 드라이버와 풀 스위트 소프트웨어 및 네트워킹 스택이 지원된다.
또한 개발자는 TI의 광범위한 주변장치와 그래픽, USB, 센서 라이브러리를 이용할 수 있다(그림 5). 이러한 로우 레벨 지원 토대를 통해 개발자는 처음부터 광범위한 시스템 펌웨어를 생성하지 않고도 애플리케이션 개발에만 온전히 디자인 초점을 맞출 수 있다. 제어는 대다수 IoT 애플리케이션이 가지고 있는 또 다른 디자인 과제이다.
연결된 디바이스는 복수의 출력과 이벤트를 제어해야 할 때까지 종종 있다. 예를 들어 단일 시스템으로 조명, 센싱, 모션, 온도 감지 등이 있을 수 있다. TI는 60 개가 넘는 견본 애플리케이션을 제공함으로써 개발자들의 센서 데이터 집산과 분석, 전체 시스템 관리 및 제어를 돕고 있다. 이러한 견본 애플리케이션들은 복수의 PWM 출력, 듀얼 QEI, 고속 12bit ADC, 온칩 콤퍼레이터 등 TM4C129x MCU의 센싱 제어 주변장치를 효과적으로 활용하는 방법을 보여주고 있다.
펌웨어와 애플리케이션 코드가 지원되는 통합 하드웨어 인터페이스를 통해 IoT 디바이스 개발이 간소해지고 OEM 사들의 출시 속도도 빨라진다. 코드가 체계적으로 정리, 기록되어 있어서 일관된 API로 주변장치를 초기화하여 사용할 수 있다. 펌웨어 및 애플리케이션은 현장에서 그 가치가 입증되었기 때문에 전체 시스템의 신뢰도 역시 높다. 그리고 개발자가 로우-레벨 구현에서 더 이상 전문가가 될 필요가 없기 때문에, 개발 비용도 줄어든다.
또한 인터럽트 서비스 루틴과 스타트업 코드까지 모든 프로그래밍을 C로 할 수 있다. TI가 장래 도입할 새로운 플랫폼으로 설계를 손쉽게 이동시킬 수 있다는 확신을 제조업체들이 가지게 됨에 따라 제품 개발이 간소해지고 빨라진다. 라이브러리는 로열티 무상 소스코드로서 무료 다운로드가 가능하다. 풍부한 주변장치 기능을 온전히 활용하는 방법을 보여주는 여러 가지 견본도 제공된다.
또한 라이브러리와 부트 로더가 온칩 ROM에 저장되어 있기 때문에, 여유가 생긴 프로그래머블 메모리를 애플리케이션에 사용할 수 있다. TM4C129x-MCU 기반의 설계도 표준 TI 라이브러리와 툴 체인을 활용할 수 있다. 여기에는 Code Composer Studio 통합 개발 환경과 Keil의 마이크로컨트롤러 개발 키트, IAR 임베디드 워크벤치, Mentor Embedded Sourcery CodeBench, GCC 등이 있다. 이를 통해 개발자는 자신이 선택한 개발 환경 내에서 자유롭게 작업을 할 수 있다.
TI의 폭넓은 파트너 생태계 역시 개발자에게 다양한 소프트웨어와 미들웨어, 설계 서비스를 제공해준다. TM4C129x MCU는 TI의 공식 대리점, 필드 엔지니어, TI E2E 포럼의 지원을 받고 있다.
시작하기
개발자는 여러 가지 방법으로 TM4C129x MCU 제품군의 장점과 기능을 스스로 평가해볼 수 있다. TM4C1294 커넥티드 론치패드(EK-TM4C1294XL)는 $19.95로 이용 가능한 평가 키트이다. 이것은 TM4C129x MCU에서 신속하게 프로토타이핑과 실험을 해볼 수 있는 비용 효과적인 키트이다.
전체 개발 키트를 원하는 개발자라면 전체 기능 플랫폼 TM4C129X 커넥티드 개발 키트(DK-TM4C129X)으로 TM4C129x MCU의 평가와 개발을 할 수 있다. 이 개발 키트에는 LCD 등 여러 기능이 들어 있으며 MCU 내부 신호에 접근할 수 있다. 두 키트 모두 TI의 광범위한 라이브러리와 애플리케이션 코드, 파트너 개발 툴 체인을 지원하고 있다. 120MHz ARM Cortex-M4 CPU와 산업 최초 10/100 이더넷 MAC+PHY이 집적된 TM4C129x MCU를 통해 새로운 차원의 연결 강화 시스템이 가능해진다.
대다수 IoT 시스템의 산업 요건에 맞춰 설계된 고도 통합 TM4C129x MCU는 성능과 신뢰도를 더 높은 비용절감과 절전, 공간절약과 조합시키고 있다.
또한 개발자는 TI가 제공하는 다양한 라이브러리 및 견본 애플리케이션을 바탕으로 임베디드 산업의 최신 개발 툴을 활용함으로써 제품 출시 속도를 단축할 수 있다.
추가 리소스
TM4C129x MCU: http://www.ti.com/product/tm4c1294ncpdt
데이터시트 : www.ti.com/lit/gpn/tm4c1294ncpdt TM4C1294
커넥티드 론치패드(EK-TM4C1294XL) : http://www.ti.com/tool/ek-tm4c1294xl TM4C129X
커넥티드 개발 키트(DK-TM4C129X) : http://www.ti.com/tool/dk-tm4c129x
TI 소프트웨어 라이브러리 : http://www.ti.com/tool/sw-tm4c
E2E 포럼 : http://e2e.ti.com/support/microcontrollers/tiva_arm/default.aspx
교육 : http://www.ti.com/product/TM4C1294NCPDT/support#training
샘플 또는 부품 주문 : http://www.ti.com/product/TM4C1294NCPDT/samplebuy
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