Architektur eines universell einsetzbaren Sensorknotens INGA (Inexpensive Node for General Applications) Ulf Kulau
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- Karlheinz Sternberg
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1 Architektur eines universell einsetzbaren Sensorknotens INGA (Inexpensive Node for General Applications) Ulf Kulau FGSN 2011
2 Inhalt 1. Einleitung, Anforderungen und Grundlagen 2. Betrachtung existierender Sensorknoten 3. INGA Design und Hardware Implementierung 4. AVRDUDE kompatible Bootloader Application 5. Peripherie Software Bibliothek 6. Evaluation 7. Future Work Ulf Kulau Architektur eines universell einsetzbaren Sensorknotens 2
3 Allgemeine Architektur von Sensorknoten Gemeinsamkeit: Allgemeine Architektur von Sensorknoten Memory Communication Device Controller / Processing Unit Sensors / Actuators Power Unit / Power Supply Ulf Kulau Architektur eines universell einsetzbaren Sensorknotens 3
4 Allgemeine Architektur von Sensorknoten Gemeinsamkeit: Allgemeine Architektur von Sensorknoten Memory Communication Device Controller / Processing Unit Sensors / Actuators Power Unit / Power Supply Beliebige / Beliebig komplexe Realisierung der einzelnen Komponenten Energieeffizienz als dominierende Design Rule für das Gesamtsystem Ulf Kulau Architektur eines universell einsetzbaren Sensorknotens 3
5 Allgemeine Architektur von Sensorknoten Gemeinsamkeit: Allgemeine Architektur von Sensorknoten Memory Communication Device Controller / Processing Unit Sensors / Actuators Power Unit / Power Supply Beliebige / Beliebig komplexe Realisierung der einzelnen Komponenten Energieeffizienz als dominierende Design Rule für das Gesamtsystem Entwicklungsziel INGA Vorteile existierender Architekturen nutzen und optimieren Günstige Open-Hardware mit Kompatibilität zu Contiki Ulf Kulau Architektur eines universell einsetzbaren Sensorknotens 3
6 Betrachtung existierender Sensorknoten Sensorknoten Architekturen PCB Antenna SMA Coax tmote Sky Transceiver CC2420 SPI0 I/O Humidity Temperature Sensor PAR Sensor TSR Sensor I/O ADC ADC MCU / CPU MSP430f1611 UART0 I²C ADC GPIO Reset User IDC Header JTAG Header JTAG SVSin / out SVS IDC Header UART1 power SPI0 UART // USB FTDI232 ST Flash Memory Ulf Kulau Architektur eines universell einsetzbaren Sensorknotens 4
7 MUX Betrachtung existierender Sensorknoten Sensorknoten Architekturen PCB Antenna SMA Coax tmote Sky Transceiver CC2420 SDHOST SPI0 Shimmer Sensor MUX micro SD Socket SPI0 I/O UART0 Dock Humidity Temperature Sensor PAR Sensor TSR Sensor I/O ADC ADC MCU / CPU MSP430f1611 UART0 I²C ADC GPIO Reset User IDC Header GPIO Tilt /Vibration (SQ SEN200) 3 LEDs Switches MCU / CPU MSP430f1611 Accelerometer (MMA7361) ADC JTAG Header JTAG UART1 UART // USB FTDI232 power SPI0 ST Flash Memory SVSin / out SVS IDC Header UART1 / SPI1 Bluetooth Transceiver CC2420 Battery Sense Ulf Kulau Architektur eines universell einsetzbaren Sensorknotens 4
8 Betrachtung existierender Sensorknoten Sensorknoten Architekturen AVR Raven Joystick Audio and user I/O MCU 1: ATmega3290P User I/O LCD Display MCU 2: serial communication ATmega1284P serial communication Radio Chip AT86RF230 PCB Antenna Realtime Clock On chip MCU RC oscillator (default 4MHz) Realtime On chip MCU Clock RC oscillator (default 4MHz) 16Mhz 32Khz Flash Memory 32Khz Ulf Kulau Architektur eines universell einsetzbaren Sensorknotens 5
9 Betrachtung existierender Sensorknoten Sensorknoten Architekturen AVR Raven Joystick Audio LCD and Display user I/O MCU 1: MCU 2: serial serial ATmega3290P communication ATmega1284P communication Radio Chip User I/O AT86RF230 Realtime On chip MCU Realtime On chip MCU Clock RC oscillator Clock RC oscillator (default 4MHz) (default 4MHz) PCB Antenna 2.4GHz Radio isense RAM ROM 96KB 192KB O QPSK 32Bit RISC Modem CPU 48Byte OTP efuse Botloader Flash SPI TWI // I²C Timers UARTS 32Khz Flash Memory 32Khz 16Mhz IEEE MAC Acc 12Bit ADC 11Bit DAC XTAL Power Management 128Bit AES Encryption Acc Ulf Kulau Architektur eines universell einsetzbaren Sensorknotens 5
10 Eingrenzung, Bewertung und Beurteilung der Systemarchitekturen Aufgrund der geforderten Kompatibilität zu Contiki OS ergeben sich folgende mögliche Basis-Architekturen für den INGA Sensorknoten Processing Unit Communication Unit Tmote Sky Texas Instruments MSP430F1611 Texas Instrumets cc2420 AVR Raven Atmel ATmega1284p Atmel AT86RF230 Atmel AT86RF231 Ulf Kulau Architektur eines universell einsetzbaren Sensorknotens 6
11 Eingrenzung, Bewertung und Beurteilung der Systemarchitekturen Aufgrund der geforderten Kompatibilität zu Contiki OS ergeben sich folgende mögliche Basis-Architekturen für den INGA Sensorknoten Processing Unit Communication Unit Tmote Sky Texas Instruments MSP430F1611 Texas Instrumets cc2420 AVR Raven Atmel ATmega1284p Atmel AT86RF230 Atmel AT86RF231 Kriterien zur Bewertung Leistungsaufnahme der Basisarchitektur Rechenleistung On-Chip Peripheriekomponenten (Kommunikationsinterfaces) Ulf Kulau Architektur eines universell einsetzbaren Sensorknotens 6
12 Leistungsaufnahme der Basis-Architektur Leistungsaufnahme der Basisarchitektur Dynamische Verlustleistung dominiert die Leistungsaufnahme bei CMOS Technologie P dyn = C l f U 2 b Prozessorarchitektur (RISC) Verschiedenste Sleep-Modi Ulf Kulau Architektur eines universell einsetzbaren Sensorknotens 7
13 Leistungsaufnahme der Basis-Architektur Leistungsaufnahme der Basisarchitektur Dynamische Verlustleistung dominiert die Leistungsaufnahme bei CMOS Technologie P dyn = C l f U 2 b Prozessorarchitektur (RISC) Verschiedenste Sleep-Modi Stromaufnahme der Basisarchitekturen MSP430F16x ATmega1284p cc2420 AT86RF231 Supply Current[mA] Frequency [MHz] Supply Current [ma] Transmit Power [dbm] Ulf Kulau Architektur eines universell einsetzbaren Sensorknotens 7
14 Rechenleistung Rechenleistung Leistungsfähigkeit Λ = 1 t ex MIPS = Clockrate CPI 10 6 ungeeignet da CPI = 1 Benchmarks zur Bewertung (Vorsicht: tendenziös!) Ulf Kulau Architektur eines universell einsetzbaren Sensorknotens 8
15 Rechenleistung Rechenleistung Leistungsfähigkeit Λ = 1 t ex MIPS = Clockrate CPI 10 6 ungeeignet da CPI = 1 Benchmarks zur Bewertung (Vorsicht: tendenziös!) Auswertung (bedingt aussagekräftig) ATmega8 Rowley ATmega8 Rowley ATmega8 IAR ATmega8 IAR MSP430F149 Rowley MSP430F149 Rowley MSP430F149 IAR MSP430F149 IAR Execution Cycles Code Size [Byte] Ulf Kulau Architektur eines universell einsetzbaren Sensorknotens 8
16 On-Chip Peripheriekomponenten: ATmega1284p vs. MSP430 MSP430F1611 SPI Bus SPI Transceiver CPU Main Process I²C Device 1 ATmega1284p SPI Bus SPI Transceiver CPU Main Process I²C Device 1 t ch t g =t msp T atm t g t t msp t atm " 1.22 Ulf Kulau Architektur eines universell einsetzbaren Sensorknotens 9
17 On-Chip Peripheriekomponenten: ATmega1284p vs. MSP430 MSP430F1611 SPI Bus SPI Transceiver CPU Main Process I²C Device 1 ATmega1284p SPI Bus SPI Transceiver CPU Main Process I²C Device 1 t ch t g =t msp T atm t g t t msp t atm " 1.22 On-Chip Peripheriekomponenten (Kommunikationsinterfaces) Kein Umkonfigurieren des USART ( t ex ) Parallelisierung in einem sequentiellen System Erhöhte Stromaufnahme durch zusätzliche Hardwarekomponenten, jedoch Verringerung der Leistungsaufnahme bei Kompression 2% Dedizierte Trennung von Komponenten auf Hardware-Ebene Ulf Kulau Architektur eines universell einsetzbaren Sensorknotens 9
18 Leistungsfähigkeit und Verlustleistung Auswirkung auf die Verlustleistung P ges = = 1 T T 0 1 T U b (t) I cc (t) dt (1) ( Tactive 0 ) T P active (t) dt + P sleep (t) dt T active aus t ex = T active mit P active P sleep P ges (3) (2) Ulf Kulau Architektur eines universell einsetzbaren Sensorknotens 10
19 Leistungsfähigkeit und Verlustleistung Auswirkung auf die Verlustleistung P ges = = 1 T T 0 1 T U b (t) I cc (t) dt (1) ( Tactive 0 ) T P active (t) dt + P sleep (t) dt T active aus t ex = T active mit P active P sleep P ges (3) (2) Weiterer Faktor Große AVR Community (erleichtert den Einstieg) Ulf Kulau Architektur eines universell einsetzbaren Sensorknotens 10
20 Leistungsfähigkeit und Verlustleistung Auswirkung auf die Verlustleistung P ges = = 1 T T 0 1 T U b (t) I cc (t) dt (1) ( Tactive 0 ) T P active (t) dt + P sleep (t) dt T active aus t ex = T active mit P active P sleep P ges (3) (2) Weiterer Faktor Große AVR Community (erleichtert den Einstieg) Resultierende Basis-Architektur ATmega1284p + AT86RF231 Ulf Kulau Architektur eines universell einsetzbaren Sensorknotens 10
21 INGA Blockdiagramm INGA Design und Hardware Implementierung PCB Antenna JTAG Header User LEDs User Switch Transceiver AT86RF231 SPI I/O MCU / CPU ATmega1284p Flash Memory AT45DBxx1 MSPI Bus I²C Bus MicroSD Card Acceleration Sensor ADXL345 UART // USB FTDI232 UART0 Gyroscope L3G4200D Pressure // Temp Sensor BMP085 Battery Charger Power Monitoring ADC GPIO / ADC AREF MSPI Chip Select UART0 RX/TX Pin Header (2.54mm) Ulf Kulau Architektur eines universell einsetzbaren Sensorknotens 11
22 USB, Power Management und Monitoring USB USB Unterstützung durch FTDI232 (UART to USB) Kontrollierter Reset via FTDI232 Ulf Kulau Architektur eines universell einsetzbaren Sensorknotens 12
23 USB, Power Management und Monitoring USB USB Unterstützung durch FTDI232 (UART to USB) Kontrollierter Reset via FTDI232 Host USB FTDI232 Battery Charger Voltage and Current Monitor LDO 3.3V Nur aktiv bei bestehender USB Verbindung Power Management und Monitoring Diskreter Aufbau zur Reduzierung des Overheads ω pm (I cc ) 35µA Online Spannungs- und Strommessung Laden eines LiIon Akku via USB Betrieb über USB, LiIon oder normale Batterie Ulf Kulau Architektur eines universell einsetzbaren Sensorknotens 12
24 USB, Power Management und Monitoring USB USB Unterstützung durch FTDI232 (UART to USB) Kontrollierter Reset via FTDI232 Host USB FTDI232 Battery Charger Voltage and Current Monitor LDO 3.3V Nur aktiv bei bestehender USB Verbindung Power Management und Monitoring Diskreter Aufbau zur Reduzierung des Overheads ω pm (I cc ) 35µA Online Spannungs- und Strommessung Laden eines LiIon Akku via USB Betrieb über USB, LiIon oder normale Batterie Overhead ω [%] Supply Current Icc [ma] Ulf Kulau Architektur eines universell einsetzbaren Sensorknotens 12
25 MSPI Bus MSPI-Bus V cc micro SD Enable Flash Memory AT45DBxx1 Acceleration Sensor ADXL345 CS SDO SDI SCK Eigener Hardware-SPI MCU / CPU Atmega1284p PORT A USART1 I/O MSPI MOSI MISO SCK PA5 PA6 PA7 CS SDO SDI SCK CS SDO SDI SCK 1 of 8 demultiplexer Tri Sate Buffer Enable Ext. SPI Interface MOSI MISO SCK CS3 CS4 Multiplexer für Chip-Select Einfache Integration externer Komponenten PA4 Ulf Kulau Architektur eines universell einsetzbaren Sensorknotens 13
26 MSPI Bus MSPI-Bus V cc micro SD Enable Flash Memory AT45DBxx1 Acceleration Sensor ADXL345 CS SDO SDI SCK Eigener Hardware-SPI MCU / CPU Atmega1284p PORT A USART1 I/O MSPI MOSI MISO SCK PA5 PA6 PA7 CS SDO SDI SCK CS SDO SDI SCK 1 of 8 demultiplexer Tri Sate Buffer Enable Ext. SPI Interface MOSI MISO SCK CS3 CS4 Multiplexer für Chip-Select Einfache Integration externer Komponenten PA4 Integrierte Komponenten 16Mbit Flash (Dual Buffer) ADXL345 Accelerometer (Rauscharm, sehr geringe Verlustleistung) microsd Slot (de-/aktivierbar) Ulf Kulau Architektur eines universell einsetzbaren Sensorknotens 13
27 I 2 C Bus I 2 C-Bus MCU / CPU Atmega1284p TWI I²C SDA SCL Gyroscope L3G4200D SCL SDA Pressure and Temperature Sensor BMP085 SCL SDA Ext. SPI Interface SDA SCL Eigener Hardware-I 2 C Einfache Integration externer Komponenten Ulf Kulau Architektur eines universell einsetzbaren Sensorknotens 14
28 I 2 C Bus I 2 C-Bus MCU / CPU Atmega1284p TWI I²C SDA SCL Gyroscope L3G4200D SCL SDA Pressure and Temperature Sensor BMP085 SCL SDA Ext. SPI Interface SDA SCL Eigener Hardware-I 2 C Einfache Integration externer Komponenten Integrierte Komponenten Gyroskop mit integriertem Temperatursensor Luftdrucksensor mit integriertem Temperatursensor Ulf Kulau Architektur eines universell einsetzbaren Sensorknotens 14
29 AVRDUDE kompatible Bootloader Application Bootloader Gateway Wireless Communication User Application e.g. Contiki Process Wireless Sensor Network AT45DBxx1 Application Section Bootloader Section Backup OS virtual Program Memory Program Memory copy Flash USB Fault Detection (Watchdog) IBRnode USB Bootloader Ulf Kulau Architektur eines universell einsetzbaren Sensorknotens 15
30 AVRDUDE kompatible Bootloader Application Bootloader Gateway Wireless Communication User Application e.g. Contiki Process Wireless Sensor Network AT45DBxx1 Application Section Bootloader Section Backup OS virtual Program Memory Program Memory copy Flash USB Fault Detection (Watchdog) IBRnode USB Bootloader UART als Programmierschnittstelle Simples AVR109 Bootloader Protokoll (AVRDUDE kompatible) Future Work: Erweiterbar auf drahtloses Programmieren Ulf Kulau Architektur eines universell einsetzbaren Sensorknotens 15
31 Bootloader Optimierung Anpassung des RC Oszillatorfrequenz Ziel: Verringerung der Übertragungsfehler bei hohen Baud-Raten Iterative Näherung einer passenden RC-Frequenz (zwei Counter) Erzielter Speedup: 6 Übertragungsfehler: ɛ u = UBBRn = f cpu 16 Baud 1 (4) ( UBBRn + 1 UBBRn exakt ) 1 100% (5) Ulf Kulau Architektur eines universell einsetzbaren Sensorknotens 16
32 Bootloader Optimierung Anpassung des RC Oszillatorfrequenz Ziel: Verringerung der Übertragungsfehler bei hohen Baud-Raten Iterative Näherung einer passenden RC-Frequenz (zwei Counter) Erzielter Speedup: 6 Parallelisierung der Flash-Schreiboperationen Übertragungsfehler: ɛ u = UBBRn = f cpu 16 Baud 1 (4) ( UBBRn + 1 UBBRn exakt ) 1 100% (5) with Buffer without Buffer Prinzip: Zeit mit Platz substituieren Zusätzlicher Speicher verhindert Flash Delay programming time [s] Effekt bei hohen Übertragungsraten Baudrate Ulf Kulau Architektur eines universell einsetzbaren Sensorknotens 16
33 Peripherie Software Bibliothek Peripherie Software Bibliothek User Layer User Application e.g. Contiki IBRnode Peripheral Software Library Peripheral Interface Layer Low Level Hardware Driver Layer ADC Driver L3G4200D Gyroscope BMP085 Pressure Sensor I2C Driver ADXL345 Accelerometer microsd Socket MSPI Bus Manager MSPI Driver AT45DBxx1 Flash Memory Abstraktion Hardware Layer Hardware INGA Ulf Kulau Architektur eines universell einsetzbaren Sensorknotens 17
34 Peripherie Software Bibliothek MSPI-Bus Manager 4 verschiedene SPI Modi Ziel: Abstraktion hardwarespezifischen Eigenschaften auf der obersten Software-Ebene MSPI-Bus Manager koordiniert den Mode-Wechsel Wahlweise de-aktivierbar Ulf Kulau Architektur eines universell einsetzbaren Sensorknotens 18
35 Peripherie Software Bibliothek MSPI-Bus Manager 4 verschiedene SPI Modi Ziel: Abstraktion hardwarespezifischen Eigenschaften auf der obersten Software-Ebene MSPI-Bus Manager koordiniert den Mode-Wechsel Wahlweise de-aktivierbar Theoretische Betrachtung Basiert auf den Daten einer AVR Studio Simulation ζ SPI Bus Manager w worst Case b best Case p c SPI Mode Change Ulf Kulau Architektur eines universell einsetzbaren Sensorknotens 18
36 Evaluation Evaluation Die Evaluation dieser Projektarbeit beschränkt sich auf folgende Punkte: Allgemeiner Funktionstest sämtlicher Komponenten Lese-/Schreibgeschwindigkeit der Speicher Kommunikationsreichweite Linearität der Strom- und Spannungsmessung Ulf Kulau Architektur eines universell einsetzbaren Sensorknotens 19
37 Evaluation Evaluation Die Evaluation dieser Projektarbeit beschränkt sich auf folgende Punkte: Allgemeiner Funktionstest sämtlicher Komponenten Lese-/Schreibgeschwindigkeit der Speicher Kommunikationsreichweite Linearität der Strom- und Spannungsmessung Linearität der Strom- und Spannungsmessung Icc [ma] Vcc ADC value Icc ADC value t[s] Ulf Kulau Architektur eines universell einsetzbaren Sensorknotens 19
38 Vergleichsmessung UDP Paket Verluste: AVR Raven vs. INGA Kommunikationsreichweite: (Sensorknoten USB Stick) Messung 1: h RX1 = 1,2m h TX1 = 2,5m Messung 2 TX 2 RX 1 Messung 2: h RX2 = 1,2m h TX2 = 1,2m RX 2 Messung 1 TX 1 Ulf Kulau Architektur eines universell einsetzbaren Sensorknotens 20
39 Vergleichsmessung UDP Paket Verluste: AVR Raven vs. INGA Kommunikationsreichweite: (Sensorknoten USB Stick) Messung 1: h RX1 = 1,2m h TX1 = 2,5m Messung 2 TX 2 RX 1 Messung 2: h RX2 = 1,2m h TX2 = 1,2m RX 2 Messung 1 TX 1 Node φ p(50m)[%] φ p(100m)[%] φ p(150m)[%] φ p(200m)[%] φ p(250m)[%] INGA AVR Raven Ulf Kulau Architektur eines universell einsetzbaren Sensorknotens 20
40 Vergleichsmessung UDP Paket Verluste: AVR Raven vs. INGA Kommunikationsreichweite: (Sensorknoten USB Stick) Messung 1: h RX1 = 1,2m h TX1 = 2,5m Messung 2 TX 2 RX 1 Messung 2: h RX2 = 1,2m h TX2 = 1,2m RX 2 Messung 1 TX 1 Node φ p(50m)[%] φ p(100m)[%] φ p(150m)[%] φ p(200m)[%] φ p(250m)[%] INGA AVR Raven Node r[m] INGA 194 AVR Raven 219 Ulf Kulau Architektur eines universell einsetzbaren Sensorknotens 20
41 Absenken der Versorgungsspannung Dynamische Anpassung der Versorgungsspannung Zur Erinnerung: P dyn = C l f U 2 b (6) Beispiel: ATmega1284p (active mode) Ulf Kulau Architektur eines universell einsetzbaren Sensorknotens 21
42 Absenken der Versorgungsspannung Dynamische Anpassung der Versorgungsspannung Zur Erinnerung: P dyn = C l f U 2 b (6) Beispiel: ATmega1284p (active mode) Lösungen: Bauteile gruppieren, fixe Spannungen Dynamische Spannungsanpassung Simple Erweiterung von INGA LDO mit Digitalpoti via i 2 c Online Optimierung Current Overhead due dynamic Voltage Supply [µa] n Ulf Kulau Architektur eines universell einsetzbaren Sensorknotens 21
43 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit Ulf Kulau Ulf Kulau Architektur eines universell einsetzbaren Sensorknotens 22
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