Embedded Compu+ng Bill Drake Strategic Technology Manager - - PowerPoint PPT Presentation

Embedded ¡Compu+ng ¡

Bill ¡Drake ¡ Strategic ¡Technology ¡Manager ¡ Emerson ¡Climate ¡Technologies ¡ White ¡Rodgers ¡

Embedded ¡Compu+ng ¡

• Design ¡and ¡Opera+ng ¡Constraints ¡

– Power ¡ – Cost ¡ – User ¡Interface ¡ – I/O ¡ – Heat ¡ – Opera+onal ¡Timing ¡ – Robust ¡Opera+on ¡ – Recovery ¡ – Security ¡ – Compliance ¡

Embedded ¡Compu+ng ¡

• Design ¡and ¡Opera+ng ¡Constraints ¡

– Power ¡

• BaHery ¡

– Type ¡of ¡BaHery ¡ » Rechargeable ¡ » ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Connector ¡Constraints ¡ » ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Costs ¡of ¡Cables ¡and ¡Chargers ¡ » One ¡Time ¡Use ¡ – Legal ¡requirements ¡for ¡recycling, ¡charging, ¡disposal? ¡ – Opera+ng ¡length ¡of ¡+me ¡on ¡one ¡cycle? ¡ – Physical ¡size ¡constraints? ¡ ¡

Embedded ¡Compu+ng ¡

• Design ¡and ¡Opera+ng ¡Constraints ¡

– Cost ¡

• Processor ¡System ¡

– CPU, ¡Memory, ¡I/O ¡

• Manufacturing ¡Costs ¡

– BGA ¡ – Lead/Lead ¡Free ¡ – Assembly ¡Tes+ng ¡

• Design ¡Tool ¡Costs ¡

– Integrated ¡Development ¡Environment ¡ – Opera+ng ¡System ¡

Embedded ¡Compu+ng ¡

• Design ¡and ¡Opera+ng ¡Constraints ¡

– User ¡Interface ¡

• Limited ¡Number ¡of ¡Indicators ¡
• Limited ¡Number ¡of ¡Ac+vators ¡(pushbuHons) ¡
• Must ¡factor ¡in ¡power ¡requirements ¡
• Must ¡factor ¡in ¡opera+ng ¡system/+ming ¡constraints ¡
• Interrupt ¡structure ¡must ¡provide ¡for ¡user ¡feedback ¡

+ming ¡

• Cost ¡of ¡Interface ¡components ¡

Embedded ¡Compu+ng ¡

• Design ¡and ¡Opera+ng ¡Constraints ¡

– I/O ¡

• Real ¡+me ¡signal ¡requirements ¡
• Communica+on ¡requirements ¡
• Interrupt ¡system ¡structure ¡to ¡support ¡real ¡+me ¡and ¡

communica+on ¡opera+on ¡

• System ¡on ¡chip ¡versus ¡components ¡
• Peripheral ¡connec+ons ¡
• Cost ¡

Embedded ¡Compu+ng ¡

• Design ¡and ¡Opera+ng ¡Constraints ¡

– Heat ¡

• Wasted ¡Energy ¡
• Interacts ¡with ¡I/O, ¡User ¡Interface ¡and ¡Sensors ¡
• Affects ¡BaHery ¡Life/power ¡supply ¡requirements ¡
• Packaging ¡must ¡enable ¡dissipa+on ¡of ¡excess ¡heat ¡
• Opera+ng ¡in ¡cold ¡environments ¡must ¡provide ¡heat ¡to ¡

enable ¡opera+on ¡

• Temperature ¡Range ¡of ¡opera+on ¡must ¡be ¡taken ¡into ¡

account ¡when ¡choosing ¡components ¡

• Cost ¡impacts ¡

Embedded ¡Compu+ng ¡

• Design ¡and ¡Opera+ng ¡Constraints ¡

– Opera+onal ¡Timing ¡

• Resonator ¡vs. ¡crystal ¡
• Stability ¡requirements ¡
• Affects ¡on ¡power ¡requirements ¡
• Processor ¡speed ¡
• Interrupt ¡servicing ¡requirements ¡
• Memory ¡cycle ¡requirements ¡
• Manufacturing ¡constraints ¡
• Cost ¡

Embedded ¡Compu+ng ¡

• Design ¡and ¡Opera+ng ¡Constraints ¡

– Robust ¡Opera+on ¡

• Opera+ng ¡Environment ¡

– Heat/Cold/stability ¡ – Electrical ¡Noise ¡ – Tolerance ¡for ¡component ¡degrada+on ¡

• Legal ¡and ¡Liability ¡Requirements ¡

– Medical ¡applica+ons ¡ – AircraW ¡ – Home ¡Automa+on ¡ – Toys ¡

Embedded ¡Compu+ng ¡

• Design ¡and ¡Opera+ng ¡Constraints ¡

– Recovery ¡

• Watchdog ¡Timer ¡
• Human ¡Interven+on? ¡
• Over ¡The ¡Air ¡Reprogramming ¡
• Connected ¡Reprogramming ¡
• Serviceable ¡components ¡
• Cost ¡

Embedded ¡Compu+ng ¡

• Design ¡and ¡Opera+ng ¡Constraints ¡

– Security ¡

• Compe+tors/Hackers ¡stealing ¡the ¡opera+ng ¡code ¡
• Compe+tors/Hackers ¡subs+tu+ng ¡opera+ng ¡code ¡
• Legal ¡requirements ¡regarding ¡any ¡data ¡in ¡the ¡system ¡
• Legal ¡requirements ¡regarding ¡data ¡communica+ons ¡

with ¡the ¡system ¡

• Affects ¡on ¡the ¡processor, ¡memory, ¡other ¡design ¡

components ¡

• Cost ¡ ¡

Embedded ¡Compu+ng ¡

• Design ¡and ¡Opera+ng ¡Constraints ¡

– Compliance ¡

• FCC, ¡CE, ¡IC, ¡R&TTE, ¡Telec ¡… ¡
• HIPPA ¡
• WiFi, ¡ZigBee, ¡Z-­‑Wave, ¡Bluetooth ¡
• NEMA ¡
• ASHRAE ¡
• Consumer ¡Product ¡Safety ¡Commission ¡
• Trade ¡Compliance ¡
• OSHA ¡
• California ¡Title ¡24 ¡
• Chemical ¡and ¡Recycle ¡Labeling ¡
• … ¡
• Cost ¡Considera+ons ¡

Embedded ¡Compu+ng ¡

• Concept ¡of ¡New ¡Motes ¡

– Exis+ng ¡Motes ¡operate ¡with ¡IEEE ¡802.15.4 ¡ – Consider ¡design ¡of ¡new ¡motes ¡with ¡alternate ¡ wireless ¡technologies ¡

• IEEE ¡802.11 ¡
• Bluetooth ¡Basic ¡Rate ¡
• Bluetooth ¡High ¡Rate ¡
• Bluetooth ¡Low ¡Energy ¡
• 900 ¡MHz ¡(North ¡America)/800 ¡MHz ¡(EU)/ ¡Other ¡
• Other ¡band? ¡

Embedded ¡Compu+ng ¡

• Concept ¡of ¡New ¡Motes ¡

– Power ¡ – Cost ¡ – User ¡Interface ¡ – I/O ¡ – Heat ¡ – Opera+onal ¡Timing ¡ – Robust ¡Opera+on ¡ – Recovery ¡ – Security ¡ – Compliance ¡

Embedded ¡Compu+ng ¡

• Concept ¡of ¡New ¡Motes ¡

– Processor ¡Requirement? ¡

• ARM ¡
• Texas ¡Instruments ¡
• Freescale ¡
• Energy ¡Micro ¡
• Microchip ¡
• ST ¡
• Toshiba ¡
• Samsung ¡

Embedded ¡Compu+ng ¡

• Concept ¡of ¡New ¡Motes ¡

– User ¡Interface ¡

• Provisioning ¡
• Opera+ng ¡Status ¡
• Control ¡
• Signal ¡Strength ¡Indica+on ¡
• Loss ¡of ¡Signal ¡Indica+on ¡
• Power ¡Status ¡
• I/O ¡func+on ¡status ¡

Embedded ¡Compu+ng ¡

• Concept ¡of ¡New ¡Motes ¡

– Opera+ng ¡Environment ¡

• Temperature ¡Range ¡
• Wireless ¡Environment ¡
• Desired ¡Communica+on ¡Range ¡
• Industrial ¡
• Commercial ¡
• Consumer ¡
• Aerospace ¡
• Outer ¡space ¡

Embedded ¡Compu+ng ¡

• Concept ¡of ¡New ¡Motes ¡

– Size? ¡ – Manufacturing ¡constraints ¡

• BGA? ¡
• Lead ¡Free ¡
• Other ¡

– Power ¡

Embedded ¡Compu+ng ¡

• Concept ¡of ¡New ¡Motes ¡

– Opera+ng ¡System ¡

• RTOS ¡
• Scheduler ¡
• None ¡
• Linux ¡

– Impact ¡on ¡Memory ¡and ¡Processor ¡Requirements? ¡

Embedded ¡Compu+ng ¡

• Concept ¡of ¡New ¡Motes ¡

– Power ¡-­‑ ¡ – Cost ¡ – User ¡Interface ¡-­‑ ¡ – I/O ¡-­‑ ¡ – Heat ¡-­‑ ¡ – Opera+onal ¡Timing ¡ – Robust ¡Opera+on ¡ – Recovery ¡ – Security ¡ – Compliance ¡

Wireless ¡Sensor ¡Networks ¡

• Wireless ¡Applica+ons ¡

– Long ¡Range ¡– ¡Licensed ¡Bands ¡

• Oil ¡Pipeline ¡Management ¡
• Natural ¡Gas ¡Pipeline ¡Management ¡
• City ¡Water ¡Departments ¡
• Power ¡Distribu+on ¡

Advantages ¡

• No ¡one ¡else ¡allowed ¡to ¡use ¡your ¡frequency ¡

Disadvantages ¡

• Cost ¡and ¡+me ¡delay ¡for ¡licensing ¡
• Limited ¡number ¡of ¡licenses ¡available ¡

Wireless ¡Sensor ¡Networks ¡

• Wireless ¡Applica+ons ¡

– Short ¡Range ¡– ¡Unlicensed ¡Bands ¡

• Industrial ¡Sensor ¡Systems ¡

– Machinery ¡Vibra+on ¡Monitoring ¡ – Cement ¡Plant ¡Rota+ng ¡Kiln ¡ – AircraW ¡Carrier ¡Elevator ¡Controls ¡ – Pharmaceu+cal ¡Process ¡Control ¡ – Mobile ¡Plaform ¡Monitoring ¡– ¡silicon ¡wafer ¡processing ¡ – Refinery ¡Tank ¡Farm ¡Monitoring ¡ – Flight ¡line ¡upload ¡of ¡flight ¡plan ¡data ¡and ¡download ¡of ¡aircraW ¡maintenance ¡data ¡

Advantages ¡

• Inexpensive ¡hardware ¡– ¡mass ¡produc+on ¡
• Compares ¡very ¡favorable ¡with ¡wiring ¡costs ¡
• No ¡licensing ¡fees ¡

Disadvantages ¡

• Crowding ¡in ¡the ¡ISM ¡bands ¡
• Poten+al ¡for ¡crosstalk ¡and ¡interference ¡
• Widespread ¡knowledge ¡of ¡standards ¡– ¡hacker ¡target ¡

Wireless ¡Sensor ¡Networks ¡

• Wireless ¡Applica+ons ¡

– Short ¡Range ¡– ¡Unlicensed ¡Bands ¡

• Consumer ¡Applica+ons ¡

– Living ¡Space ¡Environmental ¡Monitoring ¡and ¡Control ¡ – Energy ¡Management ¡ – Remote ¡Data ¡Access ¡ – Security ¡Systems ¡ – Automobile ¡Service ¡Diagnos+cs ¡ – Personal ¡Health ¡Monitoring ¡ – Health ¡and ¡Fitness ¡

Advantages ¡

• Inexpensive ¡hardware ¡– ¡mass ¡produc+on ¡
• Compares ¡very ¡favorable ¡with ¡wiring ¡costs ¡
• No ¡licensing ¡fees ¡

Disadvantages ¡

• Crowding ¡in ¡the ¡ISM ¡bands ¡
• Poten+al ¡for ¡crosstalk ¡and ¡interference ¡
• Widespread ¡knowledge ¡of ¡standards ¡– ¡hacker ¡target ¡

Wireless ¡Sensor ¡Networks ¡

• Applica+on ¡Requirements ¡

– Robust ¡Opera+on ¡ – Tolerance ¡of ¡Interference/Interrup+on ¡ – Quality ¡of ¡Service ¡ – Coexistence ¡

• WiFi/Bluetooth/ZigBee ¡
• WiFi/Radar ¡
• WiMax ¡impact ¡

– Fail ¡Safe ¡Modes ¡ – Commissioning/Ease ¡of ¡Use ¡ – Security/Privacy ¡(Hippa) ¡

Wireless ¡Sensor ¡Networks ¡

• Industrial ¡Machinery ¡Vibra+on ¡Monitoring ¡

– Temperature ¡Range: ¡-­‑40 ¡to ¡+85 ¡degrees ¡C ¡ – Bandwidth ¡Requirement: ¡0 ¡to ¡50 ¡kHz ¡ – Security ¡Requirement: ¡Controlled ¡environment ¡within ¡ Factory ¡– ¡minimum ¡ – Coexistence ¡Requirement: ¡Plant ¡WiFi ¡system, ¡ Machinery ¡EMI, ¡Bluetooth ¡Headset ¡use, ¡possible ¡ ZigBee ¡Sensor ¡systems ¡for ¡other ¡applica+ons ¡ – Robust ¡Opera+on ¡Requirement: ¡Failure ¡to ¡report ¡a ¡ deteriora+ng ¡bearing ¡or ¡gearbox ¡can ¡result ¡in ¡physical ¡ damage ¡to ¡equipment ¡and ¡possible ¡injury ¡or ¡death ¡to ¡ workers ¡

Wireless ¡Sensor ¡Networks ¡

• Pharmaceu+cal ¡Process ¡Control ¡

– Temperature ¡Range: ¡-­‑40 ¡to ¡+85 ¡degrees ¡C ¡ – Bandwidth ¡Requirement: ¡0 ¡to ¡2 ¡kHz ¡ – Security ¡Requirement: ¡Controlled ¡environment ¡within ¡ Factory ¡– ¡minimum ¡ – Coexistence ¡Requirement: ¡Plant ¡WiFi ¡system, ¡Machinery ¡ EMI, ¡Bluetooth ¡Headset ¡use, ¡possible ¡ZigBee ¡Sensor ¡ systems ¡for ¡other ¡applica+ons ¡ – Robust ¡Opera+on ¡Requirement: ¡Monitoring ¡of ¡the ¡ temperature, ¡pressure, ¡flow ¡and ¡other ¡parameters ¡of ¡a ¡ bacterial ¡growth ¡vat. ¡Control ¡of ¡flow, ¡pressure ¡and ¡

• temperature. ¡

– Timing ¡requirements: ¡50 ¡mS ¡response ¡to ¡control ¡changes ¡

Wireless ¡Sensor ¡Systems ¡

• AircraW ¡Carrier ¡Hangar ¡Deck ¡to ¡Flight ¡Deck ¡Elevator ¡

Controls ¡

– Temperature ¡Range: ¡-­‑40 ¡to ¡+85 ¡degrees ¡C ¡ – Bandwidth ¡Requirement: ¡0 ¡to ¡5 ¡kHz ¡ – Security ¡Requirement: ¡High ¡must ¡be ¡impervious ¡to ¡ interference ¡from ¡off ¡shipboard. ¡Must ¡not ¡be ¡able ¡to ¡be ¡ monitored ¡external ¡to ¡ship. ¡ – Coexistence ¡Requirement: ¡WiFi ¡system, ¡Machinery ¡EMI, ¡ Bluetooth ¡Headset ¡use, ¡possible ¡ZigBee ¡Sensor ¡systems ¡for ¡

• ther ¡applica+ons ¡

– Robust ¡Opera+on ¡Requirement: ¡Failure ¡to ¡perform ¡will ¡ result ¡in ¡delay ¡of ¡delivery ¡of ¡aircraW ¡to ¡flight ¡deck ¡at ¡a ¡

• minimum. ¡Worst ¡case ¡– ¡damage ¡to ¡aircraW ¡or ¡individuals ¡

Wireless ¡Sensor ¡Systems ¡

• Other ¡Applica+ons ¡

– Automobile ¡An+lock ¡Braking ¡Sensor ¡ – Garbage ¡Disposal ¡Control ¡ – Speed ¡Zone ¡Governors ¡ – Loca+on ¡Tracking ¡ – Emergency ¡Vehicle ¡No+fica+on ¡ – Payment ¡Systems ¡ – Promo+onal ¡Tracking ¡and ¡Adver+sing ¡