【導(dǎo)讀】根據(jù)球移動(dòng)通信系統(tǒng)協(xié)會(huì)(GSMA)的研究數(shù)據(jù),2010-2020年全球物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量的復(fù)合增長(zhǎng)率高達(dá)19%,2020年達(dá)到了126億臺(tái);而到2025年,這個(gè)數(shù)字將攀升至246億。其他機(jī)構(gòu)的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)雖然有差異,但是大抵都在數(shù)百億級(jí)的水平,并大都認(rèn)為在未來(lái)十年內(nèi)這個(gè)進(jìn)程將繼續(xù)加速,向千億量級(jí)的規(guī)模邁進(jìn)。在這樣的大趨勢(shì)下,無(wú)線互連市場(chǎng)無(wú)疑將迎來(lái)一個(gè)持續(xù)的增長(zhǎng)期。
想讓設(shè)備“聯(lián)網(wǎng)”,最直接的技術(shù)方案就是“MCU+射頻模塊”的雙芯片架構(gòu),即在電子應(yīng)用系統(tǒng)基礎(chǔ)上,加上分立的無(wú)線射頻通信器件。不過(guò),按照半導(dǎo)體圈慣常的發(fā)展邏輯,當(dāng)這個(gè)市場(chǎng)足夠大的時(shí)候,人們就會(huì)想“為什么不將MCU和RF無(wú)線收發(fā)器集成在一起”,這樣一來(lái),在一個(gè)單芯片上就可以既實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信,又能夠跑應(yīng)用,無(wú)疑這在成本、體積等方面都會(huì)更劃算。無(wú)線SoC(有時(shí)也被稱作無(wú)線MCU),就是在這樣的背景下應(yīng)運(yùn)而生了。
無(wú)線SoC選型要素
發(fā)展到今天,無(wú)線SoC雖然還無(wú)法完全替代雙芯片的架構(gòu),但已經(jīng)日趨成熟,市場(chǎng)應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。但對(duì)開發(fā)者來(lái)講,隨之而來(lái)的一個(gè)挑戰(zhàn)就是:無(wú)線SoC產(chǎn)品越來(lái)越多,應(yīng)該如何選擇適合自己的那一款?考慮到無(wú)線SoC比單純的MCU架構(gòu)更為復(fù)雜,因此需要考量的因素也就更多,選型時(shí)就不得不多花些心思。
無(wú)線協(xié)議
根據(jù)應(yīng)用的要求,基于數(shù)據(jù)傳輸速率、傳輸距離、功耗、成本、網(wǎng)絡(luò)容量、安全性等方面的要素綜合評(píng)估,選擇合適的無(wú)線技術(shù),通常是無(wú)線SoC選型的第一步。
在可選的無(wú)線技術(shù)中,基于2.4GHz頻段的Wi-Fi、藍(lán)牙和Zigbee等短距互連技術(shù)目前是市場(chǎng)的主流,有分析顯示基于此類無(wú)線協(xié)議的連接數(shù)量占比在70%以上。這幾個(gè)無(wú)線技術(shù)屬于開放的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),市場(chǎng)滲透率高,生態(tài)比較完善,這都是先天的優(yōu)勢(shì);但是它們的覆蓋范圍通常不超過(guò)100米,而且也面臨著2.4GHz頻段日益擁擠的局面,在抗干擾和兼容性方面的挑戰(zhàn)必須認(rèn)真應(yīng)對(duì)。
由于無(wú)線傳輸距離與頻率成反比,因此如果應(yīng)用中需要更長(zhǎng)距離的互連,低于1GHz的Sub-GHz無(wú)線技術(shù)會(huì)更具優(yōu)勢(shì),且具有更強(qiáng)的穿墻能力;同時(shí)干擾源也不像2.4GHz頻段那么多,有利于提高系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的整體性能。在這個(gè)頻率范圍內(nèi),有許多可用的無(wú)需授權(quán)或需要授權(quán)的頻段可供選擇(如433MHz、868MHz和915MHz),在此基礎(chǔ)上也發(fā)展出了不少專用的無(wú)線通信協(xié)議,用戶可以充分利用這些資源,靈活快速地部署自己的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu),滿足定制化的應(yīng)用要求。
硬件平臺(tái)
在確定了所需的無(wú)線技術(shù)之后,下一步就要看無(wú)線SoC的硬件架構(gòu)。目前主流的無(wú)線SoC都會(huì)采用雙核架構(gòu),即一個(gè)Arm Cortex-M3/M4處理器內(nèi)核加上一個(gè)Cortex-M0/M0+內(nèi)核:前者作為主處理器其作用是運(yùn)行應(yīng)用軟件;而后者則用來(lái)處理無(wú)線協(xié)議,執(zhí)行射頻實(shí)時(shí)任務(wù),可以有效減輕主處理器的工作負(fù)荷。
這種“兩核分離”的架構(gòu)還有一個(gè)好處:SoC中的射頻系統(tǒng)實(shí)際上是被“打包”成了一個(gè)獨(dú)立的射頻單元,雙核中的Cortex-M0/M0+核一般不開放給用戶使用,對(duì)于開發(fā)者來(lái)說(shuō),整個(gè)系統(tǒng)就像是一個(gè)單核MCU,因此可以更專注于在Cortex-M3/M4主處理器上的應(yīng)用開發(fā),整個(gè)系統(tǒng)的開發(fā)工作也就得以簡(jiǎn)化了——而如果是單核架構(gòu)的無(wú)線SoC,則既需要處理應(yīng)用程序,又需要處理協(xié)議棧,設(shè)計(jì)流程更為復(fù)雜。所以,如果不是有特殊的要求,雙核架構(gòu)的無(wú)線SoC無(wú)疑是更好的選擇。
安全特性
在物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用中,“安全問(wèn)題具有一票否決權(quán)”已經(jīng)成為了大家的共識(shí),因此安全特性也一定是無(wú)線SoC設(shè)計(jì)中的必選項(xiàng)。
無(wú)線SoC的安全性可以從以下幾個(gè)方面來(lái)衡量,如:是否內(nèi)置了安全性功能模塊(如硬件加密加速器、真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器等);是否采用了具有安全性的CPU內(nèi)核(如支持Arm TrustZone的內(nèi)核);是否可以提供配套的軟件資源等。有的無(wú)線SoC還會(huì)專門配置一個(gè)安全協(xié)處理器去運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)安全相關(guān)協(xié)議,提供更強(qiáng)的安全性能支持。
更為重要的一點(diǎn)是,無(wú)線SoC廠商是否可以將上述這些安全機(jī)制,整合成一個(gè)完整的解決方案,滿足實(shí)際應(yīng)用中的安全策略所需,這樣就可以大大減少用戶在安全方面的資源投入。而且這樣的解決方案,如果能夠獲得行業(yè)權(quán)威的安全認(rèn)證,就更是能夠讓用戶吃下一?!岸ㄐ耐琛?。
低功耗
大多數(shù)的無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備都是功耗敏感型的,尤其像Sub-GHz這樣的應(yīng)用,覆蓋范圍廣,維護(hù)難度大,當(dāng)然需要更強(qiáng)的續(xù)航能力,更突出的低功耗特性。
應(yīng)對(duì)功耗挑戰(zhàn),無(wú)線SoC常用的策略有兩點(diǎn)。一是更精細(xì)的功耗分級(jí)管理,即芯片可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求來(lái)激活/關(guān)閉相應(yīng)的功能模塊,減少無(wú)謂的電能消耗;二是將主處理器的工作卸載到專門的協(xié)處理器和外設(shè)硬件上,盡可能減少主處理器這個(gè)能耗大戶的工作時(shí)間。當(dāng)然,采用更先進(jìn)的工藝、低功耗的處理器架構(gòu)等,也都是在優(yōu)化低功耗特性上可以發(fā)力的地方,進(jìn)而提升無(wú)線SoC整體的功耗表現(xiàn)。
外設(shè)功能
既然叫無(wú)線“SoC”,也就意味著除了核心的處理器內(nèi)核、存儲(chǔ)器等計(jì)算控制資源外,還會(huì)集成豐富的外圍功能模塊。這些外圍模塊中,重點(diǎn)要觀察的有模擬、電源管理、接口、時(shí)序管理等幾個(gè)方面,這些外設(shè)資源也是能夠體現(xiàn)出SoC產(chǎn)品差異化的地方,需要根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行細(xì)致地評(píng)估。比如,在對(duì)信號(hào)鏈處理有較高要求的應(yīng)用中(如傳感器系統(tǒng)),就要仔細(xì)查看模擬功能的規(guī)格;如果對(duì)數(shù)據(jù)交互和可擴(kuò)展性方面要求更多,則要重點(diǎn)觀察接口資源的配置。有經(jīng)驗(yàn)的無(wú)線SoC供應(yīng)商,通常會(huì)根據(jù)市場(chǎng)的需要和自己的經(jīng)驗(yàn),在這些外設(shè)資源和成本等要素之間做很好的平衡,定義出相應(yīng)的產(chǎn)品,獲得盡可能大的用戶價(jià)值。
上面說(shuō)了這么多,具體到實(shí)際工作中,應(yīng)該怎樣選擇一顆滿意的無(wú)線SoC?下面我們就通過(guò)一個(gè)實(shí)例進(jìn)行說(shuō)明。
Sub-GHz單芯片方案
Silicon Labs公司推出的EFR32FG23Flex Gecko SoC,是一款專為網(wǎng)絡(luò)化智能家居、安防、照明、樓宇自動(dòng)化和智能表計(jì)等應(yīng)用而設(shè)計(jì)的Sub-GHz單芯片方案,如果按照上文所述幾個(gè)無(wú)線SoC要素來(lái)衡量,EFR32FG23在各個(gè)方面的表現(xiàn)都是可圈可點(diǎn)的。
圖1:EFR32FG23 Flex Gecko無(wú)線SoC
(圖源:Silicon Labs)
從芯片架構(gòu)上看,EFR32FG23采用了主流的雙核架構(gòu):一顆Cortex-M0+內(nèi)核專司射頻子系統(tǒng)的工作;主控處理器則采用了一顆主頻達(dá)80MHz、帶有DSP指令和浮點(diǎn)單元的Cortex-M33內(nèi)核,可以滿足常規(guī)的物聯(lián)應(yīng)用設(shè)計(jì)需求。
圖2:EFR32FG23無(wú)線SoC系統(tǒng)框圖
(圖源:Silicon Labs)
從無(wú)線和射頻功能上看,基于Sub-GHz頻段的EFR32FG23的傳輸距離能夠覆蓋1英里以上的范圍。其經(jīng)過(guò)專門優(yōu)化的射頻功率放大器兼具高發(fā)射功率、低功耗、高接收靈敏度的特性。
在靈敏度方面,EFR32FG23的表現(xiàn)出眾,從表1中我們可以看到在不同工作條件下其靈敏度的數(shù)值,與市面上其他同類無(wú)線SoC相比優(yōu)勢(shì)非常明顯。這也意味著,EFR32FG23在各種應(yīng)用場(chǎng)景下,可以為用戶提供更穩(wěn)定可靠的的射頻功能。
表1:EFR32FG23接收器的靈敏度特性
(圖源:Silicon Labs)
EFR32FG23還可支持多種調(diào)制方案(如2/4 (G)FSK、OQPSK DSSS、(G)MSK、OOK等),以及多種Sub-GHz的無(wú)線協(xié)議,包括Amazon Sidewalk、mioty、無(wú)線M-Bus、Z-Wave和其他專有物聯(lián)網(wǎng)絡(luò),為開發(fā)者提供了一個(gè)靈活的、多協(xié)議的Sub-GHz解決方案。
從射頻系統(tǒng)的功耗表現(xiàn)來(lái)看,EFR32FG23的發(fā)射功率可高達(dá)+20dBm,而對(duì)應(yīng)的TX電流為85.5mA;在868MHz時(shí)10dBm功率下TX電流僅為13.2mA,RX電流僅為3.7mA。這也為無(wú)線SoC整體功耗的控制提供了保障。
表2:EFR32FG23射頻系統(tǒng)的低功耗特性
(圖源:Silicon Labs)
在器件整體的低功耗特性方面,除了前面提到的經(jīng)過(guò)優(yōu)化的低功耗射頻子系統(tǒng)之外,從圖2中可以看出,EFR32FG23支持的功率管理級(jí)別多達(dá)5級(jí)(E0至E4),這也就意味著可以實(shí)施更為精細(xì)的按需供電管理,使得該器件可以很好地滿足低功耗、長(zhǎng)距離無(wú)線連接應(yīng)用所需。以下是Silicon Labs提供的幾個(gè)功率級(jí)別下的典型功耗數(shù)值:
● EM0工作模式(39.0MHz):26μA/MHz
● EM2深度睡眠模式(64kB RAM保留并從LFXO運(yùn)行RTC):1.5μA
● EM2深度睡眠模式(16kB RAM保留并從LFRCO運(yùn)行RTC):1.2μA
此外,在外設(shè)方面,EFR32FG23提供的資源也極為豐富,從模擬、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器,到通信接口一應(yīng)俱全,還包括低功耗LCD控制器、鍵盤掃描儀 (KEYSCAN)、芯片溫度傳感器等很“貼心”的功能模塊,為應(yīng)用開發(fā)帶來(lái)了極大的便利性和可擴(kuò)展性。
EFR32FG23豐富的外設(shè)資源
● 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)
- 12位 @1Msps
- 16位 @76.9ksps
● 2× 模擬比較器 (ACMP)
● 2× 數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (VDAC)
● 低能耗傳感器接口 (LESENSE)
● 多達(dá)31個(gè)帶輸出狀態(tài)保持和異步中斷功能的通用I/O引腳
● 8通道DMA控制器
● 12通道周邊反射系統(tǒng) (PRS)
● 4個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器,帶3個(gè)比較/捕獲/PWM 通道
● 1個(gè)32 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器,帶3個(gè)比較/捕獲/PWM 通道
● 32位實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)器
● 用于波形生成的24位低能耗定時(shí)器
● 16位脈沖計(jì)數(shù)器(異步操作)(PCNT)
● 2× 看門狗定時(shí)器
● 3× 升級(jí)版通用同步/異步接收器/發(fā)射器 (EUSART)
● 1× 通用同步/異步接收器/發(fā)射器(UART/SPI/SmartCard(ISO7816)/IrDA/I2S)
● 2個(gè)支持SMBus的I2C接口
● 集成低功耗LCD控制器,支持多達(dá)80個(gè)分段
● 鍵盤掃描儀支持高達(dá)6x8矩陣 (KEYSCAN)
● 芯片溫度傳感器,在整個(gè)溫度范圍內(nèi)具有+TBD/-TBD°C 的精度
經(jīng)過(guò)PSA認(rèn)證的安全特性
在EFR32FG23諸多特性中,其出色的安全特性尤其讓人印象深刻。
從EFR32FG23的系統(tǒng)框圖中可以看到,其具有一系列安全特性,包括支持主流加密標(biāo)準(zhǔn)的硬件加密加速、真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器 (TRNG)、基于硬件信任根的安全啟動(dòng)、安全調(diào)試、物理篡改、安全認(rèn)證身份,以及物理不可克隆功能(PUF)密鑰管理技術(shù),盡可能地降低物聯(lián)網(wǎng)安全漏洞和知識(shí)產(chǎn)權(quán)受損的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí),EFR32FG23所采用的Cortex-M33內(nèi)核還支持Arm TrustZone安全特性,也是下一代安全敏感型MCU的標(biāo)配。
Silicon Labs將上述這些安全特性統(tǒng)合在一起,形成了一個(gè)完整的Secure Vault解決方案,并獲得了來(lái)自Arm的PSA認(rèn)證項(xiàng)目和ioXt 聯(lián)盟(ioXt Alliance)等第三方物聯(lián)網(wǎng)的安全認(rèn)證。不夸張地講,Secure Vault技術(shù)是當(dāng)今物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線SoC先進(jìn)硬件和軟件安全保護(hù)功能的集大成者,可以簡(jiǎn)化開發(fā)、加快產(chǎn)品上市時(shí)間并幫助設(shè)備制造商開發(fā)面向未來(lái)的產(chǎn)品。
圖3:Secure Vault技術(shù)獲得了Arm的PSA 3級(jí)認(rèn)證
(圖源:Silicon Labs)
Secure Vault的安全功能包括:
安全設(shè)備標(biāo)識(shí)
Silicon Labs的工廠信任部署服務(wù)帶有可選的安全編程服務(wù),可為每個(gè)單獨(dú)的硅芯片在IC制造期間提供類似于出生證明的安全設(shè)備標(biāo)識(shí)證書,從而支持部署后的安全性、真實(shí)性和基于證明的健康檢查。設(shè)備證書可確保芯片在其使用壽命內(nèi)的可靠性。
安全密鑰管理和存儲(chǔ)
設(shè)備和數(shù)據(jù)訪問(wèn)安全方案的有效性直接依賴于密鑰的保密性。使用Secure Vault,可以對(duì)密鑰進(jìn)行加密并將其與應(yīng)用程序代碼隔離。由于使用PUF生成的主加密密鑰對(duì)所有密鑰進(jìn)行加密,因此提供了幾乎無(wú)限制的安全密鑰存儲(chǔ)。每一個(gè)設(shè)備的開機(jī)簽名都是獨(dú)一無(wú)二的,并且主密鑰在開機(jī)階段創(chuàng)建,從而無(wú)需主密鑰存儲(chǔ),進(jìn)一步減少了攻擊途徑。
先進(jìn)的篡改檢測(cè)
此特性支持從易于實(shí)現(xiàn)的產(chǎn)品外殼防篡改功能到通過(guò)電壓、頻率和溫度操作對(duì)硅芯片進(jìn)行復(fù)雜的篡改檢測(cè)??膳渲玫拇鄹捻憫?yīng)功能使得開發(fā)人員可以設(shè)置適當(dāng)?shù)捻憫?yīng)動(dòng)作,包括中斷、復(fù)位或在極端情況下刪除密鑰。
可見,有了Secure Vault安全功能的加持,不僅能夠滿足現(xiàn)今物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的安全所需,也完全可以應(yīng)對(duì)未來(lái)的安全監(jiān)管措施和法規(guī)的要求,為Sub-GHz無(wú)線設(shè)備提供一道穩(wěn)固的安全防線。
設(shè)計(jì)生態(tài)已就緒
總結(jié)一下,作為Silicon Labs公司Series2平臺(tái)系列產(chǎn)品中的一員,EFR32FG23提供了遠(yuǎn)距離互連和低功耗的特性,以及豐富的外設(shè)功能,且通過(guò)了Arm PSA 3級(jí)安全認(rèn)證,可以說(shuō)是電池供電的高性能Sub-GHz無(wú)線解決方案的理想選擇。同時(shí),EFR32FG23在射頻方面支持多種調(diào)制方案和無(wú)線協(xié)議,為開發(fā)人員提供了靈活、多協(xié)議的Sub-GHz連接選擇,在全球范圍內(nèi)的市場(chǎng)適應(yīng)性和可擴(kuò)展性也很強(qiáng),是一款各方面綜合表現(xiàn)都很優(yōu)秀的無(wú)線SoC產(chǎn)品。
值得一提的是,得益于Series2平臺(tái)資源的支持,與EFR32FG23配套的設(shè)計(jì)生態(tài)也已經(jīng)就緒。比如在開發(fā)工具方面,目前就已經(jīng)有一系列的產(chǎn)品可以提供。比如下面這款FG23 868MHz至915MHz +14dBm開發(fā)套件,就是一款外形緊湊、功能豐富的開發(fā)平臺(tái),支持FG23的板載分段LCD控制器以及LESENSE和脈沖計(jì)數(shù)器等關(guān)鍵特性,能夠加速開發(fā)者的器件評(píng)估和原型開發(fā)進(jìn)程。
圖4:FG23 868MHz至915MHz +14dBm開發(fā)套件
(圖源:Silicon Labs)
圖5:FG23 868MHz至915MHz +14dBm開發(fā)套件系統(tǒng)框圖(圖源:Silicon Labs)
總之,EFR32FG23不僅是開發(fā)Sub-GHz長(zhǎng)距離、低功耗無(wú)線物聯(lián)應(yīng)用的理想選擇,從它身上你也能夠看到一顆優(yōu)秀無(wú)線SoC應(yīng)該具備的能力和實(shí)力。有了這樣的認(rèn)知,面對(duì)未來(lái)千億級(jí)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備市場(chǎng),想必你一定是信心滿滿了吧!
來(lái)源:貿(mào)澤電子
免責(zé)聲明:本文為轉(zhuǎn)載文章,轉(zhuǎn)載此文目的在于傳遞更多信息,版權(quán)歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權(quán)問(wèn)題,請(qǐng)聯(lián)系小編進(jìn)行處理。
推薦閱讀:
電氣化和智能化,會(huì)給汽車上的MEMS帶來(lái)什么變化?
有關(guān)eFuse電子保險(xiǎn)絲,你應(yīng)該了解的技術(shù)干貨,都在這里!
高性能降壓穩(wěn)壓器解決了電流環(huán)路中發(fā)送器電路的功耗問(wèn)題