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如何選擇適合自己的無線SoC產(chǎn)品

科技綠洲 ? 來源:貿(mào)澤電子 ? 作者:貿(mào)澤電子 ? 2022-04-14 14:36 ? 次閱讀

根據(jù)球移動通信系統(tǒng)協(xié)會(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)合增長率高達(dá)19%,2020年達(dá)到了126億臺;而到2025年,這個數(shù)字將攀升至246億。其他機構(gòu)的預(yù)測數(shù)據(jù)雖然有差異,但是大抵都在數(shù)百億級的水平,并大都認(rèn)為在未來十年內(nèi)這個進程將繼續(xù)加速,向千億量級的規(guī)模邁進。在這樣的大趨勢下,無線互連市場無疑將迎來一個持續(xù)的增長期。

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,加上分立的無線射頻通信器件。不過,按照半導(dǎo)體圈慣常的發(fā)展邏輯,當(dāng)這個市場足夠大的時候,人們就會想“為什么不將MCU和RF無線收發(fā)器集成在一起”,這樣一來,在一個單芯片上就可以既實現(xiàn)無線通信,又能夠跑應(yīng)用,無疑這在成本、體積等方面都會更劃算。無線SoC(有時也被稱作無線MCU),就是在這樣的背景下應(yīng)運而生了。

無線SoC選型要素

發(fā)展到今天,無線SoC雖然還無法完全替代雙芯片的架構(gòu),但已經(jīng)日趨成熟,市場應(yīng)用也越來越廣泛。但對開發(fā)者來講,隨之而來的一個挑戰(zhàn)就是:無線SoC產(chǎn)品越來越多,應(yīng)該如何選擇適合自己的那一款?考慮到無線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,選型時就不得不多花些心思。 無線協(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估,選擇合適的無線技術(shù),通常是無線SoC選型的第一步。

在可選的無線技術(shù)中,基于2.4GHz頻段的Wi-Fi、藍(lán)牙Zigbee等短距互連技術(shù)目前是市場的主流,有分析顯示基于此類無線協(xié)議的連接數(shù)量占比在70%以上。這幾個無線技術(shù)屬于開放的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),市場滲透率高,生態(tài)比較完善,這都是先天的優(yōu)勢;但是它們的覆蓋范圍通常不超過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。

由于無線傳輸距離與頻率成反比,因此如果應(yīng)用中需要更長距離的互連,低于1GHz的Sub-GHz無線技術(shù)會更具優(yōu)勢,且具有更強的穿墻能力;同時干擾源也不像2.4GHz頻段那么多,有利于提高系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的整體性能。在這個頻率范圍內(nèi),有許多可用的無需授權(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

在確定了所需的無線技術(shù)之后,下一步就要看無線SoC的硬件架構(gòu)。目前主流的無線SoC都會采用雙核架構(gòu),即一個Arm Cortex-M3/M4處理器內(nèi)核加上一個Cortex-M0/M0+內(nèi)核:前者作為主處理器其作用是運行應(yīng)用軟件;而后者則用來處理無線協(xié)議,執(zhí)行射頻實時任務(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)還有一個好處:SoC中的射頻系統(tǒng)實際上是被“打包”成了一個獨立的射頻單元,雙核中的Cortex-M0/M0+核一般不開放給用戶使用,對于開發(fā)者來說,整個系統(tǒng)就像是一個單核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),整個系統(tǒng)的開發(fā)工作也就得以簡化了——而如果是單核架構(gòu)的無線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)的無線SoC無疑是更好的選擇。

安全特性

在物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用中,“安全問題具有一票否決權(quán)”已經(jīng)成為了大家的共識,因此安全特性也一定是無線SoC設(shè)計中的必選項。

無線SoC的安全性可以從以下幾個方面來衡量,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。有的無線SoC還會專門配置一個安全協(xié)處理器去運行網(wǎng)絡(luò)安全相關(guān)協(xié)議,提供更強的安全性能支持。

更為重要的一點是,無線SoC廠商是否可以將上述這些安全機制,整合成一個完整的解決方案,滿足實際應(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耐琛薄?/p>

低功耗

大多數(shù)的無線物聯(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,維護難度大,當(dāng)然需要更強的續(xù)航能力,更突出的低功耗特性。

應(yīng)對功耗挑戰(zhàn),無線SoC常用的策略有兩點。一是更精細(xì)的功耗分級管理,即芯片可以根據(jù)實際應(yīng)用需求來激活/關(guān)閉相應(yīng)的功能模塊,減少無謂的電能消耗;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能耗大戶的工作時間。當(dāng)然,采用更先進的工藝、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,進而提升無線SoC整體的功耗表現(xiàn)。

外設(shè)功能

既然叫無線“SoC”,也就意味著除了核心的處理器內(nèi)核、存儲器等計算控制資源外,還會集成豐富的外圍功能模塊。這些外圍模塊中,重點要觀察的有模擬、電源管理、接口、時序管理等幾個方面,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)計要求進行細(xì)致地評估。比如,在對信號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;如果對數(shù)據(jù)交互和可擴展性方面要求更多,則要重點觀察接口資源的配置。有經(jīng)驗的無線SoC供應(yīng)商,通常會根據(jù)市場的需要和自己的經(jīng)驗,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值。

上面說了這么多,具體到實際工作中,應(yīng)該怎樣選擇一顆滿意的無線SoC?下面我們就通過一個實例進行說明。 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、樓宇自動化和智能表計等應(yīng)用而設(shè)計的Sub-GHz單芯片方案,如果按照上文所述幾個無線SoC要素來衡量,EFR32FG23在各個方面的表現(xiàn)都是可圈可點的。

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圖1:EFR32FG23 Flex Gecko無線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)計需求。

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圖2:EFR32FG23無線SoC系統(tǒng)框圖(圖源:Silicon Labs)

從無線和射頻功能上看,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線SoC相比優(yōu)勢非常明顯。這也意味著,EFR32FG23在各種應(yīng)用場景下,可以為用戶提供更穩(wěn)定可靠的射頻功能。

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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的無線協(xié)議,包括Amazon Sidewalk、mioty、無線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)來看,EFR32FG23的發(fā)射功率可高達(dá)+20dBm,而對應(yīng)的TX電流為85.5mA;在868MHz時10dBm功率下TX電流僅為13.2mA,RX電流僅為3.7mA。這也為無線SoC整體功耗的控制提供了保障。

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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支持的功率管理級別多達(dá)5級(E0至E4),這也就意味著可以實施更為精細(xì)的按需供電管理,使得該器件可以很好地滿足低功耗、長距離無線連接應(yīng)用所需。以下是Silicon Labs提供的幾個功率級別下的典型功耗數(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運行RTC):1.5μA

EM2深度睡眠模式(16kB RAM保留并從LFRCO運行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、定時器/計數(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)帶來了極大的便利性和可擴展性。

EFR32FG23豐富的外設(shè)資源

數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC

- 12位 @1Msps- 16位 @76.9ksps

2× 模擬比較器 (ACMP)

數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (VDAC

低能耗傳感器接口 (LESENSE)

多達(dá)31個帶輸出狀態(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16位定時器/計數(shù)器,帶3個比較/捕獲/PWM 通道

1個32 位定時器/計數(shù)器,帶3個比較/捕獲/PWM 通道

32位實時計數(shù)器

用于波形生成的24位低能耗定時器

16位脈沖計數(shù)器(異步操作)(PCNT)

看門狗定時器

3× 升級版通用同步/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個支持SMBus的I2C接口

集成低功耗LCD控制器,支持多達(dá)80個分段

鍵盤掃描儀支持高達(dá)6x8矩陣 (KEYSCAN)

芯片溫度傳感器,在整個溫度范圍內(nèi)具有+TBD/-TBD°C 的精度

經(jīng)過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、真隨機數(shù)發(fā)生器 (TRNG)、基于硬件信任根的安全啟動、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)安全漏洞和知識產(chǎn)權(quán)受損的風(fēng)險。同時,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,形成了一個完整的Secure Vault解決方案,并獲得了來自Arm的PSA認(rèn)證項目和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,SecureVault技術(shù)是當(dāng)今物聯(lián)網(wǎng)無線SoC先進硬件和軟件安全保護功能的集大成者,可以簡化開發(fā)、加快產(chǎn)品上市時間并幫助設(shè)備制造商開發(fā)面向未來的產(chǎn)品。

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圖3:Secure Vault技術(shù)獲得了Arm的PSA 3級認(rèn)證(圖源:Silicon Labs)

Secure Vault的安全功能包括:

安全設(shè)備標(biāo)識

Silicon Labs的工廠信任部署服務(wù)帶有可選的安全編程服務(wù),可為每個單獨的硅芯片在IC制造期間提供類似于出生證明的安全設(shè)備標(biāo)識證書,從而支持部署后的安全性、真實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

設(shè)備和數(shù)據(jù)訪問安全方案的有效性直接依賴于密鑰的保密性。使用Secure Vault,可以對密鑰進行加密并將其與應(yīng)用程序代碼隔離。由于使用PUF生成的主加密密鑰對所有密鑰進行加密,因此提供了幾乎無限制的安全密鑰存儲。每一個設(shè)備的開機簽名都是獨一無二的,并且主密鑰在開機階段創(chuàng)建,從而無需主密鑰存儲,進一步減少了攻擊途徑。

先進的篡改檢測

此特性支持從易于實現(xiàn)的產(chǎn)品外殼防篡改功能到通過電壓、頻率和溫度操作對硅芯片進行復(fù)雜的篡改檢測??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)對未來的安全監(jiān)管措施和法規(guī)的要求,為Sub-GHz無線設(shè)備提供一道穩(wěn)固的安全防線。

設(shè)計生態(tài)已就緒

總結(jié)一下,作為Silicon Labs公司Series2平臺系列產(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,且通過了Arm PSA 3級安全認(rèn)證,可以說是電池供電的高性能Sub-GHz無線解決方案的理想選擇。同時,EFR32FG23在射頻方面支持多種調(diào)制方案和無線協(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)的市場適應(yīng)性和可擴展性也很強,是一款各方面綜合表現(xiàn)都很優(yōu)秀的無線SoC產(chǎn)品。

值得一提的是,得益于Series2平臺資源的支持,與EFR32FG23配套的設(shè)計生態(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,支持FG23的板載分段LCD控制器以及LESENSE和脈沖計數(shù)器等關(guān)鍵特性,能夠加速開發(fā)者的器件評估和原型開發(fā)進程。

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圖4:FG23 868MHz至915MHz +14dBm開發(fā)套件(圖源:Silicon Labs)

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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長距離、低功耗無線物聯(lián)應(yīng)用的理想選擇,從它身上你也能夠看到一顆優(yōu)秀無線SoC應(yīng)該具備的能力和實力。有了這樣的認(rèn)知,面對未來千億級的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備市場,想必你一定是信心滿滿了吧!

審核編輯:彭菁
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