用于智能家電/工控應(yīng)用的無線MCU—中穎SH87F8962介紹

前言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)帶來的變革性影響逐步深入，智能家居、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等下游應(yīng)用領(lǐng)域的市場(chǎng)需求將面臨爆發(fā)式增長(zhǎng)，市場(chǎng)規(guī)模快速擴(kuò)大。根據(jù)IDC的調(diào)研，智能家居的出貨量可能會(huì)從2021年的8.95億上升到2026年的14.4億

因用戶規(guī)模以及生活水平的提升，我國(guó)成全球主要智能家居市場(chǎng)之一。2022年中國(guó)智能家居出貨量2.6億臺(tái)，到2026年出貨量達(dá)到5.25億臺(tái)。其中智能家電出貨量將從2022年的1億臺(tái)成長(zhǎng)到2026年的2億臺(tái)。

中穎電子自2002年開始進(jìn)入家電MCU市場(chǎng)，與國(guó)內(nèi)主要頭部家電廠商建立了長(zhǎng)期的合作伙伴。經(jīng)過二十年的長(zhǎng)期耕耘，目前已成為國(guó)產(chǎn)家電MCU龍頭廠商，市場(chǎng)占有率保持領(lǐng)先，在小家電、白色家電的多個(gè)細(xì)分領(lǐng)域有著齊全的MCU產(chǎn)品線。

隨著家電的智能化發(fā)展，對(duì)MCU的性能和資源要求不斷提高，同時(shí)Wi-Fi/BLE聯(lián)網(wǎng)也逐漸成為智能家電產(chǎn)品的標(biāo)配功能。中穎電子在2020年正式推出了一系列基于ARM M3/M0+系列應(yīng)用于家電領(lǐng)域的32bit MCU產(chǎn)品之后，因應(yīng)其I-IoT（工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)）戰(zhàn)略，即將于2022年底正式推出集成Wi-Fi/BLE無線聯(lián)網(wǎng)功能的MCU，這也將是業(yè)界第一顆專門針對(duì)家電應(yīng)用打造的的Wi-Fi MCU產(chǎn)品。接下來，本文將重點(diǎn)介紹這顆型號(hào)為SH87F8962的無線MCU產(chǎn)品。

SH87F8962相比其他傳統(tǒng)MCU產(chǎn)品主要有如下特點(diǎn)：

一、增加了Wi-Fi/BLE無線通信連接功能，可直接滿足家電智能化聯(lián)網(wǎng)需求

二、采用雙核架構(gòu)，分別用于控制和通信，兼顧穩(wěn)定性、高性能、低功耗和易用性

三、繼承中穎工業(yè)級(jí)MCU的優(yōu)秀品質(zhì)，在抗EMC干擾、工作溫度等各方面滿足復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境應(yīng)用

四、集成了LCD/LED顯示、觸摸、PWM、ADC等豐富的外設(shè)資源，尤其適合家電類應(yīng)用

五、采用SiP系統(tǒng)級(jí)先進(jìn)封裝工藝，集成了射頻相關(guān)的外部元器件，體積極小，同時(shí)保證無線性能一致性，有效降低客戶端綜合生產(chǎn)成本

支持Wi-Fi/BLE雙無線協(xié)議的無線通信功能

我們知道，現(xiàn)在家庭的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施當(dāng)中Wi-Fi是最普及的，因此智能家電實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信控制的方式基本上都是采用Wi-Fi連接無線路由器的方式?？紤]到不同家電在家中拜訪的位置不一樣，要保證Wi-Fi通信的可靠性和穩(wěn)定性，對(duì)無線收發(fā)的性能有一定要求。此外，對(duì)于用戶使用而言，家電設(shè)備的Wi-Fi配網(wǎng)過程在過去是一個(gè)比較復(fù)雜而繁瑣的過程，這是由于家電設(shè)備往往不像手機(jī)這樣有著方便的顯示和輸入的人機(jī)交互方式。因此現(xiàn)在最新的智能家電都加入了BLE（低功耗藍(lán)牙）的連接方式，通過手機(jī)APP來實(shí)現(xiàn)一鍵配網(wǎng)，方便且不易出錯(cuò)，極大的改善了用戶體驗(yàn)。

基于上述考量，SH87F8962增加的無線通信功能模塊同時(shí)支持Wi-Fi和BLE兩種無線通信協(xié)議。其中無線射頻模塊工作在2.4G頻段下，是Wi-Fi和藍(lán)牙都能工作的ISM頻帶，不僅僅是節(jié)省芯片面積，更主要的是Wi-Fi在2.4G頻段相比5G頻段具有更好的穿墻能力，確保設(shè)備連接的穩(wěn)定性。

SH87F8962的Wi-Fi部分集成了符合單流IEEE 802.11b/g/n標(biāo)準(zhǔn)的PHY、MAC和Baseband，支持HT20和H40兩種帶寬模式，最高可支持到150Mbps，足以滿足智能家電的遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)傳輸需求。SH87F8962在Wi-Fi模式下發(fā)射鏈路的最大發(fā)射功率達(dá)到20dBm，接受鏈路的接受靈敏度則達(dá)到-98dBm，整體鏈路預(yù)算達(dá)到108dBm，有效的保證了家庭環(huán)境下的無線覆蓋能力。

SH87F896的BLE部分則是集成了完全符合低功耗藍(lán)牙5.1標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的PHY、Linklayer以及協(xié)議棧。支持藍(lán)牙2Mbps通信速率，Long range長(zhǎng)距離模式，AOA/AOD定位、以及藍(lán)牙SIG Mesh通信協(xié)議。除了可用于Wi-Fi配網(wǎng)，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)手機(jī)控制，還可以拓展到Mesh組網(wǎng)乃至室內(nèi)定位等更復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)景。

穩(wěn)定靈活的雙核架構(gòu)

目前市面上的Wi-Fi MCU產(chǎn)品基本上都是單核架構(gòu)，在實(shí)現(xiàn)Wi-Fi或BLE通信時(shí)，芯片內(nèi)核必須兼顧處理用戶應(yīng)用以及無線射頻部分，而這兩個(gè)部分物理上對(duì)資源的要求不同，且因?yàn)樾枰謺r(shí)處理會(huì)使得任務(wù)處理時(shí)間長(zhǎng)并增加功耗。同時(shí)對(duì)開發(fā)者來說，開發(fā)時(shí)間和工作量也會(huì)增加。因此，目前在具體應(yīng)用當(dāng)中，往往還是采用專用的無線芯片搭配MCU芯片的方式。

SH87F8962采用了雙核架構(gòu)，將應(yīng)用處理與無線射頻處理分開，分別是32bit ARM M3內(nèi)核的主MCU系統(tǒng)和ARM M-Star內(nèi)核的無線子系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)上，主MCU系統(tǒng)和無線子系統(tǒng)的Flash和RAM資源是各自獨(dú)立的，這樣的設(shè)計(jì)具備上面提到的無線芯片搭配MCU芯片的兩顆芯片方案的靈活性優(yōu)點(diǎn)：

a.首先是有效保證了兩個(gè)內(nèi)核可以并行同時(shí)工作，效率大幅提高，雙核調(diào)度協(xié)調(diào)的復(fù)雜度降低。主MCU可以專門處理用戶應(yīng)用相關(guān)的功能處理，而無線子系統(tǒng)則專門負(fù)責(zé)與連接相關(guān)的處理，彼此之間只需要少量的通信和協(xié)調(diào)控制。

b.其次是整體穩(wěn)定性更有保證。當(dāng)無線射頻部分因?yàn)橐馔庠驅(qū)е峦ㄐ攀茏杌虺鲥e(cuò)時(shí)可以通過主MCU進(jìn)行恢復(fù)，容錯(cuò)能力更強(qiáng)，而主MCU的正常用戶應(yīng)用不會(huì)受到任何影響。

c.網(wǎng)絡(luò)安全性好。MCU主系統(tǒng)具有Flash硬件加密機(jī)制，確保固件的安全性，而無線子系統(tǒng)具有專門的硬件加密引擎，支持各種主流加密算法，確保網(wǎng)絡(luò)通信的安全性。且由于兩個(gè)系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立，可有效防護(hù)通過網(wǎng)絡(luò)對(duì)主MCU系統(tǒng)的攻擊。

d.功耗控制更加靈活。主MCU和無線子系統(tǒng)各司其職的同時(shí)，也可以各自休眠，尤其是Wi-Fi這種射頻電流較大的模塊，在休眠狀態(tài)下可以極大的降低整機(jī)功耗。

e.開發(fā)自由度更高?？蛻艨梢苑謩e安排專門負(fù)責(zé)應(yīng)用開發(fā)和無線通信開發(fā)的工程師，同時(shí)進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)和無線通信功能的設(shè)計(jì)，并行開發(fā)和調(diào)試的效率也明顯提高。

此外，SH87F8962作為雙核單顆芯片產(chǎn)品，成本相比雙芯片方案不僅在整個(gè)系統(tǒng)成本上更低，在客戶供應(yīng)鏈管理方面也更加方便。

高性能、高可靠性

SH87F8962的兩個(gè)內(nèi)核都采用了高性能32bit ARM內(nèi)核。

其中主MCU內(nèi)核為ARM M3，支持72MHz最高主頻，由于采用特殊結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)器指令加速模式，可使系統(tǒng)獲得近乎零等待周期的高運(yùn)行效率,能夠同時(shí)進(jìn)行更加復(fù)雜的人機(jī)交互處理如顯示、觸摸等任務(wù)。高效的指令執(zhí)行效率以及完備的生態(tài)系統(tǒng)，支持家電應(yīng)用從傳統(tǒng)控制系統(tǒng)向網(wǎng)絡(luò)式智能化控制系統(tǒng)邁進(jìn)。

無線子系統(tǒng)則是采用了ARM Star內(nèi)核，這是ARM中國(guó)推出的基于ARM V8-M指令集的新一代處理器內(nèi)核，相比ARM M3的V7-M指令集架構(gòu)在性能上提高20%。此外ARM Star內(nèi)核還包含了DSP單元，相比ARM M3的預(yù)算性能提高10倍。因此SH87F8962的無線子系統(tǒng)采用ARM Star內(nèi)核，且主頻高達(dá)160MHz，保證了Wi-Fi/BLE通信的穩(wěn)定高效，同時(shí)可以支持各種復(fù)雜的安全加密算法，有效保證了網(wǎng)絡(luò)安全。此外，隨著家電智能化的發(fā)展，AI處理需求越來越多，也能通過無線子系統(tǒng)這顆強(qiáng)大的CPU內(nèi)核進(jìn)行處理。

除了性能方面較中穎過往8bit MCU產(chǎn)品系列有著巨大的提升，SH87F8962一如既往的繼承了中穎MCU堅(jiān)如磐石的品質(zhì)和可靠性，特別適用于對(duì)環(huán)境復(fù)雜度較高的家電/工控應(yīng)用。其設(shè)計(jì)的工作溫度為-40°C~105°C，完全滿足工業(yè)級(jí)應(yīng)用的溫度范圍。2.0~5.5V的寬工作電壓范圍，可以很好的滿足家電應(yīng)用乃至各類工業(yè)應(yīng)用。在EMC抗干擾方面，無論是ESD還是EFT都可以達(dá)到Class 3A的級(jí)別。在新增的無線連接功能部分，經(jīng)過了大量復(fù)雜環(huán)境下的連接可靠性測(cè)試，以確保在各種干擾環(huán)境下都能提供穩(wěn)定可靠的通信功能。

大資源、豐富的外設(shè)模塊

如同中穎其他MCU系列，SH87F8962集成了豐富的外設(shè)模塊和片上資源，以及成熟的工具鏈和開發(fā)環(huán)境。

SH87F8962的主MCU系統(tǒng)CPU主頻為72MHz，F(xiàn)lash ROM有256K，RAM為32K，豐富的外設(shè)資源包括1個(gè)8通道DMA控制器、24通道的12bit ADC、24通道的觸摸按鍵、12x16支持256級(jí)調(diào)光的LED驅(qū)動(dòng)器、8x36的LCD驅(qū)動(dòng)器、8個(gè)PCA、4個(gè)PWM定時(shí)器、的4個(gè)16bit通用定時(shí)器（可級(jí)聯(lián)成2個(gè)32bit定時(shí)器）、1個(gè)24bit基本定時(shí)器，以及6個(gè)UART、2個(gè)SPI、2個(gè)I2C通信接口。

SH87F8962的獨(dú)立無線子系統(tǒng)除了提供WiFi和BLE無線通信接口，CPU主頻160MHz，片上Flash有4MB，RAM為352K，QSPI接口可擴(kuò)展外部Flash達(dá)到256M，以及支持AES、HASH、ECC、ECDH等各種主流加密算法的硬件加密引擎。

為了方便客戶開發(fā)，中穎為SH87F8962同樣提供了完整的開發(fā)資料，包括數(shù)據(jù)手冊(cè)、Keil開發(fā)插件、Sinolink調(diào)試工具、參考代碼等，針對(duì)無線子系統(tǒng)則包括專門的軟件SDK、FreeRTOS等，方便客戶快速上手。

高集成度、低成本

除了上述提到的SH87F8962的的眾多價(jià)值，還有一個(gè)客戶非常關(guān)心的重點(diǎn)是成本。成本也不僅僅是指芯片成本，還包括BOM、生產(chǎn)、測(cè)試等方面的成本。SH87F8962本身設(shè)計(jì)的集成度比較高，除了前述的單芯片雙核架構(gòu)，集成豐富外設(shè)之外，在無線子系統(tǒng)部分較傳統(tǒng)無線芯片集成度更高。

SH87F8962的無線子系統(tǒng)不僅把巴倫（Balun）內(nèi)置，省掉了外部巴倫，最關(guān)鍵的是采用先進(jìn)的SiP系統(tǒng)級(jí)封裝工藝，將其他射頻相關(guān)的器件如晶振、電感、電容、電阻等全部集成到芯片內(nèi)部，芯片的尺寸只有9mm x 9mm，真正做到與傳統(tǒng)MCU幾乎一樣精簡(jiǎn)的外部器件。由于采用先進(jìn)封裝工藝，器件物料品質(zhì)管理更加嚴(yán)格，并且在芯片出廠時(shí)經(jīng)過了完整的測(cè)試，包括射頻性能測(cè)試，產(chǎn)品無線性能的一致性得到保證，有效降低客戶端的測(cè)試成本。應(yīng)用上最少可以做到兩層板，加上芯片的尺寸小，且沒有額外的外部元器件，這也大大的降低了所需的PCB成本。并且由于PCB可以做得更小，在小型化應(yīng)用有著明顯的優(yōu)勢(shì)，可以提供客戶在產(chǎn)品ID方面更大的創(chuàng)意發(fā)揮空間，提供給消費(fèi)者更有吸引力的產(chǎn)品。

結(jié)束語

隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，MCU在IoT應(yīng)用場(chǎng)景越來越多，無線MCU則是MCU未來發(fā)展的一個(gè)重點(diǎn)方向。品質(zhì)與可靠性是中穎MCU始終追求的目標(biāo)，因此中穎的無線產(chǎn)品長(zhǎng)期定位是I-IoT（工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)），而與工業(yè)應(yīng)用最接近的其實(shí)是家電應(yīng)用。家電始終都是中穎MCU重點(diǎn)耕耘的領(lǐng)域，每年都會(huì)保持高比例的研發(fā)投入和推出新的MCU產(chǎn)品。家電智能化趨勢(shì)已經(jīng)形成，因此中穎在I-IoT MCU產(chǎn)品線上的第一顆產(chǎn)品就是針對(duì)智能家電應(yīng)用推出的SH87F8962。并且隨著拓展的更多細(xì)分家電應(yīng)用，中穎還會(huì)推出更多的無線集成的MCU。持續(xù)保持中穎MCU在家電領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)，給客戶提供綜合成本更優(yōu)、性能和品質(zhì)更好的無線MCU產(chǎn)品系列，同時(shí)提供一如既往成熟的開發(fā)環(huán)境和良好服務(wù)。

審核編輯：劉清