為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)指定Wi-Fi MCU時需要了解什么

隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 的發(fā)展，趨勢是在單個片上系統(tǒng) (SoC) 中執(zhí)行更多功能，而不是在多個分立器件中執(zhí)行，因為結(jié)果是更小的材料清單、更低的設(shè)計風(fēng)險和更小的占地面積，以及其他好處。一個很好的例子是 Wi-Fi 微控制器 (MCU)，它將 Wi-Fi 連接與處理器和滿足各種應(yīng)用需求所需的 GPIO 集成在一起。在指定 Wi-Fi MCU 時需要考慮多個因素，并且要做出謹(jǐn)慎的選擇，了解它們很重要。

當(dāng)今市場上存在低成本的 Wi-Fi 連接選項，但它們通常會犧牲外圍設(shè)備的數(shù)量和整體性能。這意味著選擇最佳 Wi-Fi MCU 具有挑戰(zhàn)性和風(fēng)險，因為支持 Wi-Fi 的 MCU 不僅必須具有強(qiáng)大的 Wi-Fi 連接性，還必須具有高性能 MCU 功能。缺少其中一個或兩個都將導(dǎo)致設(shè)計項目的延遲甚至失敗。

作為系統(tǒng)的核心，MCU 是 Wi-Fi 設(shè)備中最關(guān)鍵的部分，因此有必要在項目開始時檢查其性能。以后更改設(shè)備通常需要重新設(shè)計所有軟件和隨附電路的配置。

不要忘記 ADC

在指定 Wi-Fi MCU 時，模數(shù)轉(zhuǎn)換是最容易被忽視的功能之一，盡管它是模擬輸入之后信號鏈中的第一個處理組件。這意味著其性能會影響整個系統(tǒng)，因此了解模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 的關(guān)鍵指標(biāo)以及 Wi-Fi MCU 制造商應(yīng)如何解決這些問題非常重要。

設(shè)計人員首先關(guān)注的規(guī)范之一是 ADC 的位數(shù)。這可能會令人困惑，因為在實踐中實際位數(shù)會低于數(shù)據(jù)表規(guī)范，有時甚至?xí)蠓档汀８匾氖?ADC 可用于執(zhí)行轉(zhuǎn)換的有效位數(shù) (ENOB)。這總是低于數(shù)據(jù)表規(guī)范，但 ENOB 和數(shù)據(jù)表規(guī)范越接近匹配非常重要，因為這在 ADC 之間差異很大。可用于執(zhí)行轉(zhuǎn)換的位越少，SoC 表示輸入信號的精度就越低。

此外，與所有電子設(shè)備一樣，ADC 對信號“貢獻(xiàn)”了一些對其能力產(chǎn)生負(fù)面影響的因素，包括量化和時序等誤差，以及偏移、增益和線性度的變化。ADC 還因其對許多 IIoT 操作環(huán)境中常見的寬溫度波動敏感而臭名昭著（見圖 1a 和 1b）。Wi-Fi MCU 制造商可以緩解這種情況，因此與制造商聯(lián)系以確定設(shè)備的 ENOB、隨溫度變化的性能、線性度和精度非常重要。如果無法提供此信息，請繼續(xù)該項目的下一個候選人。

圖 1a 和 1b：低級 ADC 精度和線性度較差，對環(huán)境和溫度敏感。（圖片：微芯片技術(shù)）

外圍支持

所有 Wi-Fi MCU 都至少支持一些接口標(biāo)準(zhǔn)，因此很容易假設(shè)它們就足夠了。當(dāng)工程師試圖在另一個設(shè)計中使用相同的 Wi-Fi MCU 時，他們常常會后悔這種假設(shè)。這在構(gòu)建或修改 IIoT 系統(tǒng)時越來越普遍，因為大多數(shù)生產(chǎn)設(shè)施都擁有由不同制造商在不同時間制造的各種機(jī)器和控制器。

隨著系統(tǒng)的發(fā)展，它可能會添加更多接口，并且可能會需要支持觸摸感應(yīng)和 LCD 支持等功能。如果 SoC 有備用的 GPIO，則可以控制更多的繼電器、開關(guān)和其他組件，而很少或沒有引腳共享。因此，設(shè)備支持的接口應(yīng)包括以太網(wǎng) MAC、USB、CAN、CAN-FD、SPI、I 2 C、SQI、UART 和 JTAG（以及潛在的觸摸發(fā)送和顯示支持），以確保幾乎可以適應(yīng)所有場景現(xiàn)在和可預(yù)見的將來。

安全從內(nèi)部開始

安全性對于每個 IoT 應(yīng)用程序都至關(guān)重要，但工業(yè)場景是關(guān)鍵任務(wù)。一旦威脅進(jìn)入 IIoT 網(wǎng)絡(luò)，它就可以穿過整個設(shè)施，甚至可能是整個公司。所需的第一級安全性在 MCU 的集成加密引擎中，其中加密和身份驗證可以按順序或并行執(zhí)行。密碼應(yīng)包括密鑰大小高達(dá) 256 位的 AES 加密、DES 和三重 DES，并且身份驗證應(yīng)包括 SHA-1、SHA-256 和 MD-5。

對于設(shè)計師來說，最具挑戰(zhàn)性的任務(wù)之一是為云服務(wù)配置他們的產(chǎn)品。每個云服務(wù)提供商都有自己的證書和密鑰，因此配置設(shè)備變得復(fù)雜，需要大量的加密知識。

幸運(yùn)的是，包括 Microchip Technology 在內(nèi)的一些制造商使這個過程變得簡單，節(jié)省了大量的時間和金錢。需要注意的是，大多數(shù) Wi-Fi MCU 將憑據(jù)存儲在閃存中，數(shù)據(jù)可訪問且容易受到軟件和物理攻擊。通過將此信息存儲在硬編碼的安全元素中可以實現(xiàn)最高的安全性，因為無法從任何外部軟件讀取內(nèi)部數(shù)據(jù)。例如，Microchip 的 Wi-Fi MCU（如WFI32（見圖 2））在公司的 Trust&GO 平臺中采用這種方法，以安全地配置其 MCU，以連接到 AWS IoT、Google Cloud、Microsoft Azure 和第三方 TLS 網(wǎng)絡(luò)。

這種方法所帶來的時間減少和混亂怎么強(qiáng)調(diào)都不為過?？梢詮脑O(shè)計過程中縮短數(shù)周或更長時間，同時確保所有安全和供應(yīng)要求都通過經(jīng)過驗證和可驗證的方法得到滿足。

圖 2：WFI32 Wi-Fi 模塊通過將憑證存儲在硬件中來隔離憑證，使其幾乎不受黑客攻擊。（圖片：微芯片技術(shù)）

預(yù)配置、預(yù)配置或自定義安全元素存儲設(shè)備制造時在硬件安全模塊 (HSM) 內(nèi)生成的憑據(jù)，從而在生產(chǎn)期間和之后將其隔離開來。Trust&Go 平臺只需要一個廉價的 Microchip 開發(fā)套件，設(shè)計人員在其中使用教程和代碼示例在包含的設(shè)計套件中工作，以創(chuàng)建所需的清單文件。一旦安全元件的 C 代碼在應(yīng)用程序中工作，就可以將設(shè)計發(fā)送到生產(chǎn)。

另一種所需的安全形式是 Wi-Fi 聯(lián)盟認(rèn)證的最新 Wi-Fi 安全。最新版本是 WPA3，它建立在其前身 WPA2 的基礎(chǔ)上，但增加了簡化 Wi-Fi 安全性的功能。它還支持更強(qiáng)大的身份驗證，提供更高的加密強(qiáng)度，并保持網(wǎng)絡(luò)彈性。

所有新設(shè)備都必須通過 WPA3 認(rèn)證才能使用 Wi-Fi 聯(lián)盟徽標(biāo)，因此每個 Wi-Fi 芯片和 Wi-Fi MCU 都應(yīng)通過認(rèn)證以獲得最大的安全性。不過，請檢查以確保 Wi-Fi MCU 已通過 WPA3 認(rèn)證。

確?；ゲ僮餍?/p>

由于 RF、軟件和其他因素的不匹配，Wi-Fi MCU 總是可能無法與市場上的某些接入點(diǎn)通信。未能連接到流行的接入點(diǎn)可能會損害公司的聲譽(yù)。雖然無法保證 Wi-Fi MCU 可以與地球上的每個接入點(diǎn) (AP) 一起工作，但可以通過確保 Wi-Fi MCU 已通過與市場上最流行的 AP 的互操作性測試來最大限度地減少問題. 此信息可在制造商的網(wǎng)站上找到。如果沒有現(xiàn)成的，請致電制造商并索取，如果失敗，請選擇其他供應(yīng)商。

你需要幫助

最后但同樣重要的是需要設(shè)計支持。如果沒有全面的集成開發(fā)環(huán)境 (IDE) 平臺，設(shè)計人員只能從 Web 上拼湊可能有用、簡單或可靠的資源。例如，一些 Wi-Fi MCU 制造商提供了有關(guān)產(chǎn)品的基本詳細(xì)信息和原型設(shè)計說明，但僅止于此，而不是包含將設(shè)計投入生產(chǎn)所需的信息。

制造商應(yīng)提供一個全面的 IDE（見圖 3），其中包括 Wi-Fi MCU 執(zhí)行的每個模擬和數(shù)字功能以及在特定應(yīng)用中實現(xiàn)所需的所有外部組件。IDE 平臺還需要提供一種方法，以可視化設(shè)計更改如何反映在整體性能中，并能夠評估設(shè)計的 RF 性能以及法規(guī)遵從性。一些基本工具是免費(fèi)的，而另一些則以適中的價格提供，包括為制造商的 Wi-Fi MCU 系列服務(wù)而設(shè)計的評估板。

圖 3：集成開發(fā)通過為設(shè)計人員提供從原型階段到成品的調(diào)試和其他工具來降低風(fēng)險。（圖片：微芯片技術(shù)）

概括

物聯(lián)網(wǎng)的趨勢是將更多的處理能力轉(zhuǎn)移到網(wǎng)絡(luò)邊緣，而不僅僅是基于云的數(shù)據(jù)中心。為此，需要在最少的空間和組件中集成盡可能多的功能。Wi-Fi MCU 是眾多 SoC 中的一種，它們通過在單個設(shè)備中集成多個功能而不是在特定功能的分立組件中實現(xiàn)這一目標(biāo)。

假設(shè) Wi-Fi MCU 制造商提供足夠的資源，將這些設(shè)備集成到嵌入式 IoT 子系統(tǒng)中可能相對簡單。這包括高級別的安全性、一種直接的配置方式來滿足云服務(wù)提供商的需求，以及一個全面的 IDE，可以將設(shè)計人員從原型階段引導(dǎo)到生產(chǎn)階段。

審核編輯：湯梓紅