物联网硬件开发，无线SoC该如何选？
发布时间：2024-3-29 14:56
发布者：eechina
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来源：贸泽电子 物联网生态系统 如果说互联网改变了我们的工作和交流方式，那么，物联网则通过一次将多个设备连接到互联网，实现了人与机器和机器与机器的交互。如今，物联网生态系统不仅在特定领域，在家庭自动化、车辆自动化、工厂自动化、医疗、零售、医疗保健等领域都有着广泛的商业应用。 这种看起来无所不在的物联网主要由四个组件构成，包括：传感器/设备、连接、数据处理和用户界面，涉及多个技术领域。今天，我们重点讨论在物联网中担当智能设备连接任务的射频技术。 为什么选择无线SoC进行物联网硬件开发？ 物联网是由多种技术实现的，射频技术是必不可少的重要组件之一，比如可穿戴设备使用射频模块与智能手机和其他智能设备进行连接和通信；智能家居设备中使用Wi-Fi或蓝牙将设备连接至互联网；RFID技术在工业、供应链管理、智慧农业和许多其他应用中是快速连接的首选；无线收发器与温度、湿度和火灾传感器的集成模块，更是工业物联网应用中必不可少的组件。 在物联网开发过程中，设计人员常常为了寻找价格合理、高性能和高功能的RF器件而犯难。为了实现这一点，SoC方案与其他集成度较低的选项相比具有显著优势。 例如，多芯片方案对应的材料清单可能需要广泛的供应商采购，制造成本或将高于SoC；为了确保所有组件都能准确无误地一起工作，多芯片方案在研发阶段将需要更多的调测时间，可能拉长产品进入市场所需的时间。 而基于SoC的方案从构思到设计、到完成制造要简单得多，不仅缩短了产品的上市时间，低功耗特性对于电池供电的物联网设备更是有极大的助力。 如何选择用于物联网的无线SoC？ 将无线设备添加到物联网设备中，大大增加了设备的复杂性。通常，物联网设备需使用各种无线协议，包括Wi-Fi、BLE、Zigbee、Thread、Z-Wave和蜂窝。特定设备的无线通信协议的选择取决于应用、尺寸、成本、功率和其他几个因素。 蓝牙低功耗（BLE）是一种用于家庭温度传感器的协议，功耗低，价格便宜，在典型的家庭环境中提供了必要的覆盖范围；NFC适合类似于非接触式支付的应用，它具有极小的范围和极低的吞吐量；对于包括安全摄像头在内的许多应用而言，Wi-Fi提供了所需的更高的数据吞吐量。很多情况下，我们需要的是一个能够支持多个无线协议的RF组件。 那么，我们又将如何解决一台物联网设备必须支持多个协议这样的需求呢？半导体厂商给出的答案是：无线SoC。因为无线SoC有三大优势： · 尺寸更小 在物理上尺寸更小，集成更多的外设使得设备的总成本更低，非常有利于产品设计师设计出外形小巧、更具创新性的产品，这些优势几乎适用于所有物联网终端应用。 · 多协议集成 无线SoC为物联网开发人员提供了一个多协议集成方案，通过在内部处理同一ISM频带上的多个协议之间的共存问题来简化设计。 · 管理简单 无线SoC消除了对多个设备RF设计的管理问题。 在为物联网设备选择无线SoC时，有许多重要的考虑因素。毫无疑问，对于物联网应用，功耗一定是选择无线SoC的非常重要因素之一。若想找到一个与应用非常贴合的无线SoC，除了功耗，下面这些因素也必须考虑，包括无线协议、性能、价格、尺寸、工具支持和易于集成等。 其中，应用和性能要求是决策的关键。比如，对于家庭温度传感等应用，BLE就是一种非常适用的协议，它功耗低，成本也比其他一些协议低，覆盖范围完全满足典型的家庭环境需求。 NFC的吞吐量不大，数据传输距离较短，但对非接触式支付等应用它就是合适的选择。Wi-Fi是一种基于802.11 b/g/n 标准的无线局域网（LAN）协议，从用户的角度来看，Wi-Fi是通过手机、平板电脑或笔记本电脑等具有无线功能的设备接入互联网。大多数现代设备都支持Wi-Fi，使得Wi-Fi成为在固定位置无线通信的常用方式。因此，Wi-Fi是需要更高吞吐量的物联网应用的首选，比如安全摄像头。 什么样的无线SoC会受到市场青睐？ 下面我们就介绍几款功能强大、应用广泛、颇受市场好评的多协议无线SoC。 · Microchip PIC32CX-BZ2系列 针对无线照明、家居自动化、物联网、工业自动化以及其他低功耗蓝牙或Zigbee相关应用，Microchip公司推出了PIC32CX-BZ2系列，这是一款基于Arm Cortex M4F的无线SoC，除蓝牙低功耗无线SoC功能外，还包括Zigbee协议栈和空中（OTA）更新功能。 该款SoC集成了经全球法规认证的射频支持模块——蓝牙低能耗（BLE）5.2和Zigbee 3.0，硬件功能还包括一个12位模数转换器（ADC）、多个控制用定时器/计数器（TCC）通道、一个板载加密引擎，以及一套用于触摸、CAN、传感器、显示器和其他外设的接口。 BLE和Zigbee软件堆栈建立在强大的MPLAB Harmony v3框架上，以确保无缝的多协议实现。集成MPLAB代码配置器使开发人员能够利用拖放式自动代码生成技术快速开始PIC32CX-BZ2系列的原型设计。 
图1：PIC32CX-BZ2系列无线SoC（图源：Mouser） · Nordic nRF52832 对于需要高级BLE功能、协议并发性以及丰富多样的外围设备和功能之类的应用，Nordic公司的nRF52832无疑是一个非常出色的解决方案。这是一款通用多协议无线SoC，功能强大且高度灵活，通过使用复杂的片上自适应电源管理系统实现了异常低的能耗，非常适合用于BLE、ANT和2.4GHz超低功耗无线应用。nRF52832 SoC采用32位ARM Cortex-M4F CPU，内有512kB闪存和64kB RAM。嵌入式2.4GHz收发器支持BLE、ANT和专有的2.4GHz协议栈。此外，nRF52832拥有的NFC-A标签，可用于简化配对和支付解决方案。 
图2：nRF52832是一款通用多协议无线SoC（图源：Nordic semiconductor） · Nordic nRF58220 nRF58220是Nordic公司的另一款多协议无线SoC，它在小封装中提供了USB和高级无线连接，适用于HID、智能家居、商业和工业应用。这款SoC有两大特色：一是支持的无线通信非常丰富，2.4GHz多协议无线电功能齐全，包括所有BLE功能，以及蓝牙Mesh、Thread和Zigbee Mesh协议，可提供高达+8dBm的输出功率；二是添加了USB接口，可以与PC、平板电脑、智能手机和网关等一系列主机进行低延迟和高带宽通信。 此外，nRF58220还添加了通过USB执行设备固件更新（DFU）的选项，当连接到USB主机时，nRF58220可以由5V VBUS信号直接供电。nRF58220采用Arm Cortex-M4处理器，时钟频率为64MHz，有256KB闪存和32KB RAM，以及一系列模拟和数字接口，如模拟比较器、UART、SPI、TWI、QDEC以及USB。 
图3：提供USB和高级无线连接的nRF58220 SoC（图源：Nordic semiconductor） · NXP 88MW32X 对于家庭、企业和工业自动化的各种智能设备以及智能配件等应用，可以选择NXP的88MW32X，这是一款高度集成的、支持802.11 b/g/n Wi-Fi双频微控制器SoC，只需很少的外部组件即可实现完整的系统运行。 目前该系列中已经大量应用的88MW320/322 SoC，内置的Arm Cortex-M4F CPU工作频率高达200MHz，还支持集成的512KB SRAM、128KB掩模ROM和外部闪存的QSPI接口。带有32KB SRAM缓存的集成闪存控制器支持闪存固件的就地执行（XIP），实现了低系统成本和高WLAN协议处理。例如，SoC中的高度集成只需要一个3.3V的电源输入、38.4MHz的晶体和SPI闪存，而RF路径只需要用于天线连接的低通滤波器。 NXP经过验证和成熟的IEEE 802.11n/g/b技术更为SoC中的全功能WLAN子系统提供了助力。该WLAN子系统集成了WLAN MAC、基带和直接转换RF无线电，并集成了PA、LINA和发射/接收开关。它还将CPU子系统与集成存储器集成，以运行NXP WLAN固件，处理实时WLAN协议处理，从而从主应用程序CPU卸载许多WLAN功能。 此外，88MW322 SoC包括一个高速USB On-The-Go（OTG）接口，用于支持USB音频、视频和其他应用。一套完整的数字和模拟接口实现了I/O的直接接口，并避免了对外部芯片的需要。应用程序CPU可以用于支持自定义应用程序开发，并且避免了对另一个微控制器或处理器的需要。高集成度和低功耗操作，使得88MW320/322成为低成本、高效率智能设备、电器和能源应用的理想解决方案。 
图4：NXP 88MW32X是一款支持802.11 b/g/n Wi-Fi双频微控制器SoC（图源：NXP） 集成无线SoC有诸多优势，目前它的主要挑战在于：设计者缺乏独立优化计算性能或无线性能的灵活性，而且无线SoC本身的功能是不变的，这是因为它不能像分立解决方案那样可以单独优化产品的单个组件或某一个功能。 结语 物联网为所有设备提供了一个转储数据的平台，并为所有设备之间建立通信方式提供了一种通用语言。数据通过各种传感器从设备发出，并安全地发送到物联网平台。Mckinsey在其研究报告中表示，物联网的潜在价值巨大且始终保持不断增长，据估计，到2030年，全球来自物联网的收入可能高达12.5万亿美元，除去占比达到四分之一的工业应用，物联网在人类健康环境中的经济影响可能达到总估计值的14%左右。 物联网是一个庞大的互联设备生态系统，它的发展为投资者、科技公司和工程师打开了一扇研究、分析和改进传统系统的机会之门，并将其转变为更智能、节能和安全的系统。RF技术使我们能够轻松地将智能物联网设备相互连接，而无需任何复杂的配置要求。 对于物联网网关或其他设备的设计，选择一款合适的、完全满足应用需求的无线SoC是很困难的。功耗、尺寸和成本只是需要仔细考虑的几个变量。对于物联网应用和网络，SoC还需要支持丰富的无线协议，这将涉及到覆盖范围、延迟和吞吐量等因素。由于性能权衡取决于具体应用，因此还需要仔细评估关键设计要求，如电池寿命、计算能力和内存资源以及占地面积等。 |
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