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Sub-GHz无线SoC选料,如何选到最适合你的那一颗?

发布时间:2022-09-29 来源:贸泽电子 责任编辑:wenwei

【导读】根据球移动通信系统协会(GSMA)的研究数据,2010-2020年全球物联网设备数量的复合增长率高达19%,2020年达到了126亿台;而到2025年,这个数字将攀升至246亿。其他机构的预测数据虽然有差异,但是大抵都在数百亿级的水平,并大都认为在未来十年内这个进程将继续加速,向千亿量级的规模迈进。在这样的大趋势下,无线互连市场无疑将迎来一个持续的增长期。


想让设备“联网”,最直接的技术方案就是“MCU+射频模块”的双芯片架构,即在电子应用系统基础上,加上分立的无线射频通信器件。不过,按照半导体圈惯常的发展逻辑,当这个市场足够大的时候,人们就会想“为什么不将MCU和RF无线收发器集成在一起”,这样一来,在一个单芯片上就可以既实现无线通信,又能够跑应用,无疑这在成本、体积等方面都会更划算。无线SoC(有时也被称作无线MCU),就是在这样的背景下应运而生了。


无线SoC选型要素


发展到今天,无线SoC虽然还无法完全替代双芯片的架构,但已经日趋成熟,市场应用也越来越广泛。但对开发者来讲,随之而来的一个挑战就是:无线SoC产品越来越多,应该如何选择适合自己的那一款?考虑到无线SoC比单纯的MCU架构更为复杂,因此需要考量的因素也就更多,选型时就不得不多花些心思。


无线协议


根据应用的要求,基于数据传输速率、传输距离、功耗、成本、网络容量、安全性等方面的要素综合评估,选择合适的无线技术,通常是无线SoC选型的第一步。


在可选的无线技术中,基于2.4GHz频段的Wi-Fi、蓝牙和Zigbee等短距互连技术目前是市场的主流,有分析显示基于此类无线协议的连接数量占比在70%以上。这几个无线技术属于开放的技术标准,市场渗透率高,生态比较完善,这都是先天的优势;但是它们的覆盖范围通常不超过100米,而且也面临着2.4GHz频段日益拥挤的局面,在抗干扰和兼容性方面的挑战必须认真应对。


由于无线传输距离与频率成反比,因此如果应用中需要更长距离的互连,低于1GHz的Sub-GHz无线技术会更具优势,且具有更强的穿墙能力;同时干扰源也不像2.4GHz频段那么多,有利于提高系统网络的整体性能。在这个频率范围内,有许多可用的无需授权或需要授权的频段可供选择(如433MHz、868MHz和915MHz),在此基础上也发展出了不少专用的无线通信协议,用户可以充分利用这些资源,灵活快速地部署自己的物联网架构,满足定制化的应用要求。


硬件平台


在确定了所需的无线技术之后,下一步就要看无线SoC的硬件架构。目前主流的无线SoC都会采用双核架构,即一个Arm Cortex-M3/M4处理器内核加上一个Cortex-M0/M0+内核:前者作为主处理器其作用是运行应用软件;而后者则用来处理无线协议,执行射频实时任务,可以有效减轻主处理器的工作负荷。


这种“两核分离”的架构还有一个好处:SoC中的射频系统实际上是被“打包”成了一个独立的射频单元,双核中的Cortex-M0/M0+核一般不开放给用户使用,对于开发者来说,整个系统就像是一个单核MCU,因此可以更专注于在Cortex-M3/M4主处理器上的应用开发,整个系统的开发工作也就得以简化了——而如果是单核架构的无线SoC,则既需要处理应用程序,又需要处理协议栈,设计流程更为复杂。所以,如果不是有特殊的要求,双核架构的无线SoC无疑是更好的选择。


安全特性


在物联网的应用中,“安全问题具有一票否决权”已经成为了大家的共识,因此安全特性也一定是无线SoC设计中的必选项。


无线SoC的安全性可以从以下几个方面来衡量,如:是否内置了安全性功能模块(如硬件加密加速器、真随机数发生器等);是否采用了具有安全性的CPU内核(如支持Arm TrustZone的内核);是否可以提供配套的软件资源等。有的无线SoC还会专门配置一个安全协处理器去运行网络安全相关协议,提供更强的安全性能支持。


更为重要的一点是,无线SoC厂商是否可以将上述这些安全机制,整合成一个完整的解决方案,满足实际应用中的安全策略所需,这样就可以大大减少用户在安全方面的资源投入。而且这样的解决方案,如果能够获得行业权威的安全认证,就更是能够让用户吃下一粒“定心丸”。


低功耗


大多数的无线物联网设备都是功耗敏感型的,尤其像Sub-GHz这样的应用,覆盖范围广,维护难度大,当然需要更强的续航能力,更突出的低功耗特性。


应对功耗挑战,无线SoC常用的策略有两点。一是更精细的功耗分级管理,即芯片可以根据实际应用需求来激活/关闭相应的功能模块,减少无谓的电能消耗;二是将主处理器的工作卸载到专门的协处理器和外设硬件上,尽可能减少主处理器这个能耗大户的工作时间。当然,采用更先进的工艺、低功耗的处理器架构等,也都是在优化低功耗特性上可以发力的地方,进而提升无线SoC整体的功耗表现。


外设功能


既然叫无线“SoC”,也就意味着除了核心的处理器内核、存储器等计算控制资源外,还会集成丰富的外围功能模块。这些外围模块中,重点要观察的有模拟、电源管理、接口、时序管理等几个方面,这些外设资源也是能够体现出SoC产品差异化的地方,需要根据设计要求进行细致地评估。比如,在对信号链处理有较高要求的应用中(如传感器系统),就要仔细查看模拟功能的规格;如果对数据交互和可扩展性方面要求更多,则要重点观察接口资源的配置。有经验的无线SoC供应商,通常会根据市场的需要和自己的经验,在这些外设资源和成本等要素之间做很好的平衡,定义出相应的产品,获得尽可能大的用户价值。


上面说了这么多,具体到实际工作中,应该怎样选择一颗满意的无线SoC?下面我们就通过一个实例进行说明。


Sub-GHz单芯片方案


Silicon Labs公司推出的EFR32FG23Flex Gecko SoC,是一款专为网络化智能家居、安防、照明、楼宇自动化和智能表计等应用而设计的Sub-GHz单芯片方案,如果按照上文所述几个无线SoC要素来衡量,EFR32FG23在各个方面的表现都是可圈可点的。


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图1:EFR32FG23 Flex Gecko无线SoC

(图源:Silicon Labs)


从芯片架构上看,EFR32FG23采用了主流的双核架构:一颗Cortex-M0+内核专司射频子系统的工作;主控处理器则采用了一颗主频达80MHz、带有DSP指令和浮点单元的Cortex-M33内核,可以满足常规的物联应用设计需求。


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图2:EFR32FG23无线SoC系统框图

(图源:Silicon Labs)


从无线和射频功能上看,基于Sub-GHz频段的EFR32FG23的传输距离能够覆盖1英里以上的范围。其经过专门优化的射频功率放大器兼具高发射功率、低功耗、高接收灵敏度的特性。


在灵敏度方面,EFR32FG23的表现出众,从表1中我们可以看到在不同工作条件下其灵敏度的数值,与市面上其他同类无线SoC相比优势非常明显。这也意味着,EFR32FG23在各种应用场景下,可以为用户提供更稳定可靠的的射频功能。


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表1:EFR32FG23接收器的灵敏度特性

(图源:Silicon Labs)


EFR32FG23还可支持多种调制方案(如2/4 (G)FSK、OQPSK DSSS、(G)MSK、OOK等),以及多种Sub-GHz的无线协议,包括Amazon Sidewalk、mioty、无线M-Bus、Z-Wave和其他专有物联网络,为开发者提供了一个灵活的、多协议的Sub-GHz解决方案。


从射频系统的功耗表现来看,EFR32FG23的发射功率可高达+20dBm,而对应的TX电流为85.5mA;在868MHz时10dBm功率下TX电流仅为13.2mA,RX电流仅为3.7mA。这也为无线SoC整体功耗的控制提供了保障。


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表2:EFR32FG23射频系统的低功耗特性

(图源:Silicon Labs)


在器件整体的低功耗特性方面,除了前面提到的经过优化的低功耗射频子系统之外,从图2中可以看出,EFR32FG23支持的功率管理级别多达5级(E0至E4),这也就意味着可以实施更为精细的按需供电管理,使得该器件可以很好地满足低功耗、长距离无线连接应用所需。以下是Silicon Labs提供的几个功率级别下的典型功耗数值:


●   EM0工作模式(39.0MHz):26μA/MHz


●   EM2深度睡眠模式(64kB RAM保留并从LFXO运行RTC):1.5μA


●   EM2深度睡眠模式(16kB RAM保留并从LFRCO运行RTC):1.2μA


此外,在外设方面,EFR32FG23提供的资源也极为丰富,从模拟、定时器/计数器,到通信接口一应俱全,还包括低功耗LCD控制器、键盘扫描仪 (KEYSCAN)、芯片温度传感器等很“贴心”的功能模块,为应用开发带来了极大的便利性和可扩展性。


EFR32FG23丰富的外设资源


●   模数转换器 (ADC)

     - 12位 @1Msps

     - 16位 @76.9ksps

●   2× 模拟比较器 (ACMP)

●   2× 数模转换器 (VDAC)

●   低能耗传感器接口 (LESENSE)

●   多达31个带输出状态保持和异步中断功能的通用I/O引脚

●   8通道DMA控制器

●   12通道周边反射系统 (PRS)

●   4个16位定时器/计数器,带3个比较/捕获/PWM 通道

●   1个32 位定时器/计数器,带3个比较/捕获/PWM 通道

●   32位实时计数器

●   用于波形生成的24位低能耗定时器

●   16位脉冲计数器(异步操作)(PCNT)

●   2× 看门狗定时器

●   3× 升级版通用同步/异步接收器/发射器 (EUSART)

●   1× 通用同步/异步接收器/发射器(UART/SPI/SmartCard(ISO7816)/IrDA/I2S)

●   2个支持SMBus的I2C接口

●   集成低功耗LCD控制器,支持多达80个分段

●   键盘扫描仪支持高达6x8矩阵 (KEYSCAN)

●   芯片温度传感器,在整个温度范围内具有+TBD/-TBD°C 的精度


经过PSA认证的安全特性


在EFR32FG23诸多特性中,其出色的安全特性尤其让人印象深刻。


从EFR32FG23的系统框图中可以看到,其具有一系列安全特性,包括支持主流加密标准的硬件加密加速、真随机数发生器 (TRNG)、基于硬件信任根的安全启动、安全调试、物理篡改、安全认证身份,以及物理不可克隆功能(PUF)密钥管理技术,尽可能地降低物联网安全漏洞和知识产权受损的风险。同时,EFR32FG23所采用的Cortex-M33内核还支持Arm TrustZone安全特性,也是下一代安全敏感型MCU的标配。


Silicon Labs将上述这些安全特性统合在一起,形成了一个完整的Secure Vault解决方案,并获得了来自Arm的PSA认证项目和ioXt 联盟(ioXt Alliance)等第三方物联网的安全认证。不夸张地讲,Secure Vault技术是当今物联网无线SoC先进硬件和软件安全保护功能的集大成者,可以简化开发、加快产品上市时间并帮助设备制造商开发面向未来的产品。


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图3:Secure Vault技术获得了Arm的PSA 3级认证

(图源:Silicon Labs)


Secure Vault的安全功能包括:


安全设备标识


Silicon Labs的工厂信任部署服务带有可选的安全编程服务,可为每个单独的硅芯片在IC制造期间提供类似于出生证明的安全设备标识证书,从而支持部署后的安全性、真实性和基于证明的健康检查。设备证书可确保芯片在其使用寿命内的可靠性。


安全密钥管理和存储


设备和数据访问安全方案的有效性直接依赖于密钥的保密性。使用Secure Vault,可以对密钥进行加密并将其与应用程序代码隔离。由于使用PUF生成的主加密密钥对所有密钥进行加密,因此提供了几乎无限制的安全密钥存储。每一个设备的开机签名都是独一无二的,并且主密钥在开机阶段创建,从而无需主密钥存储,进一步减少了攻击途径。


先进的篡改检测


此特性支持从易于实现的产品外壳防篡改功能到通过电压、频率和温度操作对硅芯片进行复杂的篡改检测。可配置的篡改响应功能使得开发人员可以设置适当的响应动作,包括中断、复位或在极端情况下删除密钥。


可见,有了Secure Vault安全功能的加持,不仅能够满足现今物联网应用的安全所需,也完全可以应对未来的安全监管措施和法规的要求,为Sub-GHz无线设备提供一道稳固的安全防线。


设计生态已就绪


总结一下,作为Silicon Labs公司Series2平台系列产品中的一员,EFR32FG23提供了远距离互连和低功耗的特性,以及丰富的外设功能,且通过了Arm PSA 3级安全认证,可以说是电池供电的高性能Sub-GHz无线解决方案的理想选择。同时,EFR32FG23在射频方面支持多种调制方案和无线协议,为开发人员提供了灵活、多协议的Sub-GHz连接选择,在全球范围内的市场适应性和可扩展性也很强,是一款各方面综合表现都很优秀的无线SoC产品。


值得一提的是,得益于Series2平台资源的支持,与EFR32FG23配套的设计生态也已经就绪。比如在开发工具方面,目前就已经有一系列的产品可以提供。比如下面这款FG23 868MHz至915MHz +14dBm开发套件,就是一款外形紧凑、功能丰富的开发平台,支持FG23的板载分段LCD控制器以及LESENSE和脉冲计数器等关键特性,能够加速开发者的器件评估和原型开发进程。


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图4:FG23 868MHz至915MHz +14dBm开发套件

(图源:Silicon Labs)


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图5:FG23 868MHz至915MHz +14dBm开发套件系统框图(图源:Silicon Labs)


总之,EFR32FG23不仅是开发Sub-GHz长距离、低功耗无线物联应用的理想选择,从它身上你也能够看到一颗优秀无线SoC应该具备的能力和实力。有了这样的认知,面对未来千亿级的物联网设备市场,想必你一定是信心满满了吧!


来源:贸泽电子



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