【導讀】根據球移動(dòng)通信系統協(xié)會(huì )（GSMA）的研究數據，2010-2020年全球物聯(lián)網(wǎng)設備數量的復合增長(cháng)率高達19%，2020年達到了126億臺；而到2025年，這個(gè)數字將攀升至246億。其他機構的預測數據雖然有差異，但是大抵都在數百億級的水平，并大都認為在未來(lái)十年內這個(gè)進(jìn)程將繼續加速，向千億量級的規模邁進(jìn)。在這樣的大趨勢下，無(wú)線(xiàn)互連市場(chǎng)無(wú)疑將迎來(lái)一個(gè)持續的增長(cháng)期。
想讓設備“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，即在電子應用系統基礎上，加上分立的無(wú)線(xiàn)射頻通信器件。不過(guò)，按照半導體圈慣常的發(fā)展邏輯，當這個(gè)市場(chǎng)足夠大的時(shí)候，人們就會(huì )想“為什么不將MCU和RF無(wú)線(xiàn)收發(fā)器集成在一起”，這樣一來(lái)，在一個(gè)單芯片上就可以既實(shí)現無(wú)線(xiàn)通信，又能夠跑應用，無(wú)疑這在成本、體積等方面都會(huì )更劃算。無(wú)線(xiàn)SoC（有時(shí)也被稱(chēng)作無(wú)線(xiàn)MCU），就是在這樣的背景下應運而生了。
無(wú)線(xiàn)SoC選型要素
發(fā)展到今天，無(wú)線(xiàn)SoC雖然還無(wú)法完全替代雙芯片的架構，但已經(jīng)日趨成熟，市場(chǎng)應用也越來(lái)越廣泛。但對開(kāi)發(fā)者來(lái)講，隨之而來(lái)的一個(gè)挑戰就是：無(wú)線(xiàn)SoC產(chǎn)品越來(lái)越多，應該如何選擇適合自己的那一款？考慮到無(wú)線(xiàn)SoC比單純的MCU架構更為復雜，因此需要考量的因素也就更多，選型時(shí)就不得不多花些心思。
無(wú)線(xiàn)協(xié)議
根據應用的要求，基于數據傳輸速率、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(wú)線(xiàn)技術(shù)，通常是無(wú)線(xiàn)SoC選型的第一步。
在可選的無(wú)線(xiàn)技術(shù)中，基于2.4GHz頻段的Wi-Fi、藍牙和Zigbee等短距互連技術(shù)目前是市場(chǎng)的主流，有分析顯示基于此類(lèi)無(wú)線(xiàn)協(xié)議的連接數量占比在70%以上。這幾個(gè)無(wú)線(xiàn)技術(shù)屬于開(kāi)放的技術(shù)標準，市場(chǎng)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(guò)100米，而且也面臨著(zhù)2.4GHz頻段日益擁擠的局面，在抗干擾和兼容性方面的挑戰必須認真應對。
由于無(wú)線(xiàn)傳輸距離與頻率成反比，因此如果應用中需要更長(cháng)距離的互連，低于1GHz的Sub-GHz無(wú)線(xiàn)技術(shù)會(huì )更具優(yōu)勢，且具有更強的穿墻能力；同時(shí)干擾源也不像2.4GHz頻段那么多，有利于提高系統網(wǎng)絡(luò )的整體性能。在這個(gè)頻率范圍內，有許多可用的無(wú)需授權或需要授權的頻段可供選擇（如433MHz、868MHz和915MHz），在此基礎上也發(fā)展出了不少專(zhuān)用的無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議，用戶(hù)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，滿(mǎn)足定制化的應用要求。
硬件平臺
在確定了所需的無(wú)線(xiàn)技術(shù)之后，下一步就要看無(wú)線(xiàn)SoC的硬件架構。目前主流的無(wú)線(xiàn)SoC都會(huì )采用雙核架構，即一個(gè)Arm Cortex-M3/M4處理器內核加上一個(gè)Cortex-M0/M0+內核：前者作為主處理器其作用是運行應用軟件；而后者則用來(lái)處理無(wú)線(xiàn)協(xié)議，執行射頻實(shí)時(shí)任務(wù)，可以有效減輕主處理器的工作負荷。
這種“兩核分離”的架構還有一個(gè)好處：SoC中的射頻系統實(shí)際上是被“打包”成了一個(gè)獨立的射頻單元，雙核中的Cortex-M0/M0+核一般不開(kāi)放給用戶(hù)使用，對于開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō)，整個(gè)系統就像是一個(gè)單核MCU，因此可以更專(zhuān)注于在Cortex-M3/M4主處理器上的應用開(kāi)發(fā)，整個(gè)系統的開(kāi)發(fā)工作也就得以簡(jiǎn)化了——而如果是單核架構的無(wú)線(xiàn)SoC，則既需要處理應用程序，又需要處理協(xié)議棧，設計流程更為復雜。所以，如果不是有特殊的要求，雙核架構的無(wú)線(xiàn)SoC無(wú)疑是更好的選擇。
安全特性
在物聯(lián)網(wǎng)的應用中，“安全問(wèn)題具有一票否決權”已經(jīng)成為了大家的共識，因此安全特性也一定是無(wú)線(xiàn)SoC設計中的必選項。
無(wú)線(xiàn)SoC的安全性可以從以下幾個(gè)方面來(lái)衡量，如：是否內置了安全性功能模塊（如硬件加密加速器、真隨機數發(fā)生器等）；是否采用了具有安全性的CPU內核（如支持Arm TrustZone的內核）；是否可以提供配套的軟件資源等。有的無(wú)線(xiàn)SoC還會(huì )專(zhuān)門(mén)配置一個(gè)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(diǎn)是，無(wú)線(xiàn)SoC廠(chǎng)商是否可以將上述這些安全機制，整合成一個(gè)完整的解決方案，滿(mǎn)足實(shí)際應用中的安全策略所需，這樣就可以大大減少用戶(hù)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)權威的安全認證，就更是能夠讓用戶(hù)吃下一?！岸ㄐ耐琛?。
低功耗
大多數的無(wú)線(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)設備都是功耗敏感型的，尤其像Sub-GHz這樣的應用，覆蓋范圍廣，維護難度大，當然需要更強的續航能力，更突出的低功耗特性。
應對功耗挑戰，無(wú)線(xiàn)SoC常用的策略有兩點(diǎn)。一是更精細的功耗分級管理，即芯片可以根據實(shí)際應用需求來(lái)激活/關(guān)閉相應的功能模塊，減少無(wú)謂的電能消耗；二是將主處理器的工作卸載到專(zhuān)門(mén)的協(xié)處理器和外設硬件上，盡可能減少主處理器這個(gè)能耗大戶(hù)的工作時(shí)間。當然，采用更先進(jìn)的工藝、低功耗的處理器架構等，也都是在優(yōu)化低功耗特性上可以發(fā)力的地方，進(jìn)而提升無(wú)線(xiàn)SoC整體的功耗表現。
外設功能
既然叫無(wú)線(xiàn)“SoC”，也就意味著(zhù)除了核心的處理器內核、存儲器等計算控制資源外，還會(huì )集成豐富的外圍功能模塊。這些外圍模塊中，重點(diǎn)要觀(guān)察的有模擬、電源管理、接口、時(shí)序管理等幾個(gè)方面，這些外設資源也是能夠體現出SoC產(chǎn)品差異化的地方，需要根據設計要求進(jìn)行細致地評估。比如，在對信號鏈處理有較高要求的應用中（如傳感器系統），就要仔細查看模擬功能的規格；如果對數據交互和可擴展性方面要求更多，則要重點(diǎn)觀(guān)察接口資源的配置。有經(jīng)驗的無(wú)線(xiàn)SoC供應商，通常會(huì )根據市場(chǎng)的需要和自己的經(jīng)驗，在這些外設資源和成本等要素之間做很好的平衡，定義出相應的產(chǎn)品，獲得盡可能大的用戶(hù)價(jià)值。
上面說(shuō)了這么多，具體到實(shí)際工作中，應該怎樣選擇一顆滿(mǎn)意的無(wú)線(xiàn)SoC？下面我們就通過(guò)一個(gè)實(shí)例進(jìn)行說(shuō)明。
Sub-GHz單芯片方案
Silicon Labs公司推出的EFR32FG23Flex Gecko SoC，是一款專(zhuān)為網(wǎng)絡(luò )化智能家居、安防、照明、樓宇自動(dòng)化和智能表計等應用而設計的Sub-GHz單芯片方案，如果按照上文所述幾個(gè)無(wú)線(xiàn)SoC要素來(lái)衡量，EFR32FG23在各個(gè)方面的表現都是可圈可點(diǎn)的。
圖1：EFR32FG23 Flex Gecko無(wú)線(xiàn)SoC
（圖源：Silicon Labs）
從芯片架構上看，EFR32FG23采用了主流的雙核架構：一顆Cortex-M0+內核專(zhuān)司射頻子系統的工作；主控處理器則采用了一顆主頻達80MHz、帶有DSP指令和浮點(diǎn)單元的Cortex-M33內核，可以滿(mǎn)足常規的物聯(lián)應用設計需求。
圖2：EFR32FG23無(wú)線(xiàn)SoC系統框圖
（圖源：Silicon Labs）
從無(wú)線(xiàn)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(guò)專(zhuān)門(mén)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值，與市面上其他同類(lèi)無(wú)線(xiàn)SoC相比優(yōu)勢非常明顯。這也意味著(zhù)，EFR32FG23在各種應用場(chǎng)景下，可以為用戶(hù)提供更穩定可靠的的射頻功能。
表1：EFR32FG23接收器的靈敏度特性
（圖源：Silicon Labs）
EFR32FG23還可支持多種調制方案（如2/4 (G)FSK、OQPSK DSSS、(G)MSK、OOK等），以及多種Sub-GHz的無(wú)線(xiàn)協(xié)議，包括Amazon Sidewalk、mioty、無(wú)線(xiàn)M-Bus、Z-Wave和其他專(zhuān)有物聯(lián)網(wǎng)絡(luò )，為開(kāi)發(fā)者提供了一個(gè)靈活的、多協(xié)議的Sub-GHz解決方案。
從射頻系統的功耗表現來(lái)看，EFR32FG23的發(fā)射功率可高達+20dBm，而對應的TX電流為85.5mA；在868MHz時(shí)10dBm功率下TX電流僅為13.2mA，RX電流僅為3.7mA。這也為無(wú)線(xiàn)SoC整體功耗的控制提供了保障。
表2：EFR32FG23射頻系統的低功耗特性
（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(guò)優(yōu)化的低功耗射頻子系統之外，從圖2中可以看出，EFR32FG23支持的功率管理級別多達5級（E0至E4），這也就意味著(zhù)可以實(shí)施更為精細的按需供電管理，使得該器件可以很好地滿(mǎn)足低功耗、長(cháng)距離無(wú)線(xiàn)連接應用所需。以下是Silicon Labs提供的幾個(gè)功率級別下的典型功耗數值：
● 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，在外設方面，EFR32FG23提供的資源也極為豐富，從模擬、定時(shí)器/計數器，到通信接口一應俱全，還包括低功耗LCD控制器、鍵盤(pán)掃描儀 (KEYSCAN)、芯片溫度傳感器等很“貼心”的功能模塊，為應用開(kāi)發(fā)帶來(lái)了極大的便利性和可擴展性。
EFR32FG23豐富的外設資源
● 模數轉換器 (ADC)
- 12位 @1Msps
- 16位 @76.9ksps
● 2× 模擬比較器 (ACMP)
● 2× 數模轉換器 (VDAC)
● 低能耗傳感器接口 (LESENSE)
● 多達31個(gè)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 (PRS)
● 4個(gè)16位定時(shí)器/計數器，帶3個(gè)比較/捕獲/PWM 通道
● 1個(gè)32 位定時(shí)器/計數器，帶3個(gè)比較/捕獲/PWM 通道
● 32位實(shí)時(shí)計數器
● 用于波形生成的24位低能耗定時(shí)器
● 16位脈沖計數器（異步操作）(PCNT)
● 2× 看門(mén)狗定時(shí)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(gè)支持SMBus的I2C接口
● 集成低功耗LCD控制器，支持多達80個(gè)分段
● 鍵盤(pán)掃描儀支持高達6x8矩陣 (KEYSCAN)
● 芯片溫度傳感器，在整個(gè)溫度范圍內具有+TBD/-TBD°C 的精度
經(jīng)過(guò)PSA認證的安全特性
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準的硬件加密加速、真隨機數發(fā)生器 (TRNG)、基于硬件信任根的安全啟動(dòng)、安全調試、物理篡改、安全認證身份，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)權受損的風(fēng)險。同時(shí)，EFR32FG23所采用的Cortex-M33內核還支持Arm TrustZone安全特性，也是下一代安全敏感型MCU的標配。
Silicon Labs將上述這些安全特性統合在一起，形成了一個(gè)完整的Secure Vault解決方案，并獲得了來(lái)自Arm的PSA認證項目和ioXt 聯(lián)盟（ioXt Alliance）等第三方物聯(lián)網(wǎng)的安全認證。不夸張地講，Secure Vault技術(shù)是當今物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線(xiàn)SoC先進(jìn)硬件和軟件安全保護功能的集大成者，可以簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)、加快產(chǎn)品上市時(shí)間并幫助設備制造商開(kāi)發(fā)面向未來(lái)的產(chǎn)品。
圖3：Secure Vault技術(shù)獲得了Arm的PSA 3級認證
（圖源：Silicon Labs）
Secure Vault的安全功能包括：
安全設備標識
Silicon Labs的工廠(chǎng)信任部署服務(wù)帶有可選的安全編程服務(wù)，可為每個(gè)單獨的硅芯片在IC制造期間提供類(lèi)似于出生證明的安全設備標識證書(shū)，從而支持部署后的安全性、真實(shí)性和基于證明的健康檢查。設備證書(shū)可確保芯片在其使用壽命內的可靠性。
安全密鑰管理和存儲
設備和數據訪(fǎng)問(wèn)安全方案的有效性直接依賴(lài)于密鑰的保密性。使用Secure Vault，可以對密鑰進(jìn)行加密并將其與應用程序代碼隔離。由于使用PUF生成的主加密密鑰對所有密鑰進(jìn)行加密，因此提供了幾乎無(wú)限制的安全密鑰存儲。每一個(gè)設備的開(kāi)機簽名都是獨一無(wú)二的，并且主密鑰在開(kāi)機階段創(chuàng )建，從而無(wú)需主密鑰存儲，進(jìn)一步減少了攻擊途徑。
先進(jìn)的篡改檢測
此特性支持從易于實(shí)現的產(chǎn)品外殼防篡改功能到通過(guò)電壓、頻率和溫度操作對硅芯片進(jìn)行復雜的篡改檢測?？膳渲玫拇鄹捻憫δ苁沟瞄_(kāi)發(fā)人員可以設置適當的響應動(dòng)作，包括中斷、復位或在極端情況下刪除密鑰。
可見(jiàn)，有了Secure Vault安全功能的加持，不僅能夠滿(mǎn)足現今物聯(lián)網(wǎng)應用的安全所需，也完全可以應對未來(lái)的安全監管措施和法規的要求，為Sub-GHz無(wú)線(xiàn)設備提供一道穩固的安全防線(xiàn)。
設計生態(tài)已就緒
總結一下，作為Silicon Labs公司Series2平臺系列產(chǎn)品中的一員，EFR32FG23提供了遠距離互連和低功耗的特性，以及豐富的外設功能，且通過(guò)了Arm PSA 3級安全認證，可以說(shuō)是電池供電的高性能Sub-GHz無(wú)線(xiàn)解決方案的理想選擇。同時(shí)，EFR32FG23在射頻方面支持多種調制方案和無(wú)線(xiàn)協(xié)議，為開(kāi)發(fā)人員提供了靈活、多協(xié)議的Sub-GHz連接選擇，在全球范圍內的市場(chǎng)適應性和可擴展性也很強，是一款各方面綜合表現都很優(yōu)秀的無(wú)線(xiàn)SoC產(chǎn)品。
值得一提的是，得益于Series2平臺資源的支持，與EFR32FG23配套的設計生態(tài)也已經(jīng)就緒。比如在開(kāi)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(kāi)發(fā)套件，就是一款外形緊湊、功能豐富的開(kāi)發(fā)平臺，支持FG23的板載分段LCD控制器以及LESENSE和脈沖計數器等關(guān)鍵特性，能夠加速開(kāi)發(fā)者的器件評估和原型開(kāi)發(fā)進(jìn)程。
圖4：FG23 868MHz至915MHz +14dBm開(kāi)發(fā)套件
（圖源：Silicon Labs）
圖5：FG23 868MHz至915MHz +14dBm開(kāi)發(fā)套件系統框圖（圖源：Silicon Labs）
總之，EFR32FG23不僅是開(kāi)發(fā)Sub-GHz長(cháng)距離、低功耗無(wú)線(xiàn)物聯(lián)應用的理想選擇，從它身上你也能夠看到一顆優(yōu)秀無(wú)線(xiàn)SoC應該具備的能力和實(shí)力。有了這樣的認知，面對未來(lái)千億級的物聯(lián)網(wǎng)設備市場(chǎng)，想必你一定是信心滿(mǎn)滿(mǎn)了吧！
來(lái)源：貿澤電子
免責聲明：本文為轉載文章，轉載此文目的在于傳遞更多信息，版權歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權問(wèn)題，請聯(lián)系小編進(jìn)行處理。
推薦閱讀：
電氣化和智能化，會(huì )給汽車(chē)上的MEMS帶來(lái)什么變化？
有關(guān)eFuse電子保險絲，你應該了解的技術(shù)干貨，都在這里！
