物聯(lián)網(wǎng)硬件開發(fā)，無線SoC該如何選？

物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)

如果說互聯(lián)網(wǎng)改變了我們的工作和交流方式，那么，物聯(lián)網(wǎng)則通過一次將多個(gè)設(shè)備連接到互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了人與機(jī)器和機(jī)器與機(jī)器的交互。如今，物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)不僅在特定領(lǐng)域，在家庭自動(dòng)化、車輛自動(dòng)化、工廠自動(dòng)化、醫(yī)療、零售、醫(yī)療保健等領(lǐng)域都有著廣泛的商業(yè)應(yīng)用。

這種看起來無所不在的物聯(lián)網(wǎng)主要由四個(gè)組件構(gòu)成，包括：傳感器/設(shè)備、連接、數(shù)據(jù)處理和用戶界面，涉及多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域。今天，我們重點(diǎn)討論在物聯(lián)網(wǎng)中擔(dān)當(dāng)智能設(shè)備連接任務(wù)的射頻技術(shù)。

為什么選擇無線SoC進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)硬件開發(fā)？

物聯(lián)網(wǎng)是由多種技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，射頻技術(shù)是必不可少的重要組件之一，比如可穿戴設(shè)備使用射頻模塊與智能手機(jī)和其他智能設(shè)備進(jìn)行連接和通信；智能家居設(shè)備中使用Wi-Fi或藍(lán)牙將設(shè)備連接至互聯(lián)網(wǎng)；RFID技術(shù)在工業(yè)、供應(yīng)鏈管理、智慧農(nóng)業(yè)和許多其他應(yīng)用中是快速連接的首選；無線收發(fā)器與溫度、濕度和火災(zāi)傳感器的集成模塊，更是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中必不可少的組件。

在物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)過程中，設(shè)計(jì)人員常常為了尋找價(jià)格合理、高性能和高功能的RF器件而犯難。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，SoC方案與其他集成度較低的選項(xiàng)相比具有顯著優(yōu)勢(shì)。

例如，多芯片方案對(duì)應(yīng)的材料清單可能需要廣泛的供應(yīng)商采購，制造成本或?qū)⒏哂赟oC；為了確保所有組件都能準(zhǔn)確無誤地一起工作，多芯片方案在研發(fā)階段將需要更多的調(diào)測(cè)時(shí)間，可能拉長產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)所需的時(shí)間。

而基于SoC的方案從構(gòu)思到設(shè)計(jì)、到完成制造要簡(jiǎn)單得多，不僅縮短了產(chǎn)品的上市時(shí)間，低功耗特性對(duì)于電池供電的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備更是有極大的助力。

如何選擇用于物聯(lián)網(wǎng)的無線SoC？

將無線設(shè)備添加到物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中，大大增加了設(shè)備的復(fù)雜性。通常，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備需使用各種無線協(xié)議，包括Wi-Fi、BLE、Zigbee、Thread、Z-Wave和蜂窩。特定設(shè)備的無線通信協(xié)議的選擇取決于應(yīng)用、尺寸、成本、功率和其他幾個(gè)因素。

藍(lán)牙低功耗（BLE）是一種用于家庭溫度傳感器的協(xié)議，功耗低，價(jià)格便宜，在典型的家庭環(huán)境中提供了必要的覆蓋范圍；NFC適合類似于非接觸式支付的應(yīng)用，它具有極小的范圍和極低的吞吐量；對(duì)于包括安全攝像頭在內(nèi)的許多應(yīng)用而言，Wi-Fi提供了所需的更高的數(shù)據(jù)吞吐量。很多情況下，我們需要的是一個(gè)能夠支持多個(gè)無線協(xié)議的RF組件。

那么，我們又將如何解決一臺(tái)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備必須支持多個(gè)協(xié)議這樣的需求呢？半導(dǎo)體廠商給出的答案是：無線SoC。因?yàn)闊o線SoC有三大優(yōu)勢(shì)：

1、尺寸更小

在物理上尺寸更小，集成更多的外設(shè)使得設(shè)備的總成本更低，非常有利于產(chǎn)品設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)出外形小巧、更具創(chuàng)新性的產(chǎn)品，這些優(yōu)勢(shì)幾乎適用于所有物聯(lián)網(wǎng)終端應(yīng)用。

2、多協(xié)議集成

無線SoC為物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)人員提供了一個(gè)多協(xié)議集成方案，通過在內(nèi)部處理同一ISM頻帶上的多個(gè)協(xié)議之間的共存問題來簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。

3、管理簡(jiǎn)單

無線SoC消除了對(duì)多個(gè)設(shè)備RF設(shè)計(jì)的管理問題。

在為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備選擇無線SoC時(shí)，有許多重要的考慮因素。毫無疑問，對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，功耗一定是選擇無線SoC的非常重要因素之一。若想找到一個(gè)與應(yīng)用非常貼合的無線SoC，除了功耗，下面這些因素也必須考慮，包括無線協(xié)議、性能、價(jià)格、尺寸、工具支持和易于集成等。

其中，應(yīng)用和性能要求是決策的關(guān)鍵。比如，對(duì)于家庭溫度傳感等應(yīng)用，BLE就是一種非常適用的協(xié)議，它功耗低，成本也比其他一些協(xié)議低，覆蓋范圍完全滿足典型的家庭環(huán)境需求。

NFC的吞吐量不大，數(shù)據(jù)傳輸距離較短，但對(duì)非接觸式支付等應(yīng)用它就是合適的選擇。Wi-Fi是一種基于802.11 b/g/n 標(biāo)準(zhǔn)的無線局域網(wǎng)（LAN）協(xié)議，從用戶的角度來看，Wi-Fi是通過手機(jī)、平板電腦或筆記本電腦等具有無線功能的設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng)。大多數(shù)現(xiàn)代設(shè)備都支持Wi-Fi，使得Wi-Fi成為在固定位置無線通信的常用方式。因此，Wi-Fi是需要更高吞吐量的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的首選，比如安全攝像頭。

什么樣的無線SoC會(huì)受到市場(chǎng)青睞？

下面我們就介紹幾款功能強(qiáng)大、應(yīng)用廣泛、頗受市場(chǎng)好評(píng)的多協(xié)議無線SoC。??? Microchip PIC32CX-BZ2系列

針對(duì)無線照明、家居自動(dòng)化、物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)自動(dòng)化以及其他低功耗藍(lán)牙或Zigbee相關(guān)應(yīng)用，Microchip公司推出了PIC32CX-BZ2系列，這是一款基于Arm Cortex M4F的無線SoC，除藍(lán)牙低功耗無線SoC功能外，還包括Zigbee協(xié)議棧和空中（OTA）更新功能。

該款SoC集成了經(jīng)全球法規(guī)認(rèn)證的射頻支持模塊——藍(lán)牙低能耗（BLE）5.2和Zigbee 3.0，硬件功能還包括一個(gè)12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、多個(gè)控制用定時(shí)器/計(jì)數(shù)器（TCC）通道、一個(gè)板載加密引擎，以及一套用于觸摸、CAN、傳感器、顯示器和其他外設(shè)的接口。

BLE和Zigbee軟件堆棧建立在強(qiáng)大的MPLAB Harmony v3框架上，以確保無縫的多協(xié)議實(shí)現(xiàn)。集成MPLAB代碼配置器使開發(fā)人員能夠利用拖放式自動(dòng)代碼生成技術(shù)快速開始PIC32CX-BZ2系列的原型設(shè)計(jì)。

圖1：PIC32CX-BZ2系列無線SoC（圖源：Mouser）

????Nordic nRF52832

對(duì)于需要高級(jí)BLE功能、協(xié)議并發(fā)性以及豐富多樣的外圍設(shè)備和功能之類的應(yīng)用，Nordic公司的nRF52832無疑是一個(gè)非常出色的解決方案。這是一款通用多協(xié)議無線SoC，功能強(qiáng)大且高度靈活，通過使用復(fù)雜的片上自適應(yīng)電源管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了異常低的能耗，非常適合用于BLE、ANT和2.4GHz超低功耗無線應(yīng)用。nRF52832 SoC采用32位ARM Cortex-M4F CPU，內(nèi)有512kB閃存和64kB RAM。嵌入式2.4GHz收發(fā)器支持BLE、ANT和專有的2.4GHz協(xié)議棧。此外，nRF52832擁有的NFC-A標(biāo)簽，可用于簡(jiǎn)化配對(duì)和支付解決方案。

圖2：nRF52832是一款通用多協(xié)議無線SoC（圖源：Nordic semiconductor）

????Nordic?nRF58220

nRF58220是Nordic公司的另一款多協(xié)議無線SoC，它在小封裝中提供了USB和高級(jí)無線連接，適用于HID、智能家居、商業(yè)和工業(yè)應(yīng)用。這款SoC有兩大特色：一是支持的無線通信非常豐富，2.4GHz多協(xié)議無線電功能齊全，包括所有BLE功能，以及藍(lán)牙Mesh、Thread和Zigbee Mesh協(xié)議，可提供高達(dá)+8dBm的輸出功率；二是添加了USB接口，可以與PC、平板電腦、智能手機(jī)和網(wǎng)關(guān)等一系列主機(jī)進(jìn)行低延遲和高帶寬通信。

此外，nRF58220還添加了通過USB執(zhí)行設(shè)備固件更新（DFU）的選項(xiàng)，當(dāng)連接到USB主機(jī)時(shí)，nRF58220可以由5V VBUS信號(hào)直接供電。nRF58220采用Arm Cortex-M4處理器，時(shí)鐘頻率為64MHz，有256KB閃存和32KB RAM，以及一系列模擬和數(shù)字接口，如模擬比較器、UART、SPI、TWI、QDEC以及USB。

圖3：提供USB和高級(jí)無線連接的nRF58220 SoC（圖源：Nordic semiconductor）

????NXP?88MW32X

對(duì)于家庭、企業(yè)和工業(yè)自動(dòng)化的各種智能設(shè)備以及智能配件等應(yīng)用，可以選擇NXP的88MW32X，這是一款高度集成的、支持802.11 b/g/n Wi-Fi雙頻微控制器SoC，只需很少的外部組件即可實(shí)現(xiàn)完整的系統(tǒng)運(yùn)行。

目前該系列中已經(jīng)大量應(yīng)用的88MW320/322 SoC，內(nèi)置的Arm Cortex-M4F CPU工作頻率高達(dá)200MHz，還支持集成的512KB SRAM、128KB掩模ROM和外部閃存的QSPI接口。帶有32KB SRAM緩存的集成閃存控制器支持閃存固件的就地執(zhí)行（XIP），實(shí)現(xiàn)了低系統(tǒng)成本和高WLAN協(xié)議處理。例如，SoC中的高度集成只需要一個(gè)3.3V的電源輸入、38.4MHz的晶體和SPI閃存，而RF路徑只需要用于天線連接的低通濾波器。

NXP經(jīng)過驗(yàn)證和成熟的IEEE 802.11n/g/b技術(shù)更為SoC中的全功能WLAN子系統(tǒng)提供了助力。該WLAN子系統(tǒng)集成了WLAN MAC、基帶和直接轉(zhuǎn)換RF無線電，并集成了PA、LINA和發(fā)射/接收開關(guān)。它還將CPU子系統(tǒng)與集成存儲(chǔ)器集成，以運(yùn)行NXP WLAN固件，處理實(shí)時(shí)WLAN協(xié)議處理，從而從主應(yīng)用程序CPU卸載許多WLAN功能。

此外，88MW322 SoC包括一個(gè)高速USB On-The-Go（OTG）接口，用于支持USB音頻、視頻和其他應(yīng)用。一套完整的數(shù)字和模擬接口實(shí)現(xiàn)了I/O的直接接口，并避免了對(duì)外部芯片的需要。應(yīng)用程序CPU可以用于支持自定義應(yīng)用程序開發(fā)，并且避免了對(duì)另一個(gè)微控制器或處理器的需要。高集成度和低功耗操作，使得88MW320/322成為低成本、高效率智能設(shè)備、電器和能源應(yīng)用的理想解決方案。

圖4：NXP 88MW32X是一款支持802.11 b/g/n Wi-Fi雙頻微控制器SoC（圖源：NXP）

集成無線SoC有諸多優(yōu)勢(shì)，目前它的主要挑戰(zhàn)在于：設(shè)計(jì)者缺乏獨(dú)立優(yōu)化計(jì)算性能或無線性能的靈活性，而且無線SoC本身的功能是不變的，這是因?yàn)樗荒芟穹至⒔鉀Q方案那樣可以單獨(dú)優(yōu)化產(chǎn)品的單個(gè)組件或某一個(gè)功能。

結(jié)語

物聯(lián)網(wǎng)為所有設(shè)備提供了一個(gè)轉(zhuǎn)儲(chǔ)數(shù)據(jù)的平臺(tái)，并為所有設(shè)備之間建立通信方式提供了一種通用語言。數(shù)據(jù)通過各種傳感器從設(shè)備發(fā)出，并安全地發(fā)送到物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。Mckinsey在其研究報(bào)告中表示，物聯(lián)網(wǎng)的潛在價(jià)值巨大且始終保持不斷增長，據(jù)估計(jì)，到2030年，全球來自物聯(lián)網(wǎng)的收入可能高達(dá)12.5萬億美元，除去占比達(dá)到四分之一的工業(yè)應(yīng)用，物聯(lián)網(wǎng)在人類健康環(huán)境中的經(jīng)濟(jì)影響可能達(dá)到總估計(jì)值的14%左右。

物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)龐大的互聯(lián)設(shè)備生態(tài)系統(tǒng)，它的發(fā)展為投資者、科技公司和工程師打開了一扇研究、分析和改進(jìn)傳統(tǒng)系統(tǒng)的機(jī)會(huì)之門，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)楦悄?、?jié)能和安全的系統(tǒng)。RF技術(shù)使我們能夠輕松地將智能物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備相互連接，而無需任何復(fù)雜的配置要求。

對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)或其他設(shè)備的設(shè)計(jì)，選擇一款合適的、完全滿足應(yīng)用需求的無線SoC是很困難的。功耗、尺寸和成本只是需要仔細(xì)考慮的幾個(gè)變量。對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)，SoC還需要支持豐富的無線協(xié)議，這將涉及到覆蓋范圍、延遲和吞吐量等因素。由于性能權(quán)衡取決于具體應(yīng)用，因此還需要仔細(xì)評(píng)估關(guān)鍵設(shè)計(jì)要求，如電池壽命、計(jì)算能力和內(nèi)存資源以及占地面積等。

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