如何選擇適合自己的無線SoC產(chǎn)品

根據(jù)球移動(dòng)通信系統(tǒng)協(xié)會(huì)（GSMA）的研究數(shù)據(jù)，2010-2020年全球物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量的復(fù)合增長率高達(dá)19%，2020年達(dá)到了126億臺(tái)；而到2025年，這個(gè)數(shù)字將攀升至246億。其他機(jī)構(gòu)的預(yù)測數(shù)據(jù)雖然有差異，但是大抵都在數(shù)百億級(jí)的水平，并大都認(rèn)為在未來十年內(nèi)這個(gè)進(jìn)程將繼續(xù)加速，向千億量級(jí)的規(guī)模邁進(jìn)。在這樣的大趨勢下，無線互連市場無疑將迎來一個(gè)持續(xù)的增長期。

想讓設(shè)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(gòu)，即在電子應(yīng)用系統(tǒng)基礎(chǔ)上，加上分立的無線射頻通信器件。不過，按照半導(dǎo)體圈慣常的發(fā)展邏輯，當(dāng)這個(gè)市場足夠大的時(shí)候，人們就會(huì)想“為什么不將MCU和RF無線收發(fā)器集成在一起”，這樣一來，在一個(gè)單芯片上就可以既實(shí)現(xiàn)無線通信，又能夠跑應(yīng)用，無疑這在成本、體積等方面都會(huì)更劃算。無線SoC（有時(shí)也被稱作無線MCU），就是在這樣的背景下應(yīng)運(yùn)而生了。

無線SoC選型要素

發(fā)展到今天，無線SoC雖然還無法完全替代雙芯片的架構(gòu)，但已經(jīng)日趨成熟，市場應(yīng)用也越來越廣泛。但對(duì)開發(fā)者來講，隨之而來的一個(gè)挑戰(zhàn)就是：無線SoC產(chǎn)品越來越多，應(yīng)該如何選擇適合自己的那一款？考慮到無線SoC比單純的MCU架構(gòu)更為復(fù)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。 無線協(xié)議根據(jù)應(yīng)用的要求，基于數(shù)據(jù)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(píng)估，選擇合適的無線技術(shù)，通常是無線SoC選型的第一步。

在可選的無線技術(shù)中，基于2.4GHz頻段的Wi-Fi、藍(lán)牙和Zigbee等短距互連技術(shù)目前是市場的主流，有分析顯示基于此類無線協(xié)議的連接數(shù)量占比在70%以上。這幾個(gè)無線技術(shù)屬于開放的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，市場滲透率高，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100米，而且也面臨著2.4GHz頻段日益擁擠的局面，在抗干擾和兼容性方面的挑戰(zhàn)必須認(rèn)真應(yīng)對(duì)。

由于無線傳輸距離與頻率成反比，因此如果應(yīng)用中需要更長距離的互連，低于1GHz的Sub-GHz無線技術(shù)會(huì)更具優(yōu)勢，且具有更強(qiáng)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(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的整體性能。在這個(gè)頻率范圍內(nèi)，有許多可用的無需授權(quán)或需要授權(quán)的頻段可供選擇（如433MHz、868MHz和915MHz），在此基礎(chǔ)上也發(fā)展出了不少專用的無線通信協(xié)議，用戶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(gòu)，滿足定制化的應(yīng)用要求。

硬件平臺(tái)

在確定了所需的無線技術(shù)之后，下一步就要看無線SoC的硬件架構(gòu)。目前主流的無線SoC都會(huì)采用雙核架構(gòu)，即一個(gè)Arm Cortex-M3/M4處理器內(nèi)核加上一個(gè)Cortex-M0/M0+內(nèi)核：前者作為主處理器其作用是運(yùn)行應(yīng)用軟件；而后者則用來處理無線協(xié)議，執(zhí)行射頻實(shí)時(shí)任務(wù)，可以有效減輕主處理器的工作負(fù)荷。

這種“兩核分離”的架構(gòu)還有一個(gè)好處：SoC中的射頻系統(tǒng)實(shí)際上是被“打包”成了一個(gè)獨(dú)立的射頻單元，雙核中的Cortex-M0/M0+核一般不開放給用戶使用，對(duì)于開發(fā)者來說，整個(gè)系統(tǒng)就像是一個(gè)單核MCU，因此可以更專注于在Cortex-M3/M4主處理器上的應(yīng)用開發(fā)，整個(gè)系統(tǒng)的開發(fā)工作也就得以簡化了——而如果是單核架構(gòu)的無線SoC，則既需要處理應(yīng)用程序，又需要處理協(xié)議棧，設(shè)計(jì)流程更為復(fù)雜。所以，如果不是有特殊的要求，雙核架構(gòu)的無線SoC無疑是更好的選擇。

安全特性

在物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用中，“安全問題具有一票否決權(quán)”已經(jīng)成為了大家的共識(shí)，因此安全特性也一定是無線SoC設(shè)計(jì)中的必選項(xiàng)。

無線SoC的安全性可以從以下幾個(gè)方面來衡量，如：是否內(nèi)置了安全性功能模塊（如硬件加密加速器、真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器等）；是否采用了具有安全性的CPU內(nèi)核（如支持Arm TrustZone的內(nèi)核）；是否可以提供配套的軟件資源等。有的無線SoC還會(huì)專門配置一個(gè)安全協(xié)處理器去運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)安全相關(guān)協(xié)議，提供更強(qiáng)的安全性能支持。

更為重要的一點(diǎn)是，無線SoC廠商是否可以將上述這些安全機(jī)制，整合成一個(gè)完整的解決方案，滿足實(shí)際應(yīng)用中的安全策略所需，這樣就可以大大減少用戶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(quán)威的安全認(rèn)證，就更是能夠讓用戶吃下一粒“定心丸”。

低功耗

大多數(shù)的無線物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備都是功耗敏感型的，尤其像Sub-GHz這樣的應(yīng)用，覆蓋范圍廣，維護(hù)難度大，當(dāng)然需要更強(qiáng)的續(xù)航能力，更突出的低功耗特性。

應(yīng)對(duì)功耗挑戰(zhàn)，無線SoC常用的策略有兩點(diǎn)。一是更精細(xì)的功耗分級(jí)管理，即芯片可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求來激活/關(guān)閉相應(yīng)的功能模塊，減少無謂的電能消耗；二是將主處理器的工作卸載到專門的協(xié)處理器和外設(shè)硬件上，盡可能減少主處理器這個(gè)能耗大戶的工作時(shí)間。當(dāng)然，采用更先進(jìn)的工藝、低功耗的處理器架構(gòu)等，也都是在優(yōu)化低功耗特性上可以發(fā)力的地方，進(jìn)而提升無線SoC整體的功耗表現(xiàn)。

外設(shè)功能

既然叫無線“SoC”，也就意味著除了核心的處理器內(nèi)核、存儲(chǔ)器等計(jì)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(shè)資源也是能夠體現(xiàn)出SoC產(chǎn)品差異化的地方，需要根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行細(xì)致地評(píng)估。比如，在對(duì)信號(hào)鏈處理有較高要求的應(yīng)用中（如傳感器系統(tǒng)），就要仔細(xì)查看模擬功能的規(guī)格；如果對(duì)數(shù)據(jù)交互和可擴(kuò)展性方面要求更多，則要重點(diǎn)觀察接口資源的配置。有經(jīng)驗(yàn)的無線SoC供應(yīng)商，通常會(huì)根據(jù)市場的需要和自己的經(jīng)驗(yàn)，在這些外設(shè)資源和成本等要素之間做很好的平衡，定義出相應(yīng)的產(chǎn)品，獲得盡可能大的用戶價(jià)值。

上面說了這么多，具體到實(shí)際工作中，應(yīng)該怎樣選擇一顆滿意的無線SoC？下面我們就通過一個(gè)實(shí)例進(jìn)行說明。 Sub-GHz單芯片方案Silicon Labs公司推出的EFR32FG23Flex Gecko SoC，是一款專為網(wǎng)絡(luò)化智能家居、安防、照明、樓宇自動(dòng)化和智能表計(jì)等應(yīng)用而設(shè)計(jì)的Sub-GHz單芯片方案，如果按照上文所述幾個(gè)無線SoC要素來衡量，EFR32FG23在各個(gè)方面的表現(xiàn)都是可圈可點(diǎn)的。

圖1：EFR32FG23 Flex Gecko無線SoC（圖源：Silicon Labs）

從芯片架構(gòu)上看，EFR32FG23采用了主流的雙核架構(gòu)：一顆Cortex-M0+內(nèi)核專司射頻子系統(tǒng)的工作；主控處理器則采用了一顆主頻達(dá)80MHz、帶有DSP指令和浮點(diǎn)單元的Cortex-M33內(nèi)核，可以滿足常規(guī)的物聯(lián)應(yīng)用設(shè)計(jì)需求。

圖2：EFR32FG23無線SoC系統(tǒng)框圖（圖源：Silicon Labs）

從無線和射頻功能上看，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)過專門優(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(xiàn)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(shù)值，與市面上其他同類無線SoC相比優(yōu)勢非常明顯。這也意味著，EFR32FG23在各種應(yīng)用場景下，可以為用戶提供更穩(wěn)定可靠的射頻功能。

表1：EFR32FG23接收器的靈敏度特性（圖源：Silicon Labs）

EFR32FG23還可支持多種調(diào)制方案（如2/4 （G）FSK、OQPSK DSSS、（G）MSK、OOK等），以及多種Sub-GHz的無線協(xié)議，包括Amazon Sidewalk、mioty、無線M-Bus、Z-Wave和其他專有物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，為開發(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(tǒng)的功耗表現(xiàn)來看，EFR32FG23的發(fā)射功率可高達(dá)+20dBm，而對(duì)應(yīng)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。這也為無線SoC整體功耗的控制提供了保障。

表2：EFR32FG23射頻系統(tǒng)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)過優(yōu)化的低功耗射頻子系統(tǒng)之外，從圖2中可以看出，EFR32FG23支持的功率管理級(jí)別多達(dá)5級(jí)（E0至E4），這也就意味著可以實(shí)施更為精細(xì)的按需供電管理，使得該器件可以很好地滿足低功耗、長距離無線連接應(yīng)用所需。以下是Silicon Labs提供的幾個(gè)功率級(jí)別下的典型功耗數(shù)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(yùn)行RTC）：1.5μA

EM2深度睡眠模式（16kB RAM保留并從LFRCO運(yùn)行RTC）：1.2μA

此外，在外設(shè)方面，EFR32FG23提供的資源也極為豐富，從模擬、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，到通信接口一應(yīng)俱全，還包括低功耗LCD控制器、鍵盤掃描儀 （KEYSCAN）、芯片溫度傳感器等很“貼心”的功能模塊，為應(yīng)用開發(fā)帶來了極大的便利性和可擴(kuò)展性。

EFR32FG23豐富的外設(shè)資源

數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC）

- 12位 @1Msps- 16位 @76.9ksps

2× 模擬比較器 （ACMP）

2× 數(shù)模轉(zhuǎn)換器 （VDAC）

低能耗傳感器接口 （LESENSE）

多達(dá)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(tǒng) （PRS）

4個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，帶3個(gè)比較/捕獲/PWM 通道

1個(gè)32 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，帶3個(gè)比較/捕獲/PWM 通道

32位實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)器

用于波形生成的24位低能耗定時(shí)器

16位脈沖計(jì)數(shù)器（異步操作）（PCNT）

2× 看門狗定時(shí)器

3× 升級(jí)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(dá)80個(gè)分段

鍵盤掃描儀支持高達(dá)6x8矩陣 （KEYSCAN）

芯片溫度傳感器，在整個(gè)溫度范圍內(nèi)具有+TBD/-TBD°C 的精度

經(jīng)過PSA認(rèn)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(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)的硬件加密加速、真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器 （TRNG）、基于硬件信任根的安全啟動(dòng)、安全調(diào)試、物理篡改、安全認(rèn)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(shí)產(chǎn)權(quán)受損的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，EFR32FG23所采用的Cortex-M33內(nèi)核還支持Arm TrustZone安全特性，也是下一代安全敏感型MCU的標(biāo)配。

Silicon Labs將上述這些安全特性統(tǒng)合在一起，形成了一個(gè)完整的Secure Vault解決方案，并獲得了來自Arm的PSA認(rèn)證項(xiàng)目和ioXt 聯(lián)盟（ioXt Alliance）等第三方物聯(lián)網(wǎng)的安全認(rèn)證。不夸張地講，SecureVault技術(shù)是當(dāng)今物聯(lián)網(wǎng)無線SoC先進(jìn)硬件和軟件安全保護(hù)功能的集大成者，可以簡化開發(fā)、加快產(chǎn)品上市時(shí)間并幫助設(shè)備制造商開發(fā)面向未來的產(chǎn)品。

圖3：Secure Vault技術(shù)獲得了Arm的PSA 3級(jí)認(rèn)證（圖源：Silicon Labs）

Secure Vault的安全功能包括：

安全設(shè)備標(biāo)識(shí)

Silicon Labs的工廠信任部署服務(wù)帶有可選的安全編程服務(wù)，可為每個(gè)單獨(dú)的硅芯片在IC制造期間提供類似于出生證明的安全設(shè)備標(biāo)識(shí)證書，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(shè)備證書可確保芯片在其使用壽命內(nèi)的可靠性。

安全密鑰管理和存儲(chǔ)

設(shè)備和數(shù)據(jù)訪問安全方案的有效性直接依賴于密鑰的保密性。使用Secure Vault，可以對(duì)密鑰進(jìn)行加密并將其與應(yīng)用程序代碼隔離。由于使用PUF生成的主加密密鑰對(duì)所有密鑰進(jìn)行加密，因此提供了幾乎無限制的安全密鑰存儲(chǔ)。每一個(gè)設(shè)備的開機(jī)簽名都是獨(dú)一無二的，并且主密鑰在開機(jī)階段創(chuàng)建，從而無需主密鑰存儲(chǔ)，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(xiàn)的產(chǎn)品外殼防篡改功能到通過電壓、頻率和溫度操作對(duì)硅芯片進(jìn)行復(fù)雜的篡改檢測?？膳渲玫拇鄹捻憫?yīng)功能使得開發(fā)人員可以設(shè)置適當(dāng)?shù)捻憫?yīng)動(dòng)作，包括中斷、復(fù)位或在極端情況下刪除密鑰。

可見，有了Secure Vault安全功能的加持，不僅能夠滿足現(xiàn)今物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的安全所需，也完全可以應(yīng)對(duì)未來的安全監(jiān)管措施和法規(guī)的要求，為Sub-GHz無線設(shè)備提供一道穩(wěn)固的安全防線。

設(shè)計(jì)生態(tài)已就緒

總結(jié)一下，作為Silicon Labs公司Series2平臺(tái)系列產(chǎn)品中的一員，EFR32FG23提供了遠(yuǎn)距離互連和低功耗的特性，以及豐富的外設(shè)功能，且通過了Arm PSA 3級(jí)安全認(rèn)證，可以說是電池供電的高性能Sub-GHz無線解決方案的理想選擇。同時(shí)，EFR32FG23在射頻方面支持多種調(diào)制方案和無線協(xié)議，為開發(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(nèi)的市場適應(yīng)性和可擴(kuò)展性也很強(qiáng)，是一款各方面綜合表現(xiàn)都很優(yōu)秀的無線SoC產(chǎn)品。

值得一提的是，得益于Series2平臺(tái)資源的支持，與EFR32FG23配套的設(shè)計(jì)生態(tài)也已經(jīng)就緒。比如在開發(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開發(fā)套件，就是一款外形緊湊、功能豐富的開發(fā)平臺(tái)，支持FG23的板載分段LCD控制器以及LESENSE和脈沖計(jì)數(shù)器等關(guān)鍵特性，能夠加速開發(fā)者的器件評(píng)估和原型開發(fā)進(jìn)程。

圖4：FG23 868MHz至915MHz +14dBm開發(fā)套件（圖源：Silicon Labs）

圖5：FG23 868MHz至915MHz +14dBm開發(fā)套件系統(tǒng)框圖（圖源：Silicon Labs）

總之，EFR32FG23不僅是開發(fā)Sub-GHz長距離、低功耗無線物聯(lián)應(yīng)用的理想選擇，從它身上你也能夠看到一顆優(yōu)秀無線SoC應(yīng)該具備的能力和實(shí)力。有了這樣的認(rèn)知，面對(duì)未來千億級(jí)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備市場，想必你一定是信心滿滿了吧！