功耗和安全性嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的兩大擔(dān)憂

功耗與安全性是嵌入式系統(tǒng)設(shè)計師的兩大重要擔(dān)憂，尤其是在 IoT 傳感器命令和控制應(yīng)用程序中。

對于工業(yè) IoT 設(shè)計而言，微控制器不僅要自身的平均功耗盡可能低，還要具備讓設(shè)計的其余部分功耗降至最低的特性，這點非常重要。

對于低功耗或僅由電池供電型應(yīng)用，PIC24F 微控制器系列中采用的 Microchip 超低功耗 (XLP) 技術(shù)通過藍牙? LE (BLE) 連接讓 IoT 傳感器實現(xiàn)了極低功耗的基本命令和控制通信，并通過集成硬件加密引擎增強了安全性。

超低功耗

由于更多電子應(yīng)用程序要求低功耗或電池供電，節(jié)能成為首要問題。 目前的應(yīng)用程序必須具有低功耗，并且在某些極端情況下，僅通過一塊電池就可持續(xù)運行 20 年以上。 要實現(xiàn)諸如此類的應(yīng)用程序，采用 Microchip 超低功耗 (XLP) 技術(shù)的產(chǎn)品可提供非常低的休眠電流，而超低功耗應(yīng)用程序有 90-99% 的時間都處于該狀態(tài)。 如圖 1 所示，16 位 XLP 技術(shù)能讓休眠電流降至 40 nA，運行電流降至 180 μA/MHz。

閃存和引腳最小休眠電流帶 WDT 的最小休眠電流帶 RTCC 的最小休眠電流64-128 KB
28-44 引腳3.3 V 時 40 nA（典型值）3.3 V 時 270 nA（典型值）32 kHz、
3.3 V 時 400 nA（典型值）

圖 1：不同休眠模式的 PIC24FJ128GB204 電流消耗

該類型超低功耗器件的一個典范是 Microchip PIC24FJ128GB204 微控制器。 它具有多個用于極大降低功耗和靈活喚醒資源的功率管理選項，例如深度休眠狀態(tài)下，幾乎完全關(guān)機，但能通過內(nèi)部或外部觸發(fā)器喚醒，例如當(dāng)環(huán)境傳感器需要采集異步/定期讀數(shù)時。 休眠和待機模式選擇性地關(guān)閉外設(shè)和/或內(nèi)核，以大幅降低功耗，并可快速喚醒較關(guān)鍵的應(yīng)用程序中斷，如安全攝像頭運動檢測器。 打盹模式讓 CPU 能以比外設(shè)更低的時鐘速度運行，可選時鐘模式可實現(xiàn)實時切換至更低的時鐘速度，從而選擇性地降低功耗。 另一種新的休眠模式是低電壓保留休眠，它通過單獨的低壓穩(wěn)壓器向基礎(chǔ)電路供電。 它還帶有 Vbat 引腳，能讓器件對實時時鐘/日歷過渡到備用電池，以實現(xiàn)最低功耗。

具有多種靈活的休眠和喚醒模式來實現(xiàn)超低功耗的微控制器，對于功率受限應(yīng)用程序至關(guān)重要。 低功耗在所有系統(tǒng)功能中也非常重要，如通信。

低功耗通信

在感測數(shù)據(jù)和執(zhí)行代碼時，應(yīng)用程序需要盡快高效地處理并傳輸信息，然后返回休眠，以優(yōu)化電池壽命。 許多應(yīng)用程序僅需要簡單命令和控制，或者通過傳感器進行快速狀態(tài)更新。 通過滿足這些需求，低功耗藍牙 (LE) 已發(fā)展成支持這些低占空比應(yīng)用程序。 根據(jù)藍牙 SIG 規(guī)范頁面，“藍牙 LE—允許長程無線電連接的短脈沖，非常適合無需連續(xù)連接但依賴于長電池壽命的物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 應(yīng)用程序?！?BLE 在與常規(guī)藍牙技術(shù)相同的頻帶（2.400 GHz 到 2.4835 GHz ISM 頻帶）內(nèi)工作，但使用另一組通道和不同的調(diào)制技術(shù)。 您可以在藍牙 SIG 網(wǎng)站的規(guī)范中獲取更多關(guān)于 BLE 4.x 規(guī)范的信息。

Microchip 的 RN4020 支持 BLE，這是一款通過完全認證的藍牙版本 4.1 低功耗模塊，專為想要將低功耗無線能力加入產(chǎn)品的設(shè)計師打造。 這款外形小巧的表面貼裝模塊具有完整板載藍牙堆棧，通過 UART 接口的簡單 ASCII 命令進行控制。 RN4020（圖 2）包括所有藍牙 SIG 配置文件，以及用于定制數(shù)據(jù)的 MLDP（Microchip 低功耗數(shù)據(jù)配置文件）。 Microchip 還有其他支持更高版本 BLE 規(guī)范的產(chǎn)品，如 BM71 藍牙 (4.2) 低功耗模塊，專門設(shè)計用于輕松部署到各種應(yīng)用程序中。 它支持最新藍牙標(biāo)準(zhǔn)，可提升高達 2.5 倍的吞吐量，并且連接安全性比基于藍牙 4.1 的產(chǎn)品更高。

圖 2：Microchip RN4020 藍牙低功耗模塊

對于低功耗廣域網(wǎng) (WAN)，Microchip LoRa? 模塊提供板載 LoRaWAN? 協(xié)議堆棧。 LoRaWAN 協(xié)議可輕松連接至 LoRa 網(wǎng)關(guān)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，提供智能設(shè)備之間的無縫互操作性。

除了低功耗連接到互聯(lián)網(wǎng)外，許多應(yīng)用程序還有數(shù)據(jù)安全傳輸和存儲要求。

提供數(shù)據(jù)保護的集成硬件加密

安全數(shù)據(jù)存儲對許多應(yīng)用程序都很重要，包括注重數(shù)據(jù)記錄的應(yīng)用程序、將數(shù)據(jù)保存到閃盤的應(yīng)用程序、或者需要從多個配置文件加載的應(yīng)用程序。 無論數(shù)據(jù)是通過某些類型的外部存儲器（如 EEPROM）存儲在板載 MCU 上，還是通過 USB 或無線發(fā)送到另一臺設(shè)備，加密對于保護數(shù)據(jù)完整性和保障通信至關(guān)重要。

Microchip PIC24FJ128GB204 微控制器系列包括全功能集成硬件加密引擎，支持 AES、DES 和 Triple DES。 所含的隨機數(shù)生成器用于創(chuàng)建數(shù)據(jù)加密/解密和身份驗證密鑰，并通過生成難以復(fù)制的密鑰提高安全性。 一次性可編程 (OTP) 密鑰存儲可保護加密密鑰被軟件讀取或覆蓋。

通過在硬件（而非軟件）中實施這些功能，可降低軟件開銷和處理帶寬。 集成硬件 AES 比軟件 AES 速度快 10 倍左右。 這種速度優(yōu)勢能讓您以更低的頻率運行 MCU，以節(jié)省功耗。 硬件保護非常適合低占空比應(yīng)用程序或低功耗嵌入式安全應(yīng)用程序，如安全攝像頭、門鎖和面板、智能卡讀卡器、POS 終端和投票機等。

PIC24FJ128GB204 產(chǎn)品系列采用的集成硬件加密引擎被視為獨立于內(nèi)核的外設(shè) (CIP)。 一旦在系統(tǒng)中初始化，CIP 便可提供穩(wěn)態(tài)閉環(huán)嵌入式控制，無需 MCU 內(nèi)核介入。 因此，這些器件簡化了復(fù)雜控制系統(tǒng)的實施，讓設(shè)計人員更加靈活地去創(chuàng)新。

帶有安全傳感器數(shù)據(jù)的 PIC24 XLP 器件就是如何實施這種嵌入式安全性的例子。

IoT 中的傳感器

根據(jù)需要檢測的事件性質(zhì)，IoT 應(yīng)用中有許多不同類型的傳感器。 傳感器分類包括環(huán)境、運動、光、物理、化學(xué)和電，還可進一步擴展到許多其他領(lǐng)域，如導(dǎo)航、光學(xué)、壓力、力學(xué)和近距離等。 最終目標(biāo)是在最終用戶或機器與捕捉數(shù)據(jù)或控制致動器的嵌入式系統(tǒng)之間創(chuàng)建交互。 顯然，藍牙應(yīng)用的用戶界面選擇正是移動技術(shù)。

Microchip 已開發(fā)出 PIC24 XLP 藍牙 LE IoT 演示（圖 3），展示了這種基本傳感器能力。 該演示采用 Microchip 標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)工具構(gòu)建，包括 Explorer 16 開發(fā)板、PIC24FJ128GB204 處理器插件模塊 (PIM) 和藍牙 LE PICtail Plus 子卡。 這些隨時可用的工具可讓您自行輕松重現(xiàn)該演示。 該演示由 MCU 固件和一款將在 Android 手機和平板電腦上運行的應(yīng)用程序提供支持。 第一個應(yīng)用程序是使用平板電腦上的觸摸鍵打開或關(guān)閉 LED，演示了基本的雙向命令和控制。 該應(yīng)用程序還展示了板載開關(guān)的狀態(tài)（打開和關(guān)閉）。 該演示還包括采用 PIC24FJ128GB204 MCU 集成加密引擎的數(shù)據(jù)安全（最多 128 位 AES），以及連接到其中一個微控制器 A/D 通道的 Microchip TC1074A 模擬輸出熱傳感器。

圖 3：Microchip PIC24F XLP 藍牙 LE IoT 演示

讓安全 IoT 傳感器數(shù)據(jù)接入云端可帶來諸多益處，繼續(xù)閱讀以了解更多。

連接到云

對于 IoT 設(shè)備，連接到云有許多益處。 例如，遠程命令和控制、遠程診斷和現(xiàn)場再編程能力、配置文件和狀態(tài)、以及推送通知等。 將您的 IoT 產(chǎn)品接入云端的潛在途徑有許多種。 一些常見配置包括 1) 通過路由器的 Wi-Fi?，2) 通過手機連接的藍牙，3) 通過路由器的以太網(wǎng)，4) 通過網(wǎng)關(guān)的 LoRa，以及 5) 通過網(wǎng)關(guān)和路由器的 MiWi。 通過各種無線解決方案、傳感器和超低功耗微控制器，Microchip 產(chǎn)品可實現(xiàn)端到端的 IoT 解決方案，包括最終產(chǎn)品和所需連接，幫助您成功將嵌入式系統(tǒng)連接到云。

結(jié)論

功耗和安全性是嵌入式系統(tǒng)設(shè)計師的兩大重要擔(dān)憂，不僅是微處理器，IoT 設(shè)計的其余部分亦然。 對于低功耗或電池供電型應(yīng)用，Microchip 擁有一整套適合這些應(yīng)用的產(chǎn)品，包括具有極低電流的超低功耗 (XLP) 技術(shù)微控制器，通過集成硬件加密引擎解決安全問題，還提供多種連接到云的通信途徑。