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由于 Wi-Fi 帶寬高且普遍存在，因此仍是許多物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 設(shè)備的主要連接方式。但是，對于可穿戴設(shè)備和其他電池供電的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備來說，傳統(tǒng) Wi-Fi 解決方案的電源要求會讓持續(xù) Wi-Fi 連接變得不切實際，通常要求開發(fā)人員在設(shè)備功能、性能或電池續(xù)航時間方面做出一些取舍。
對于某些團隊而言，雖然可以選擇設(shè)計定制的 Wi-Fi 解決方案來實現(xiàn)低功耗優(yōu)化，但這可能是一項昂貴且耗時的工作，尤其是在缺乏合格射頻設(shè)計人員的情況下。這時就需要一個更完整的解決方案，能夠讓低功耗物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備實現(xiàn)持續(xù) Wi-Fi 連接。
本文將說明開發(fā)人員如何使用 Dialog Semiconductor 的無線片上系統(tǒng) （SoC） 器件內(nèi)置的低功耗功能實現(xiàn)持續(xù) Wi-Fi 連接。
移動設(shè)備支持 Wi-Fi 連接所面臨的挑戰(zhàn)
對于圍繞個人移動產(chǎn)品、智能家居設(shè)備和樓宇自動化系統(tǒng)等構(gòu)建的各種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，Wi-Fi 具備這些應(yīng)用所需的普遍存在性和性能特征。但是，以往 Wi-Fi 子系統(tǒng)的電流消耗相對較高，迫使開發(fā)人員犧牲電池供電型物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的電池續(xù)航時間或信號強度。
傳統(tǒng) Wi-Fi 解決方案的高功率要求給物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)人員帶來了更多挑戰(zhàn)。例如，要同時實現(xiàn) Wi-Fi 連接性和更長的電池續(xù)航時間，就需要容納更大的電池，這可能會增加設(shè)計尺寸和復(fù)雜性。對于可能無法使用較大電池的可穿戴設(shè)備或許多物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，嘗試通過降低 Wi-Fi 信號強度（及相關(guān)功耗）來延長電池續(xù)航時間可能也不行。
除了這些問題，物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)人員還面臨著典型 Wi-Fi 信號環(huán)境的實際限制，因為多路干擾和其他射頻 （RF） 信號特性可能導(dǎo)致信號強度發(fā)生顯著變化。在諸如筆記本電腦之類的應(yīng)用中，消費者只需將筆記本電腦移動到 Wi-Fi 信號更好的位置就能解決問題。相比之下，智能鎖或家用電器無論安裝在何處，都需要保持可靠的連接性和穩(wěn)定性能。
為了實現(xiàn)更長的電池續(xù)航時間和穩(wěn)定的 Wi-Fi 信號強度，開發(fā)人員通常會充分利用大多數(shù)高級處理器、無線電和其他復(fù)雜硬件元器件中提供的低功耗休眠模式。開發(fā)人員可以這樣進行設(shè)計實現(xiàn)，即最大限度延長高耗電設(shè)備各自處于低功耗模式的時間，進而延長系統(tǒng)設(shè)計的電池續(xù)航時間，這樣通常對系統(tǒng)功能的影響很小。在這些設(shè)計中，低功耗計時器會周期性地短暫喚醒系統(tǒng)，以讀取并無線傳輸傳感器數(shù)據(jù)，然后再返回休眠模式。
但是，對于某些物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備需要保持與 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)的持續(xù)連接，以確?？焖夙憫?yīng)通過移動應(yīng)用、臺式機軟件或其他設(shè)備發(fā)出的用戶命令。例如，智能家居中的智能鎖、電燈和開關(guān)需要保持連接狀態(tài)，以對用戶命令做出即時響應(yīng)。對于用戶而言，遲遲等待基于計時器的器件最終喚醒，檢測命令并最終打開門鎖或電燈是完全無法接受的。
Dialog Semiconductor 的 DA16200 SoC 和相關(guān)模塊提供了有效的低功耗解決方案，能夠滿足持續(xù) Wi-Fi 連接和延長電池續(xù)航時間的要求。
使用無線 SoC 實現(xiàn) Wi-Fi 連接
DA16200 SoC 專為電池供電的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計打造，將 Arm? Cortex?-M4F 和運行完整網(wǎng)絡(luò)堆棧的完整 Wi-Fi 無線電子系統(tǒng)結(jié)合在一起，無需外部網(wǎng)絡(luò)處理器或主機處理器即可提供堆棧功能。除了無線電子系統(tǒng)，該器件還集成了物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計中通常需要的全套功能塊和接口（圖 1）。
圖 1：Dialog Semiconductor 的 DA16200 SoC 提供了完整的 Wi-Fi 解決方案，能夠提供持續(xù) Wi-Fi 連接，同時消耗最小的電流。（圖片來源：Dialog Semiconductor）
除了多個標(biāo)準(zhǔn)接口，該器件還包括一個 4 通道 12 位逐次逼近寄存器 （SAR） 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC），以支持模擬信號采集。
為了執(zhí)行應(yīng)用，DA16200 包含多個內(nèi)部存儲器，包括：
用于引導(dǎo)加載程序、系統(tǒng)內(nèi)核、網(wǎng)絡(luò)堆棧和驅(qū)動程序的只讀內(nèi)存。
用于程序數(shù)據(jù)的靜態(tài)隨機存取存儲器 （SRAM）。程序代碼在通過設(shè)備的外部串行閃存接口訪問的串行閃存上進行芯片內(nèi)執(zhí)行 （XIP）。
用于存儲設(shè)備信息以及加密密鑰和安全引導(dǎo)加載程序的一次性可編程 （OTP） 存儲器。由于 OTP 數(shù)據(jù)只能通過 OTP 控制器訪問，而對通過系統(tǒng)總線進行的常規(guī)數(shù)據(jù)訪問將保持不可見，因而 OTP 數(shù)據(jù)保持安全。
為了幫助開發(fā)人員滿足對互聯(lián)設(shè)備安全性不斷增長的需求，DA16200 SoC 集成了廣泛的安全性機制，包括用于高級加密標(biāo)準(zhǔn) （AES）、安全散列算法 （SHA） 和其他加密法的加密引擎，以及對傳輸層安全 （TLS） 協(xié)議的支持。該器件還包括 Arm TrustZone CryptoCell-312 （CC312） 安全知識產(chǎn)權(quán) （IP）。CC312 專為低功耗設(shè)備而設(shè)計，支持安全引導(dǎo)并為安全應(yīng)用提供信任根。
借助一個綜合射頻模塊，該器件簡化了 Wi-Fi 連接。除了內(nèi)置的 802.11 媒體訪問控制 （MAC） 和 802.11b/g/n 物理 （PHY） 層，無線子系統(tǒng)還包括一個片上收發(fā)器，該收發(fā)器集成了功率放大器 （PA） 和低噪聲放大器 （LNA），消除了對外部有源元器件的需求。在運行中，DA16200 的 Arm Cortex-M4F 處理器執(zhí)行嵌入式傳輸控制協(xié)議/互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議 （TCP/IP） 堆棧，以卸載系統(tǒng)主機處理器的連接性操作。
DA16200 SoC 集成了 DC-DC 轉(zhuǎn)換器、低壓差 （LDO） 穩(wěn)壓器和電源開關(guān)，以便為包括射頻模塊在內(nèi)的各種模塊供電。在器件的實時時鐘 （RTC） 模塊的管理下，轉(zhuǎn)換器和 LDO 從單個 VBAT 電池電源生成所有所需的電源軌。DC-DC 轉(zhuǎn)換器從 VBAT 為射頻模塊和數(shù)字 LDO 產(chǎn)生 1.4 V 電壓，I/O LDO 為外部閃存和器件的通用 I/O （GPIO） 生成其所需的 1.8 V 電壓（圖 2）。
圖 2：DA16200 SoC 的電源管理單元控制著該器件的集成電源組件，向其獨立功率域供電。（圖片來源：Dialog Semiconductor）
DA16200 SoC 的電源管理單元通過管理器件的三種低功耗（休眠）模式，來控制這些獨立電源域的電源：
Sleep 1 模式提供 0.2 微安 （μA） 的最低運行功耗：在此模式下，器件大多數(shù)時間會關(guān)閉電源，但會在 150 毫秒 （ms） 內(nèi)喚醒，以便在外部觸發(fā)信號傳遞給 SoC 的兩個喚醒引腳或多個數(shù)字 I/O 之一時，或者當(dāng)模擬輸入信號超過預(yù)定義的閾值時做出響應(yīng)。
Sleep 2 模式僅消耗 1.8 μA 的電流，同時保留 RTC 功能：在此模式下，SoC 會在不到 100 ms 內(nèi)喚醒，以便在發(fā)生外部喚醒事件時或編程的內(nèi)部定時器完成定時后做出響應(yīng)。
Sleep 3 模式提供了獨特的持續(xù)連接 Wi-Fi 模式，該模式可以消耗最小的電流，并在檢測到傳入 Wi-Fi 數(shù)據(jù)包后的不到 2 ms 內(nèi)喚醒：如下所述，將休眠模式 3 與常規(guī) TCP 保持活動功能結(jié)合使用，為實現(xiàn)平均電流消耗小于 50 μA 的持續(xù) Wi-Fi 連接功能提供了基礎(chǔ)。
動態(tài)電源管理技術(shù)可實現(xiàn)持續(xù)的 Wi-Fi 連接
這些低功耗休眠模式的基礎(chǔ)是 Dialog Semiconductor 專有的動態(tài)電源管理 （DPM） 技術(shù)，該技術(shù)可以關(guān)閉未使用的片上微元件，從而在設(shè)備不傳輸或接收數(shù)據(jù)時將功耗降至最低。在 Wi-Fi 操作期間，DPM 使用高級算法在需要時喚醒所需的微元件，從而將傳輸和接收無線電操作期間的功耗降至最低。
Dialog Semiconductor 的 DA16200 軟件開發(fā)套件 （SDK） 通過其 DPM Manager 應(yīng)用程序編程接口 （API） 來抽象化電源管理和 DPM 操作的細節(jié)。對于定制軟件開發(fā)，SDK 允許訪問 DA16200 應(yīng)用程序和系統(tǒng)服務(wù)的軟件堆棧（圖 3）。
圖 3：DA16200 SoC 的軟件架構(gòu)提供了支持物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中標(biāo)準(zhǔn) Wi-Fi 連接所需的全套系統(tǒng)和應(yīng)用程序服務(wù)。（圖片來源：Dialog Semiconductor）
結(jié)合使用 DPM Manager 和 NetX Duo TCP/IP 庫實現(xiàn)持續(xù) Wi-Fi 連接。NetX Duo 庫提供 TCP 保持活動 （keepalive） 功能，該功能將不含數(shù)據(jù)的 TCP 數(shù)據(jù)包發(fā)送到 Wi-Fi 路由器，從而確保路由器保持 Wi-Fi 連接處于活動狀態(tài)。開發(fā)人員只需將當(dāng)前的 TCP 套接字選項 keepalive_enabled 設(shè)置為 true 即可調(diào)用此功能，并提供保持活動數(shù)據(jù)包之間的秒數(shù) keepalive_timeout。NetX Duo 會根據(jù)需要自動傳輸保持活動幀。
當(dāng)保持活動數(shù)據(jù)包維持與路由器或其他主機之間的網(wǎng)絡(luò)連接時，DA16200 從 Sleep 3 模式喚醒的能力依賴于檢測 802.11 管理幀中嵌入的標(biāo)準(zhǔn)流量指示圖 （TIM） 或傳送流量指示圖 （DTIM） 信息元素，并用于通知網(wǎng)絡(luò)站點（例如，基于 DA16200 的系統(tǒng)）有可用的網(wǎng)絡(luò)流量。當(dāng) DA16200 處于 Sleep 3 模式時，DA16200 的 DPM 技術(shù)可確保無線電子系統(tǒng)在尋找 TIM/DTIM 元素時使用最小的功率。當(dāng) DA16200 無線電子系統(tǒng)檢測到 TIM/DTIM 元素時，將喚醒 SoC 以開始處理正常的 Wi-Fi 流量，該過程與其他網(wǎng)絡(luò)站點一樣。
通過 DA16200 DPM Manager API，開發(fā)人員只需進行幾次直觀的調(diào)用即可實現(xiàn)此功能。在定義了所需的 DPM 配置（包括參數(shù)和回調(diào)）之后，開發(fā)人員將使用 DPM Manager API 函數(shù)調(diào)用來執(zhí)行調(diào)用或與 DPM Manager 進行交互。DA16200 DPM 的技術(shù)以透明化的方式處理 Sleep 3 模式的進入和退出操作。
SDK 中包含的示例應(yīng)用程序說明了實現(xiàn)此操作序列所需的基本設(shè)計模式（清單 1）。
#define TCP_CLIENT_KA_DPM_SAMPLE_DEF_KEEPALIVE_TIMEOUT 55
?。踠ines deleted］
void tcp_client_ka_dpm_sample_wakeup_callback（）
{
PRINTF（GREEN_COLOR “ ［%s］ DPM Wakeup\n” CLEAR_COLOR， __func__）;
dpm_mng_job_done（）; //Done operation
}
［lines deleted］
void tcp_client_ka_dpm_sample_recv_callback（void *sock， UCHAR *rx_buf， UINT rx_len，
ULONG rx_ip， ULONG rx_port）
{
int status = NX_SUCCESS;
//Display received packet
PRINTF（“ =====》 Received Packet（%ld） \n”， rx_len）;
tcp_client_ka_dpm_sample_hex_dump（“Received Packet”， rx_buf， rx_len）;
?。踠ines deleted］
dpm_mng_job_done（）; //Done operation
}
?。踠ines deleted］
void tcp_client_ka_dpm_sample_init_user_config（dpm_user_config_t *user_config）
{
?。踠ines deleted］
//Set DPM wakeup init callback
user_config-》wakeupInitCallback = tcp_client_ka_dpm_sample_wakeup_callback;
?。踠ines deleted］
//Set Recv callback
user_config-》sessionConfig［session_idx］.session_recvCallback =
tcp_client_ka_dpm_sample_recv_callback;
?。踠ines deleted］
//Set KeepAlive timeout
user_config-》sessionConfig［session_idx］.session_ka_interval =
TCP_CLIENT_KA_DPM_SAMPLE_DEF_KEEPALIVE_TIMEOUT;
?。踠ines deleted］
}
?。踠ines deleted］
void tcp_client_ka_dpm_sample（ULONG arg）
{
［lines deleted］
//Register user configuration
dpm_mng_regist_config_cb（tcp_client_ka_dpm_sample_init_user_config）;
//Start TCP Client Sample
dpm_mng_start（）;
return ;
}
清單 1：通過 DA16200 SoC，開發(fā)人員可以使用配置和一些 DPM API 函數(shù)調(diào)用來實現(xiàn)持續(xù) Wi-Fi 連接。（代碼來源：Dialog Semiconductor）
如清單 1 所示，開發(fā)人員主要使用初始化函數(shù) （tcp_client_ka_dpm_sample_init_user_config（）） 來實現(xiàn)此功能，該函數(shù)可設(shè)置各種配置參數(shù)，包括保持活動間隔 （TCP_CLIENT_KA_DPM_SAMPLE_DEF_KEEPALIVE_TIMEOUT），并提供各種回調(diào)，包括用于 DMP 喚醒的回調(diào) （tcp_client_ka_dpm_sample_wakeup_callback（）） 和用于處理傳入數(shù)據(jù)包的回調(diào) （tcp_client_ka_dpm_sample_recv_callback（））。要開始 TCP 保持活動和 DPM 喚醒序列，只需一個單獨的函數(shù) （tcp_client_ka_dpm_sample（）） 即可調(diào)用配置例程 （dpm_mng_regist_config_cb（tcp_client_ka_dpm_sample_init_user_config）） 和 DMP Manager （dpm_mng_start（））。
如前所述，整個序列（包括標(biāo)準(zhǔn) TCP 保持活動數(shù)據(jù)包和 DA16200 啟用 DPM 的 Wi-Fi 監(jiān)控）將實現(xiàn)平均電流消耗通常小于 50 μA 的持續(xù) Wi-Fi 連接能力。
可以使用相同的設(shè)計模式將 SoC 從其休眠模式喚醒，以處理其他操作。例如，示例應(yīng)用程序顯示了如何使用 DA16200 的 RTC 喚醒 SoC 來處理數(shù)據(jù)（清單 2）。
#define SAMPLE_FOR_DPM_SLEEP_3 // Sleep Mode 3
#define MICROSEC_FOR_ONE_SEC 1000000
#define RTC_TIMER_WAKEUP_ONCE 5 // seconds
#define RTC_TIMER_WAKEUP_PERIOD 10 // seconds
static void rtc_timer_dpm_once_cb（char *timer_name）
{
?。踠ines deleted］
static void rtc_timer_dpm_periodic_cb（char *timer_name）
{
/*
*Caution ： Don‘t spend a lot of time in the calback function called by timer.
*/
dpm_app_sleep_ready_clear（SAMPLE_RTC_TIMER）;
PRINTF（“\nWakeup due to Periodic RTC timer?。?！\n”）;
tx_thread_sleep（10）;
dpm_app_sleep_ready_set（SAMPLE_RTC_TIMER）;
}
?。踠ines deleted］
void rtc_timer_sample（ULONG arg）
{
?。踠ines deleted］
/* Periodic timer */
status = dpm_timer_create（SAMPLE_RTC_TIMER，
“timer2”，
rtc_timer_dpm_periodic_cb，
RTC_TIMER_WAKEUP_PERIOD，
RTC_TIMER_WAKEUP_PERIOD）;
?。踠ines deleted］
dpm_app_sleep_ready_set（SAMPLE_RTC_TIMER）;
?。踠ines deleted］
}
while （1）
{
/* Nothing to do.。. */
tx_thread_sleep（100）;
}
}
清單 2：開發(fā)人員可以使用 DA16200 通過幾個 DPM API 函數(shù)調(diào)用實現(xiàn)基于定時器的低功耗功能，以確保 DA16200 休眠期間的功耗最小。（代碼來源：Dialog Semiconductor）
如清單 2 所示，開發(fā)人員調(diào)用 DPM Manager API 函數(shù) （dpm_timer_create（）） 創(chuàng)建定時器 （SAMPLE_RTC_TIMER），并調(diào)用另一個 DPM Manager API 函數(shù) （dpm_app_sleep_ready_set（）） 來指示系統(tǒng)已準(zhǔn)備好進入休眠狀態(tài)。然后，DPM 引擎將根據(jù)當(dāng)前的活動確定系統(tǒng)可以多快返回低功耗休眠模式。稍后，當(dāng)定時器完成定時后，系統(tǒng)將執(zhí)行開發(fā)人員的回調(diào)函數(shù) rtc_timer_dpm_periodic_cb（），該函數(shù)將執(zhí)行所需的操作。在本例中，只是將通知打印到控制臺。操作完成后，相同的回調(diào)函數(shù)將執(zhí)行 dpm_app_sleep_ready_set（） 來通知 DPM 引擎系統(tǒng)已準(zhǔn)備好進入休眠狀態(tài)。和之前一樣，DPM 引擎會在適當(dāng)?shù)臅r候完成到休眠模式的轉(zhuǎn)換。
插入式模塊簡化了 Wi-Fi 設(shè)計
DA16200 SDK 簡化了軟件設(shè)計，而該器件廣泛的片上功能讓硬件接口設(shè)計變得相對簡單。結(jié)合使用 DA16200 SoC 和外部閃存設(shè)備（例如 Winbond Electronics 的 W25Q16JVSNIQ 16 Mb NOR 存儲器 IC）以及僅僅幾個附加元器件，開發(fā)人員就可以實現(xiàn)支持 Wi-Fi 的安全物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計（圖 4）。
圖 4：Dialog Semiconductor 的 DA16200 SoC 具有廣泛的集成功能，只需要一個外部串行閃存和極少的附加元器件即可實現(xiàn)一個完整的 Wi-Fi 系統(tǒng)。（圖片來源：Dialog Semiconductor）
對于基于 DA16200 SoC 進行設(shè)計的開發(fā)人員，可以轉(zhuǎn)而使用 Dialog Semiconductor 模塊加速開發(fā)，因為無需再針對 SoC 硬件接口進行設(shè)計。除了 DA16200 SoC，這些模塊還包括 4 MB 閃存、射頻組件以及可選的板載芯片天線 （DA16200MOD-AAC4WA32） 或用于外部天線 （DA16200MOD-AAE4WA32） 的 u.FL 連接器。這些尺寸僅為 13.8 x 22.1 x 3.3 毫米 （mm） 的模塊已通過 FCC、IC、CE 和其他監(jiān)管機構(gòu)的全面認(rèn)證，為實現(xiàn)低功率持續(xù) Wi-Fi 連接提供了插入式硬件解決方案。
希望探索持續(xù) Wi-Fi 連接并快速完成基于 DA16200 SoC 的物聯(lián)網(wǎng)原型設(shè)計的開發(fā)人員可以立即利用 Dialog Semiconductor DA16200MOD-DEVKT 開發(fā)套件的優(yōu)勢。該套件將 DA16200MOD 模塊與 USB 接口、按鍵和連接相結(jié)合，有助于加快基于 DA16200 的設(shè)計開發(fā)和調(diào)試。
總結(jié)
保持持續(xù) Wi-Fi 連接是筆記本電腦和其他互聯(lián)產(chǎn)品的常規(guī)功能。但是對于可穿戴設(shè)備和其他電池供電型物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備來說，傳統(tǒng) Wi-Fi 解決方案的電源要求會讓持續(xù) Wi-Fi 連接變得不切實際，通常要求開發(fā)人員在設(shè)備功能、性能或電池續(xù)航時間方面做出一些取舍。
Dialog Semiconductor 的 SoC 提供了一個完整的 Wi-Fi 解決方案，能夠在消耗最小電流的同時提供持續(xù)的 Wi-Fi 連接。如上所示，使用該 SoC 或其相關(guān)模塊，開發(fā)人員可以快速實現(xiàn)安全的電池供電型設(shè)備，為用戶帶來持續(xù) Wi-Fi 連接的優(yōu)勢，同時滿足其對延長電池續(xù)航時間的需求。
工商網(wǎng)監(jiān)
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