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给通用MCU芯片架上低功耗蓝牙的桥梁

时间:2018-12-13 阅读:
曾经“井水不犯河水”的无线技术开始万众一“芯”。在物联网世界中,各种无线互连技术相互之间的竞争互有攻守,各成其就,不过时至今日,在碎片化的IoT市场“一家通吃”是一个不可完成的任务,“共存”成为一个可行的选择。通过通用无线标准,将不同平台的应用连接在一起,是发展IoT世界的核心任务……
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跨平台,跨生态的无线连接方案成为物联网世界的唯一选择

曾经“井水不犯河水”的无线技术开始万众一“芯”。在物联网世界中,各种无线互连技术相互之间的竞争互有攻守,各成其就,不过时至今日,在碎片化的IoT市场“一家通吃”是一个不可完成的任务,“共存”成为一个可行的选择。通过通用无线标准,将不同平台的应用连接在一起,是发展IoT世界的核心任务。pSvEETC-电子工程专辑

低功耗蓝牙作为消费电子市场中最廉价的通用无线技术,因为海量的手机市场的生态完善,成为渗透率最高的无线技术。根据2018《蓝牙市场最新资讯》的预测,到2022年,97%出货的蓝牙芯片将会采用低功耗蓝牙技术。这份报告同样指出,仅今年的蓝牙点对点数据传输设备出货量就将超过5.5亿件。pSvEETC-电子工程专辑

同时,物联网、工业4.0、AI、智能驾驶等新兴应用对MCU提出了更多新的要求,包括处理能力提升、数据采集速度与精度、通信协议接口、可靠性和稳定性等,相应地需要高性能、低功耗、高可靠性、超大容量Flash和RAM,支持多种网络接口、无线技术和OTA(空中升级),以及严格的功能安全和网络安全。这些新技术将引领新一代MCU的技术升级。“随着无线技术的成熟,无线功能作为MCU的标准外设迟早都要到来。”一直做MCU研究的业界专家唐晓泉总结说。pSvEETC-电子工程专辑

然而,当以低功耗蓝牙技术作为通用无线技术来连接不同MCU物联网平台并面向应用时,面临许多问题:如何配置芯片的硬件资源,支持不同的应用需求;如何在芯片复杂性增加的前提下,依然保持高可靠低成本特性;如何提高无线应用的可靠、易用的开发工具等。。。pSvEETC-电子工程专辑

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通用MCU面临的无线技术鸿沟

多年来,对于通用MCU芯片厂商,面临的最大挑战就是在激烈的市场竞争中保持差异化,高品质,方案解决能力和完善配套开发软件。差异化意味着MCU芯片的定义需要面对市场需求快速收敛。通常一颗MCU产品从定义到面向市场,大约3~6个月时间。pSvEETC-电子工程专辑

然后,以蓝牙为代表的射频技术,与MCU的设计制造应用流程有诸多不同:pSvEETC-电子工程专辑

1. 开发一款射频SOC芯片的周期远远长于开发一款MCU芯片。在设计上,射频技术的工作频率通常在1GHz以上,处理的是在时间和强度上连续分布的模拟信号。而MCU技术通常在100MHz,处理的是在时间离散的“0”和“1”的逻辑信号。这两种芯片设计的数学物理模型和实现方法有巨大差异,需要完全不同的知识背景的设计人才,他们的工作经验,设计流程和思维方式也截然不同。通常一颗全新的射频芯片,在有5年以上设计经验的设计者的工作下,开发周期在2~5年左右。在生产制造上,射频芯片通常需要用到诸如片上电感,介质电容等射频技术特有的工艺流程。而MCU制造通常会用到诸如Flash工艺等。这两类制造工艺几乎不能完全复用,因而,在晶圆制造成本上是叠加的。同时,在芯片的封装,测试和品控标准上,射频芯片的设备造价和流程复杂度远高于MCU。pSvEETC-电子工程专辑

2. 在芯片的应用开发上,射频芯片的开发者需要更多的射频经验来解决信号干扰,反馈和匹配等问题,所需要的调试仪器,如频谱分析仪,网络分析仪等,都是与MCU生态中的仪器不一样。MCU方案的调试,主要是解决功能问题,而射频方案的开发更多的工作是解决PCB上的信号完整性问题。因而对开发者提出更高的要求。pSvEETC-电子工程专辑

综上,MCU芯片和射频芯片,在开发技术,知识积累,应用开发上,设计周期上和流程上将会遇到极大的差异。这就是我们看到MCU公司的无线部门很难发展壮大的重要原因。这些问题,不仅仅在国际大牌MCU公司中存在,在国内的MCU公司,这一问题应该更加严重。pSvEETC-电子工程专辑

用通用BLE射频前端作为跨越的桥梁

 MCU产品的差异化意味着在碎片化的物联网市场,采用传统意义上的SOC(片上系统)设计,将射频电路和MCU集成在同一晶圆上,对于MCU公司来说是个巨大的负担,包括人员,设计环境,工艺制造,IP授权,研发管理等等。这些,对于面向碎片化市场的MCU公司,都是极不经济,也不现实的。如何让MCU用最快和最经济的方法装上无线功能,“插上低功耗蓝牙的翅膀”。是我们一起共同面对的问题。pSvEETC-电子工程专辑

 一颗价廉物美品质有保证的BLE射频前端芯片通过简单接口,与通用MCU芯片通信,是一个优化的无线MCU的解决方案。在这个解决方案中,射频芯片的设计,制造和质量管控遵循模拟射频芯片电路的流程来完成,而通用MCU芯片按照传统逻辑芯片电路的流程来完成。这样,整体的性价比和Time-to-Market的时间将大大缩短。而MCU芯片可以将主要的设计力量投放在与应用相关的开发上。这样,让整个设计流程和投入变得简单而有效。pSvEETC-电子工程专辑

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两颗芯片通过PCB模组或合封的方式来完成功能组合。这一工作,可以通过MCU或射频芯片原厂来完成,也可以通过方案商来完成。射频芯片厂家通过提供芯片驱动和软件协议栈来支持无线功能的实现。pSvEETC-电子工程专辑
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这样,通过通用BLE射频芯片和多样化的MCU芯片组合,厂家可以快速组合出多样化的灵活的BLE单芯片或模块化解决方案,来适应不同的生态需求和市场需求。pSvEETC-电子工程专辑

通用无线射频的功能和特点

射频芯片与MCU之间的接口要非常简单和通用。SPI接口是MCU行业最常用的兼容性最好的接口。这种接口不限于两颗芯片之间的时钟异步,对信号的传输成功率有很好的保证。pSvEETC-电子工程专辑
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射频芯片结构简单,性价比高。射频芯片的结构要足够简单,成本低,封装或晶圆面积要足够小,以便于模块和合封方案的设计。pSvEETC-电子工程专辑

射频芯片对应的协议栈设计精简。协议栈如果用软件来实现,并运行在MCU上的情况下,代码和程序所占用的空间和运算量会影响MCU的应用程序的开发能力,也会是MCU生态最大的考量。代码精简的协议栈将是降低MCU接入门槛的最大因素。pSvEETC-电子工程专辑

射频芯片供应商要提供完整的兼容性保障。蓝牙兼容性是所有蓝牙芯片供应商面临的最棘手也是最开放的问题。快速,及时,有效的解决客户产品的兼容性问题,是通用蓝牙射频芯片供应商所提供的最重要的技术保障。pSvEETC-电子工程专辑

射频芯片供应商不仅能够提供封装片,还能提供晶圆合封生产中的封装测试的专业支持。提供小体积的封装片不仅仅能够满足系统验证和早期调试的要求,还能够满足一部分小批量的方案商的需求。同时,芯片供应商需要提供完整的射频测试的流程支持。这部分的专业技能,是MCU公司所不具备的。pSvEETC-电子工程专辑

业界性价比最高的通用BLE射频前端芯片:MG126

 如何可以给现有MCU快速增加BLE功能,提供BLE协议栈集成和SIP方案,可以使MCU厂商经济、快速的集成BLE,更好的适应物联网市场。在行业中能够提供通用BLE无线前端芯片的公司凤毛麟角。这种芯片硬件设计非常精简,但是其配合的协议栈和软件支持上需要长期对蓝牙和手机生态的经验,同时,需要设计者对各类MCU生态有深刻的了解。这种解决方案在技术跨度上非常大。上海巨微集成电路有限公司的提供的MG126就是其中的佼佼者。pSvEETC-电子工程专辑

 MG126面向MCU芯片生态,根据应用和功能需求的不同,搭配合适资源的MCU芯片,节省成本,提供高性价比的解决方案,灵活适应物联网的碎片化应用。pSvEETC-电子工程专辑

MG126使用独创的创新架构设计,采用常见的SPI通信接口,芯片本身不需要额外的唤醒信号已节省MCU IO资源。前端芯片包含RF和BLE数字基带,完成BLE广播和数据的接收/发送和调制/解调以及基带数据转换。BLE协议栈运行在MCU上,复用MCU强大的处理和控制能力,提高了MCU的资源利用率。该芯片采用QFN16封装,体积只有3mmX3mm。pSvEETC-电子工程专辑

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MG126创新的架构设计pSvEETC-电子工程专辑

在BLE协议栈设计上,上层协议严格按照分层设计和模块划分以增加设计独立性和代码可读性。Host协议栈包括L2CAP、ATT/GATT、GAP、SM,以及常用的profile,巨微协议栈符合BLE规范并通过了蓝牙SIG BQB认证测试。pSvEETC-电子工程专辑
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巨微BLE协议栈划分pSvEETC-电子工程专辑

同时巨微BLE协议栈充分优化和减少了对MCU的资源需求。以ARM Cortex-M0为例,实现BLE连接应用需要的系统资源如下:pSvEETC-电子工程专辑

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经过4年的不断打磨,同时结合15年在蓝牙领域的浸淫。巨微的蓝牙专家们设计出的独特的低功耗蓝牙协议栈解决方案,其代码量和运行消耗资源都远远优于国际主流相应IP的供应商。pSvEETC-电子工程专辑
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巨微提供基于客户MCU平台的BLE协议栈移植服务和常用BLE应用开发示例源码,对于SIP提供封装支持和BLE RF射频FT测试支持,帮助MCU厂商/客户跨越BLE射频芯片和协议栈的漫长开发,实现BLE产品快速Time To Market,达成合作共赢。pSvEETC-电子工程专辑

 基于客户MCU平台的协议栈移植服务,并提供数据透传的基带/协议栈库和代码pSvEETC-电子工程专辑
 其他HID等Profile,包括软件AESpSvEETC-电子工程专辑
 巨微RF芯片驱动pSvEETC-电子工程专辑
 MG126蓝牙射频芯片pSvEETC-电子工程专辑
 MG126晶粒供合封pSvEETC-电子工程专辑
 协议栈维护和支持pSvEETC-电子工程专辑
 射频FT测试解决方案pSvEETC-电子工程专辑
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值得一提的是,巨微所提供的通用射频前端芯片解决方案,不仅仅能够解决通用MCU公司的无RF芯之痛,省掉MCU公司大量的研发,IP和流片投入。同时,对于其他领域的芯片公司,比如传感器芯片,WiFi芯片,都可以快速组合,迅速产生对市场有价值的组合芯片和方案。pSvEETC-电子工程专辑

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