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探寻一颗“经得起未来考验”MCU的修仙之路

时间:2019-03-05 作者:邵乐峰 阅读:
根据Gartner的数据以及Dialog内部预估,2017-2021年,蓝牙低功耗(BLE)技术在以联网消费类应用、智能家居、智能家电为代表的IoT市场和汽车市场中的应用规模,将始终保持17%左右的年复合增长率。而作为全球领先的蓝牙芯片厂商,Dialog半导体的蓝牙低功耗SoC已经出货2.5亿套,年增长率超过50%。

根据Gartner的数据以及Dialog内部预估,2017-2021年,蓝牙低功耗(BLE)技术在以联网消费类应用、智能家居、智能家电为代表的IoT市场和汽车市场中的应用规模,将始终保持17%左右的年复合增长率。而作为全球领先的蓝牙芯片厂商,Dialog半导体的蓝牙低功耗SoC已经出货2.5亿套,年增长率超过50%。VmXEETC-电子工程专辑

为什么敢说自己全球最强?

Dialog SmartBond蓝牙低功耗SoC主要分为两个系列:DA145xx系列和DA146xx系列。前者主要面向低功耗和低成本市场,而最新推出的即将于上半年开始量产的DA1469x多核系列,则被Dialog半导体公司低功耗连接业务部总监Mark De Clercq称之为“目前全球最先进、功能最丰富的无线连接多核MCU”。VmXEETC-电子工程专辑

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Dialog半导体公司低功耗连接业务部总监Mark De ClercqVmXEETC-电子工程专辑

“在设计之初,我们其实考虑过Thread和IEE 802.15.4等协议。但坦率的讲,这两种协议目前的市场发展非常缓慢,所以我们决定只关注蓝牙市场,因为它的发展速度和发展潜力非常巨大。”Mark De Clercq说。VmXEETC-电子工程专辑

目前市场上高集成度无线MCU产品种类繁多,自称“全球最先进的无线MCU”,会不会让人觉得这是一种营销手段?但Mark De Clercq否认了这种看法,他认为DA1469x系列最核心的优势,在于能够在单芯片上集成高度复杂的模拟电路(比如触觉驱动器、自动电机控制器和白光LED驱动)和电源管理单元,这是其他竞争对手做不到的。VmXEETC-电子工程专辑

下图是DA1469x系列的结构框图。与之前的产品相比,DA1469x系列的处理能力提高了一倍、可用资源增加了四倍、电池续航能力增加了一倍。VmXEETC-电子工程专辑

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DA1469x结构框图VmXEETC-电子工程专辑

在大多数人的认知当中,芯片集成度当然是越高越好。但其实物联网是一个非常碎片化的市场,在一些相对比较低端或中低端的行业应用中,是不是可以通过采用“通用蓝牙射频前端+简单接口+通用MCU”的方法,也能解决很多的问题?VmXEETC-电子工程专辑

Mark de Clercq对此回应称,这两种方法都是可以的,取决于系统的需求和局限性。例如在可穿戴应用中,从最开始只有加速计,到后期不断添加心率监测、屏幕显示、触屏控制、陀螺仪,甚至包括更复杂的算法和更大的内存,但产品尺寸和电池续航能力却还要保持不变,在这种情况下,当然高集成方案更具优势。这也是为什么Dialog SmartBond蓝牙低功耗SoC分为两个系列的原因所在。VmXEETC-电子工程专辑

以DA14699为例,由于集成了PMIC、充电器模块、电平转换器、LRA驱动器、并行接口驱动等模块,其最多可节省38平方毫米的PCB面积,对可穿戴产品而言,这一数字十分惊人。VmXEETC-电子工程专辑

目前,Dialog SDK是围绕FreeRTOS构建的,FreeRTOS是一个开源操作系统,提供与AliOS和RT-Thread相同的特性和功能。生态系统支持方面,Dialog支持微信SDK,使得采用其平台构建的物联网设备能够与微信生态系统集成。VmXEETC-电子工程专辑

设计细节揭秘

DA1469x是第一个采用96MHz Arm Cortex-M33处理器的量产无线微控制器系列,能够向高端健身追踪器、先进智能家居设备和虚拟现实游戏控制器等计算密集型应用提供更强大的处理能力。VmXEETC-电子工程专辑

连接方面,DA1469x的目标是努力成为“经得起未来考验”的设计投资。因此,它不但支持蓝牙低功耗5.1版本中的到达角度(Angle of Arrival)和离开角度(Angle of Departure)特性,还通过结合基于Arm Cortex-M0+的软件可编程数据包引擎,并将覆盖范围提升至前代产品的两倍,即将输出功率从0dBM升至6dBM,接收灵敏度提高了4dBM,为楼宇门禁和远程无钥开锁系统等需要精准室内定位的设备开辟了新的机会。VmXEETC-电子工程专辑

为了增强DA1469x系列的传感功能,Dialog还为M33应用处理器和M0+协议引擎配备了传感器节点控制器(SNC)。该SNC基于可编程微型DSP,可自主运行并独立处理来自与其数字和模拟接口相连的传感器的数据,只在需要时唤醒应用处理器。VmXEETC-电子工程专辑

而之所以没有选择M23内核,Mark De Clercq解释说,他们在开发时的IP是基于M0+的,在对比了M0+和M23内核之后,最终认为两者之间的差别不足以让公司重新设计IP。VmXEETC-电子工程专辑

DA1469x共设有7个独立电源域,分为系统电源域、RAM电源域、射频电源域、通信电源域、外设电源域、计时器电源域,以及持续供电域,终极目标是为了实现“纳安级功率控制”。Mark De Clercq将DA1469x省电策略总结为三条:第一,多核多电源域,对系统模块电源做精细化管理;第二,按需调节电压与频率,灵活匹配应用场景;第三,加大集成度,减少板级占用面积以为电池留空间。VmXEETC-电子工程专辑

同时,该系列芯片电源管理单元(PMU)还提供3个稳压电源轨和1个LDO输出,在系统层面设有四种电源模式(工作模式与三种休眠模式)。工程师可以根据需要配置电压和频率,以适应不同的场景需求,例如Cortex M33内核既可以在1.2V供电时全速运行在96MHz频率,也可以在0.9V供电时用最低32KHz频率工作。或是通过控制不同的处理内核,在需要的时候激活它们为外部系统元件供电即可,无需额外的电源管理IC。VmXEETC-电子工程专辑

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DA1469x系统电源管理和控制VmXEETC-电子工程专辑

此外,DA1469x产品系列还提供高达144DMIPS、512kB片上RAM、内存保护、浮点单元、专用加密引擎等,提供端到端的安全性和可扩展的存储器,并支持一系列关键的增值接口,包括显示驱动器、音频接口、USB、高精度ADC、能驱动ERM和LRA电机的触觉控制驱动器、以及可编程步进电机控制器。VmXEETC-电子工程专辑

Dialog为开发人员提供了完整的软件开发套件,包括预先配制好的Eclipse集成开发环境和SDK、软件开发套件SmartSnippets Studio、以及用于调试、协议分析和测试的工具Connection Manager。VmXEETC-电子工程专辑

Mark de Clercq表示,Dialog蓝牙协议栈集成于一个非常全面完整的软件开发套件当中,这一软件开发套件提供了方便工程师开发应用的一切工具,而不需要工程师过多涉及软件。除了操作系统、LLD、中间件之外外,还有一系列应用层API,使得工程师不用去单个控制每一部分就可享受到这些功能。VmXEETC-电子工程专辑

与软件工具配套的是完整的硬件开发套件,包括集成了很多重要功能和特性的母板和DA14695/ DA14699硬件开发子板。值得一提的是,该硬件套件支持两个最受欢迎的接口,一个是mikroBUS,一个是Arduino,有助于客户使用现成的插拔式扩展板,在基础板上扩展更多功能,包括新的传感器、执行器、显示和用户界面等。VmXEETC-电子工程专辑

两个有趣的创新应用

蓝牙技术联盟在近日推出的蓝牙核心规范5.1版本中引入了期待已久“寻向功能”(direction finding),这一全新功能可帮助设备明确蓝牙信号的方向,进而帮助开发厘米级的室内定位、物品追踪、门禁与无钥开锁等应用。VmXEETC-电子工程专辑

到达角度(Angle-of-Arrival,AoA)和离开角度(Angle of Departure,AoD)是蓝牙5.1中主要采用的两种定位技术。前者通过测试发射器和接收器直接的到达方向然后通过三角定位获得发射器和目的物的方位和距离的技术,主要针对RTLS(实时定位系统)、物品追踪和地标信息;后者也是利用信号相位差技术,主要是针对室内定位系统(IPS)。VmXEETC-电子工程专辑

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Dialog提供的AoA演示方案VmXEETC-电子工程专辑

目前AOA定位提供两种方法,一种是广播式,设备无需配对即可以进行定位;另外一种则是点对点,需要配对成功以后才能进行定位,后一种方法更适于对安全要求较高的场景。VmXEETC-电子工程专辑

而在最为重要的天线设计方面,Dialog承诺将提供非常清晰的应用笔记和天线参考设计,确保客户设计出来性能最优的天线。VmXEETC-电子工程专辑

除了支持“寻向功能”外,DA1469x也是业内首款采用低功耗蓝牙技术传输高保真立体声的方案。也就是说,它将允许以BLE技术的功耗实现左右声道音频同步(时延约为1毫秒),这将让工程师更容易在蓝牙耳机音质与功耗的博弈中找到平衡。VmXEETC-电子工程专辑

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采用低功耗蓝牙技术实现高保真立体声方案VmXEETC-电子工程专辑

Mark de Clercq称这是真正的立体声传输。“我们有一个发射器,通过两个独立信道传输音频流,一个给左耳,一个给右耳,左右信道互相之间没有通信,这和经典蓝牙有明显不同。”不过,他也认同通过BLE传输Hi-Fi音频仍处于一个概念验证阶段,还需要在降低芯片功耗和协议标准制定方面加以提升。但,至少这一潜力已经得到有力证明。VmXEETC-电子工程专辑

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邵乐峰
ASPENCORE 中国区首席分析师。
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