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带翅膀的MCU

时间:2021-08-09 作者:顾正书 阅读:
据多家权威市调机构预测,到2025年全球AIoT市场规模将超过11万亿美元,AIoT将是未来3-5年最火爆的市场增长点。从今年的国际AIoT生态发展大会也可以看出这一明显的增长趋势。本文将从AIoT系统设计的角度,来探讨一下作为AIoT系统核心的MCU与各种无线连接协议的配置选择。
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据多家权威市调机构预测,到2025年全球AIoT市场规模将超过11万亿美元,AIoT将是未来3-5年最火爆的市场增长点。从今年的国际AIoT生态发展大会也可以看出这一明显的增长趋势,除了上午的主题演讲外,下午还同时举行了三个分论坛,分别是智慧城市、智慧家庭和智慧能源。众多业界专家和演讲嘉宾从各自的角度全方位地展示了AIoT的技术发展、市场趋势和应用解决方案。本文将从AIoT系统设计的角度,来探讨一下作为AIoT系统核心的MCU与各种无线连接协议的配置选择。

MCU和无线连接构成AIoT系统的核心

过去几年,物联网 (IoT) 设备和无线连接产品(如无线传感器、智能电表、智能家居和可穿戴设备)出现了爆炸式增长。传感器和处理器等电子器件的成本逐渐降低,同时无线连接功能和AI性能的加持让许多产品变得更加“智能”,无需人工干预即可相互通信。然而,成功的AIoT产品必须满足特定应用的要求,比如低功耗、长无线连接范围,以及更高的计算处理能力等。

我们以一个典型的无线智能电表为例,其网络拓扑由多个简单的传感器节点(比如冰箱、空调和微波炉等)组成,这些节点通过传感器收集电量使用数据并将其传输到中央控制器或网关(Collector),从而保持与互联网和云服务平台的网络通信。这些节点和网关的设计必须最大限度地降低功耗、提供稳定可靠的网络连接,并尽可能扩展无线连接范围。

这一物联网系统的核心是微控制器 (MCU),负责处理数据并运行与无线收发器件接口的软件堆栈以实现无线连接和数据传输。MCU和无线器件的功能特性视特定的应用和系统要求不同,智能化的传感器节点集成传感器功能,并使用8位或32位MCU来运行小型的射频 (RF) 协议栈。这些物联网设备通常由电池供电,并通过无线连接到网关,由网关进行更繁重的处理和数据传输。

传感器节点通常传输少量的数据,一般使用电池供电,需要正常运行长达10年。这些设备还必须具有可靠的连接,并且能够在各种环境条件下运行,而不受射频干扰或物理障碍的影响。此外,这些设备都是网络的一部分,还必须考虑网络的设置、传感器数据聚合和信息的显示等。因此,为这类设备选择合适的MCU和无线连接,以及应用开发工具和软件堆栈,对于IoT系统的成功设计至关重要。

MCU+NCP配置

对于每天采集和传输数据量不大的简单终端传感器节点,也许8位MCU是最好的选择。但是,对于需要运行RF协议栈或复杂算法的高级终端节点或网关设备,32位MCU是更合适的选择。有些32位MCU(例如基于 ARM Cortex M4内核的MCU)还包含浮点单元 (FPU),可用于实现复杂算法。32位MCU的更高处理能力使它们能够更快地完成处理任务,以进入睡眠模式并节省电能。此外,32位MCU一般配置更大的闪存和RAM 容量,可让设计人员在MCU上实现整个网络堆栈和存储应用程序代码,而无需额外的处理器配置。

无论8位还是32位,采用8051、Arm还是RISC-V内核,这种“纯粹”的MCU只负责计算和处理任务,而要实现智能化的网络通信就需要额外配置通信协议处理芯片。为负责应用处理的微控制器增加无线连接的传统做法是增加一个单独的通信芯片,如下图中的“通信器(Communicator)”。这种通信器具有特定协议通信所需的所有功能,并通过简化的接口与微控制器相连。

在这种配置中,微控制器通信协议的重要部分被集成到通信器中,系统对微控制器的时序要求就不必太严格。借助处理无线协议的外部芯片,微控制器的负担就没那么重。这种外部集成适用于大多数无线标准,包括Wi-Fi、LoRa和蜂窝通信。在无线场景中,这种设置通常称为 MCU + NCP,其中 NCP 是网络协处理器(Network Co-Processor)的缩写。其好处包括:

• 可以添加微控制器本身不支持的无线连接协议;

• 减轻MCU负载,使其能够专注于应用处理任务;

• 更容易在不同应用的不同通信协议之间转换;

• 通信器可以布放在PCB上的最佳位置以实现良好的无线连接。

然而,这种配置的缺点是两个芯片会增加设计成本和占用设备空间,而且微控制器和通信器之间的通信会引入延迟。

MCU部分集成通信协议

部分 MCU 集成的配置模式也很常见,一个很好的例子是RS-232。在逻辑层面上,简化的 RS-232与UART外设相同,几乎可以集成到任何微控制器中。但UART只能输出微控制器电压范围内的电压,通常为0V – 3.8V。因此,要通过RS-232进行通信,需要一个器件将微控制器的信号转换为RS-232所需的更高电压信号,如下所示:

这种配置方式增加了通信协议和微控制器之间的集成度,这既有好处也有坏处。因为通信协议栈现在是在微控制器上运行,通信器的功能更加简单,通常只是将数据或命令从微控制器传输到物理层介质(天线、线缆或无源器件),并将数据从介质反馈回微控制器。所有的通信决策都是在微控制器上做出的,这可以减少系统延迟,从而可以提高设备响应能力。集成设计还有利于降低功耗,因为应用处理器可以更快地完成通信并进入睡眠状态。

然而,这种集成的一个缺点是MCU软件现在必须在管理各种应用任务之上处理通信协议栈,这就增加了MCU的复杂性和时序要求。许多有线通信协议通常是部分集成的,包括RS-232、RS-485、以太网和CAN等。很多情况下,通信协议的电压或ESD要求需要MCU采用不同的制造工艺,而导致其他方面的性能变差,例如更高的电流消耗和更低的时钟速率。

MCU与无线通信协议完全集成

完全集成是指连接机制完全集成到 MCU 中,只有无源器件在协助将MCU 连接到通信介质,如下所示。 

一些无线连接协议,例如BLE、Zigbee和Thread,越来越多地完全集成到 MCU 中,构成了无线MCU(或无线 SoC),好像是插上了翅膀的MCU,可以轻松地飞起来。这种完全集成背后的驱动力包括降低成本、简化供应链(因为需要采购的芯片更少),以及简化物联网设备的PCB设计。

完全集成的方式可以改善系统能耗,因为需要供电和管理的芯片更少。完全集成解决方案的软件复杂性比外部搭配解决方案更复杂,但可能比部分集成解决方案低,因为应用和通信软件仍然必须共存,但通信硬件现在可能更容易管理。

完全集成方案的一个缺点是可能难以切换到不同的通信协议。如果应用构建在BLE MCU 上,而现在想将其移至Zigbee,这可能会成为问题,因为必须切换到完全不同的MCU。这个问题有两种解决方案:

1. MCU本身支持多个无线协议,像Silicon Labs EFR32 Mighty Gecko可以在出厂时或在现场配置为执行BLE或Zigbee,或者同时执行这两个协议。像乐鑫科技、博流智能和联盛德等国内MCU厂商都开发出了同时支持WiFi和蓝牙的多协议MCU芯片。

2. 添加额外的无线连接作为外部通讯器。例如,为MCU添加Wi-Fi或蜂窝连接。

完全集成的好处包括:

• 与软件的紧密耦合可以提高响应速度;

• 更快的周转时间可以降低功耗;

• 更低的BOM成本和组件复杂性。

其缺点是无法在不改变MCU位置的情况下将通信器布放到最佳 PCB 位置,此外其软件复杂性也增加了很多。

MCU模块化

前面介绍了如何将无线连接功能添加到微控制器中,但还有一个方面尚未涉及,即是否使用模块。无线连接很难集成到系统中,因为获得良好无线连接性能所需的天线和无源器件都必须恰到好处。此外,无线认证成本也与系统厂商自己的无线设计有关。

为了更轻松地将无线连接集成到应用中,无线模块集成了通信器件、无源组件和可选的天线。这为应用设计提供了一个预制的解决方案,而且提供这些模块的供应商通常已经获得无线认证,从而减少或消除设计认证所需的成本和时间。

对于无线应用,模块通常有两种配置方式:模块仅用作网络协处理器 (NCP),需要与MCU配合才能实现完全的应用处理和无线通信功能;独立的无线MCU模块,在单个模块上集成了所有组件,包括微控制器本身,如下所示。 

MCU与无线通信的模块化可以大大简化IoT系统的设计,缩小PCB设计空间,并降低整体成本。

常见无线连接协议

对于IoT系统设计,有许多无线连接协议可供选择,下表列出了常见的无线连接标准及其特性参数。

Wi-Fi是一种广泛部署的无线技术,在每个细分市场和地理区域基本上无处不在。Wi-Fi的好处是高数据速率,支持文件传输和视频流等高带宽应用。Wi-Fi的主要缺点是能耗较高,而且成本比其他解决方案略高。可以连接到单个Wi-Fi 接入点的设备数量也有实际限制,这使得它不适合连接大量设备。

下表列出了一些厂商的WiFi MCU产品特性。

蓝牙低功耗BLE的电流消耗明显低于经典蓝牙,允许电池供电的设备(例如智能手表和蓝牙跟踪器)与手机保持连接,同时仍能提供不错的电池寿命。随着蓝牙BLE 5.0的推出,BLE 连接的范围可以超过一公里,并且可以达到 2 Mbps 的速度,这为BLE 开辟了新的应用场景。

蓝牙BLE的另一个新方式是蓝牙网状网络(Bluetooth Mesh)。这种联网模式可让智能灯泡、内置BLE功能的设备形成网状网络,相互通信并相互中继消息。蓝牙 Mesh 的一个好处是可以使用单个 BLE 无线电与网格和用户手机进行通信。其缺点是该技术刚刚问世不久,尚不清楚它将如何扩展。

Zigbee 是一种基于 IEEE 802.15.4 的成熟网状协议,具有低功耗和可靠性的优点。Zigbee 已经存在很长时间,拥有庞大的安装基础,涵盖家庭自动化和安全、智能照明、智能能源和建筑等应用领域。Zigbee 使用算法来确定通过网络的最佳消息路径,因此不使用与 BLE Mesh 相同的“泛洪网格”方法。Zigbee 包括一个名为 Dotdot(以前称为 Zigbee 集群库)的完整应用层,它定义了设备相互通信的通用语言,从而实现了跨设备制造商的互操作性。 Zigbee 非常适合需要高可靠性的网络,也适用于扩展到大量节点的网络。

Thread 也是一种基于 IEEE 802.15.4 的网状网络协议,与 Zigbee 类似,但它原生支持 IPv6 和 6LoWPAN。 Thread 的初始版本针对家庭自动化应用场景,尽管 Thread Group 正在积极开发扩展以支持商业部署。Thread 的一个好处是它直接提供到终端节点的 IPv6 连接。 这使得每个节点都可以从互联网/云端进行寻址,从而可以轻松地在与云服务相连的节点上编写应用程序,反之亦然。它还允许一个简单的“边界路由器”作为节点和互联网之间的连接,因为网络上的终端节点和互联网上可见的内容之间不需要映射。Thread 很灵活,因为它不定义/授权特定的应用程序层。任何支持 IPv6 的应用层理论上都可以运行在 Thread 堆栈之上。

蜂窝通信2G、3G和LTE都提供语音和数据服务。对于嵌入式应用系统,数据服务是最有价值的。这些蜂窝服务的关键特性是传输距离很远,但在接收和传输时电流消耗很大。最新的技术还可以提供高达数百 Mbps 的高数据速率。蜂窝网络适用于移动应用,或在无法访问路由器或网关的区域部署。蜂窝调制解调器可直接与普通手机通信的蜂窝基站通信,并具有出色的覆盖范围。蜂窝的一个缺点是连接成本高,调制解调器通常相当昂贵,并且需要数据服务,用户需要按传输量付费。

随着越来越多网络化工业设备的出现,需要成本更低、功耗更低的蜂窝解决方案。虽然5G 将成为当前蜂窝标准的继任者,但它仍需多年才能普及。在5G普及之前,还有几种过渡解决方案可选,LTE-M 就是其中之一,虽然它比 LTE Cat 1 慢,但其功耗也更低,无线通信也更便宜。 LTE-M 优于 NB-IoT 的一个优势是它仍然具有足够高的数据速率来支持语音通信。

NB-IoT 与 LTE-M 类似,但更便宜、功耗更低,并且数据速率和延迟也明显更低。 NB-IoT 速度不够快,无法支持语音通信。尽管 LTE-M 和 NB-IoT 是由相同的利益集团(一般是无线通信运营商)推动的,但它们是相互竞争的技术,并且在不同地理区域和蜂窝运营商中的采用方式不同。LTE-M 的好处是它只需要对要部署的现有基站进行软件更新,因此它对已经部署LTE 基站的供应商很有吸引力。然而,NB-IoT 需要硬件升级,但与 LTE-M 相比具有低功耗和成本优势,这使得它对尚未完全部署LTE 基站的蜂窝提供商具有吸引力。目前,似乎LTE-M 将主要部署在北美,而 NB-IoT 在 EMEA 和 APAC 的吸引力更大,尤其是中国。

LoRa 是一种同样针对远程通信的无线协议,类似于 LTE-M 和 NB-IoT。 LoRa 的电流消耗比两者都低得多,但代价是数据速率更低。 LoRa 专为很少传输数据的设备而设计,其上行数据速率约为50kbps,但由于限制,带宽仅为每小时400字节左右。 到设备的下行链路比上行链路慢。LoRa 不适合需要在现场接收固件更新的应用。Lora 是由Semtech公司推动的,Semtech 是目前唯一提供 LoRa 解决方案的 IC 供应商。LoRaWAN 建立在 LoRa 之上,提供类似于蜂窝网络的网络服务,允许 LoRa 设备连接到网络提供商运营的基础设施。 

Sigfox 类似于 LoRa,但数据速率更低。一个 Sigfox 设备每天限制为 140 条消息,每条消息的有效载荷高达 12 个八位字节,数据速率为 100 bps。 适用于 LoRa 的有关数据速率和上行链路与下行链路速度的限制也适用于 Sigfox。 Sigfox 优于 LoRa 的一个好处是市场上有多个供应商支持。Sigfox 的覆盖范围仍然有限,尽管 Sigfox 正在积极部署新网络以增加其覆盖范围。Sigfox 采用类似于蜂窝提供商的基于订阅服务的商业模式,并将有效地与 LTE-M、NB-IoT 和 5G 等解决方案竞争。

不同的通信协议各有优缺点,在某些应用中,将多个协议的特性组合在同一个应用中会大有裨益。多协议技术可以支持很多类型的应用场景,支持多协议的无线通信可以同时运行多个无线协议。

IoT系统对功耗的要求

系统功耗是物联网部署的主要考虑因素之一,很多应用场景下的IoT设备都是电池供电,而且要求可持续使用10 年以上。在大多数应用中,MCU大部分时间都是处于低功耗睡眠模式,只是偶尔被唤醒读取传感器发送的一些数据,或处理和传送数据。

MCU子系统的功耗包括两部分——MCU工作时的动态功耗(与处理器主频成正比),以及MCU在睡眠状态下与漏电流相关的静态功耗(大部分是恒定的)。因此,总功耗受工作模式电流、睡眠模式电流和工作模式持续时间的影响。如果应用在大部分时间都处于关闭状态,睡眠电流甚至比工作电流更重要。32位MCU一般主频更高些,工作电流相应也大,但其处理速度也快,可以通过更快地完成处理任务和更快地进入睡眠模式来节省电量。此外,睡眠模式、发送和接收模式下的无线收发器电流消耗也是决定整体系统功耗的重要因素。

如果允许外围设备相互通信,并在不唤醒 CPU 的情况下可以监控传感器,这样可以大大降低系统的总功耗。Silicon Labs 的EZR32无线MCU就是一个很好的例子,它具有外设反射系统,允许外设在不唤醒 CPU 的情况下相互通信,其低功耗传感器接口可以在 CPU 处于深度睡眠状态下监控多达16个传感器。MCU和射频收发器节能技术的结合使得无线MCU成为物联网应用中电池供电传感器节点的理想选择。

结语

消费电子、家用电器、电脑及周边、汽车和工业领域是传统MCU的主要应用场景,没有无线通信功能的“纯粹”MCU只要满足功能特性、性能和质量安全要求,仍然大有用武之地,特别是在全球性的芯片短缺问题短时间内无法解决的情况下。然而,新兴的物联网应用(无论家庭、商业还是工业应用场景)对MCU提出了更高的要求。MCU厂商可以通过增加高精度ADC或AI功能来提升其产品的竞争力,但集成无线连接功能及对各种无线协议的支持将是决定MCU芯片在物联网应用市场能否成功的关键。

带翅膀的无线MCU将成为AIoT时代的标准处理器芯片,像Silicon Labs这样的国际厂商数年前就开始专注于IoT应用市场,甚至将其它业务剥离出去,而100%投入物联网,他们在各种无论连接通信协议的集成和支持上是值得关注的。而像乐鑫科技和联盛德等国内芯片厂商也开始在其芯片中集成更多的无线连接特性,他们有望把握住新兴的物联网机会,而成为AIoT时代的领导厂商。

责编:Amy Guan

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顾正书
ASPENCORE资深产业分析师。以深圳为坐标原点,扫描全球电子和半导体行业。专注于China Fabless和SoC设计细分市场的分析和学习,欢迎交流。
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