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低功耗無線SoC芯片選型把控策略

作者:XCODER
來源:無線技術(shù)聯(lián)盟
日期:2019-01-23 09:52:29
摘要:今天來談一談無線芯片的選型,當(dāng)下無線SoC芯片可選擇的余地越來越多,從歐美廠商和國產(chǎn)半導(dǎo)體,那么究竟如何選擇合適的無線芯片開發(fā)產(chǎn)品,我們從以下幾個(gè)方面進(jìn)行考量。
關(guān)鍵詞:低功耗無線SoC芯片

  今天來談一談無線芯片的選型,當(dāng)下無線SoC芯片可選擇的余地越來越多,從歐美廠商和國產(chǎn)半導(dǎo)體,那么究竟如何選擇合適的無線芯片開發(fā)產(chǎn)品,我們從以下幾個(gè)方面進(jìn)行考量。

  無線技術(shù): 當(dāng)下流行的低功耗無線技術(shù)包裹wifi,小無線,LoRa,藍(lán)牙,thread,zigbee,nfc,私有2.4G,NBIoT,2G,3G,4G等等,常用于工廠自動(dòng)化和智能家居的無線技術(shù)包裹Wifi,小無線,BLE,thread,Zigbee,NFC,下圖對(duì)比這幾種不同的無線協(xié)議在數(shù)據(jù)傳輸帶寬,距離和功耗上的優(yōu)劣。根據(jù)使用的場(chǎng)景,應(yīng)選用合適的方案。

低功耗無線SoC芯片選型把控策略

  Wifi: Wifi適用于高速視頻數(shù)據(jù)傳輸,但其功耗較大,目前市面上主流的低功耗wifi芯片較少,內(nèi)核采用ARM M3或者M(jìn)4內(nèi)核,跑簡(jiǎn)單RTOS,只支持802.15.b/g/n模式,帶寬較低,但可以滿足干電池供電應(yīng)用,目前測(cè)試到的幾家比較好的方案如。

  Zigbee: 智能家居不二選擇,地位在被BLE MESH挑戰(zhàn),但Zigbee 3.0推出之后,各家系統(tǒng)可以互聯(lián)互通,平臺(tái)的兼容性比以前好了不少。

低功耗無線SoC芯片選型把控策略

  Sub1G: 因?yàn)榉€(wěn)定,傳輸距離遠(yuǎn),可被應(yīng)用在各種工控領(lǐng)域,TX發(fā)射峰值電流較大,但其他時(shí)間系統(tǒng)處于休眠模式,故整體功耗低。

  NFC: 手機(jī)必帶,公交系統(tǒng),門禁系統(tǒng)多為RFID,NFC方案所采納。

  LoRa: 獨(dú)有擴(kuò)頻技術(shù),+20dbm發(fā)射功率,功耗低,距離遠(yuǎn),缺點(diǎn)是帶寬利用低,數(shù)據(jù)吞吐量小。  

  功耗

低功耗無線SoC芯片選型把控策略

  始終牢記最終用戶體驗(yàn),如果電池失效,即使是最理想的產(chǎn)品也會(huì)被拋棄。

  所以采用什么供電方式?紐扣電池,干電池,鋰電池,長(zhǎng)供電?紐扣電池由于其低成本,尺寸和重量而受歡迎。考慮到這些產(chǎn)品的電池壽命是至關(guān)重要的,并且紐扣電池只能提供大約5 mA的電流峰值而不會(huì)受到損壞。如果驅(qū)動(dòng)更大的電流峰值,電池容量將會(huì)受影響。

  射頻發(fā)射功率: 藍(lán)牙發(fā)射功率較低,通常只支持5dbm發(fā)射功率,看規(guī)格書指標(biāo)一般看0dbm發(fā)射功率。Zigbee,小無線發(fā)射功率可以達(dá)到20dbm。(超過20dbm無法通過安規(guī)測(cè)試)。

  MCU運(yùn)行功耗: 因?yàn)榇蠹叶际褂玫腁RM內(nèi)核,這塊的功耗各家類似,但需要評(píng)估MCU從低功耗模式喚醒到全速運(yùn)行的時(shí)間長(zhǎng)短,時(shí)間越長(zhǎng),功耗越大(這塊一般不會(huì)寫到數(shù)據(jù)手冊(cè)內(nèi)),另外需要評(píng)估的是MCU全速工作的主頻,主頻越高,功耗越大。

  下圖為幾種IoT技術(shù)的功耗表現(xiàn):

低功耗無線SoC芯片選型把控策略

  除規(guī)格書以外,提幾個(gè)降功耗建議:

  相應(yīng)地調(diào)整連接間隔,廣告間隔和從屬延遲。

  將多個(gè)小數(shù)據(jù)包組合成較少的大數(shù)據(jù)包,以減少RF開銷。

  考慮在傳輸之前在本地壓縮數(shù)據(jù)以降低RF吞吐量。

  識(shí)別可以較慢速率發(fā)送或不發(fā)送的非關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

  內(nèi)存選擇

低功耗無線SoC芯片選型把控策略

  內(nèi)存的主要指標(biāo) RAM,F(xiàn)LASH,ROM,串行FLASH

  RAM: 代碼中申請(qǐng)的臨時(shí)變量,全局變量,數(shù)組等都是放在RAM當(dāng)中,RAM的大小會(huì)決定改系統(tǒng)的復(fù)雜程度,早起的設(shè)備如CC2541,Nrf51822其RAM資源較少,會(huì)限制藍(lán)牙作為主端的連接個(gè)數(shù),也會(huì)影響算法的執(zhí)行效率(通常實(shí)時(shí)算法會(huì)把代碼從flash端加載到RAM內(nèi)運(yùn)行)。

  通常會(huì)考慮RAM空間大于20K.(因?yàn)樵瓘S的RTOS和協(xié)議也會(huì)消耗部分RAM空間)。

  FLASH: 決定程序的關(guān)鍵因素,通常Flash會(huì)要求大于256K,常用的在256K-512K之間,有些廠家,比如Nrf52840推出的1M flash,有點(diǎn)略大,可能是針對(duì)穿戴設(shè)備開發(fā)的產(chǎn)品。

  ROM: 大家可能會(huì)有疑問,為什么這里會(huì)講ROM,因?yàn)镽OM的成本低,有些廠家比如Dialog,TI等廠家會(huì)把協(xié)議棧放在ROM里面,從而降低芯片制造成本,比如TI公開資料如下所示:

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  串行FLASH: 這個(gè)比較有意思,如果IoT的市場(chǎng)經(jīng)理們?nèi)タ磭a(chǎn)無線芯片和國外無線芯片,可以發(fā)現(xiàn)一個(gè)有意思的地方,外資企業(yè)會(huì)集成flash到芯片上,國產(chǎn)半導(dǎo)體的做法是集成串行flash到芯片,或者外掛flash。究其原因,成本!串行flash便宜,用個(gè)大容量RAM,把程序從串行flash加載到RAM中運(yùn)行,成本比直接在片上flash運(yùn)行成本要低不少。(只是小編在此有一個(gè)建議,建議在芯片ROM中考慮對(duì)存儲(chǔ)于片外flash的固件進(jìn)行數(shù)字簽名加密,不然,華強(qiáng)北很容易從客戶產(chǎn)品的flash讀取固件然后逆向抄板負(fù)責(zé)產(chǎn)品)。

  OTA空中升級(jí)

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  IoT的產(chǎn)品都處于快速迭代期,不是說產(chǎn)品迭代的快,而是軟件更新快,bug,更新交互界面,更新控制邏輯,等等,所有的這一切不能指望回收產(chǎn)品拆機(jī)處理,一定要考慮無線空中升級(jí)的功能需求,給自己的產(chǎn)品留條后路。

  說到這里,如何把控空中升級(jí)的需求:

  空中升級(jí)速率:

  速率的快慢決定了升級(jí)的用戶體驗(yàn),空中傳輸時(shí)間越長(zhǎng),出問題的概率越大,所以,用LoRa的做空中升級(jí)難度最大...

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  內(nèi)存flash容量:

  空中升級(jí)可以分為兩種升級(jí)方式,第一,鏡像備份升級(jí),需要固件的兩倍的存儲(chǔ)空間,新的備份文件首先接收到flash,重啟后,利用引導(dǎo)程序,運(yùn)行新的固件。第二,無鏡像升級(jí),進(jìn)入升級(jí)模式后,直接擦除flash內(nèi)存的應(yīng)用程序,寫入新固件,利用該升級(jí)模式需要引導(dǎo)程序支持OTA功能,這樣可以避免升級(jí)失敗導(dǎo)致的產(chǎn)品變磚頭。

低功耗無線SoC芯片選型把控策略

  所以Flash的容量也是需要評(píng)估的一個(gè)方面,不要一味的降成本,減flash大小。建議flash的容量選用自己應(yīng)用層的1.5倍到2倍的flash大小的芯片。

  多協(xié)議融合

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  當(dāng)前有產(chǎn)品的應(yīng)用既用到了藍(lán)牙,又用到了小無線,當(dāng)然可以使用多芯片在辦級(jí)做集成,但市面上已經(jīng)有廠家通過綁定不同原廠的晶園實(shí)現(xiàn)多協(xié)議融合,一顆"芯片"解決多種協(xié)議,個(gè)人覺得這是個(gè)過渡產(chǎn)品,因?yàn)閮?nèi)部多晶源,多MCU同時(shí)運(yùn)行,功耗管理是一大挑戰(zhàn)。

  目前歐美半導(dǎo)體廠家已經(jīng)在布局多協(xié)議融合,從芯片設(shè)計(jì)上著手把2.4G和小無線結(jié)合在一顆SOC芯片上,通過軟件的分時(shí)復(fù)用來完成多協(xié)議功能。 相信在可期的未來這是一種趨勢(shì)。在需要多協(xié)議協(xié)同應(yīng)用上可以考慮。根據(jù)德州儀器官宣資料顯示,CC1352,CC2642芯片已經(jīng)支持該功能,并且已經(jīng)把該技術(shù)應(yīng)用于智能門鎖應(yīng)用。

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