Urządzenia Internetu rzeczy (IoT) wykorzystywane w inteligentnym oświetleniu i automatyce budynków przechodzą szybką ewolucję, a ich rola zmienia się z prostych węzłów sterowania na bogate, wzajemnie połączone systemy. Systemy te muszą obsługiwać wyższe wymagania obliczeniowe, solidne zabezpieczenia i wyższą wydajność w zakresie częstotliwości radiowych (RF). W obliczu tego trendu projektanci znajdują się pod coraz większą presją, aby zrównoważyć różnorodne wymagania, takie jak łączność wieloprotokołowa, zaawansowane funkcje bezpieczeństwa i efektywność energetyczna, jednocześnie dążąc do zmniejszenia kosztów zestawień materiałowych (BOM) i złożoności systemu. Kluczem do sprostania wymaganiom pojawiających się aplikacji IoT jest zastosowanie zaawansowanych urządzeń bezprzewodowych typu System on Chip (SoC).
Celem tego artykułu jest omówienie wyzwań stojących przed projektantami pojawiających się urządzeń i systemów IoT, a następnie przedstawienie, w jaki sposób bezprzewodowy układ SoC IoT nowej generacji firmy Silicon Labs radzi sobie z tymi wyzwaniami dzięki swojej architekturze o ultraniskim poborze mocy. Architektura ta łączy w sobie wysokowydajne procesory z wieloma dedykowanymi podsystemami, zapewniając wykonalne rozwiązanie.
Jak zróżnicowane wymagania napędzają ewolucję urządzeń w kierunku wyższej integracji
Coraz częściej oczekuje się, że inteligentne urządzenia zasilane liniowo, stosowane w zastosowaniach takich jak oświetlenie LED, inteligentne gniazda i przełączniki, będą zapewniać bogatszą funkcjonalność w krótszych cyklach rozwoju. Projektanci tych urządzeń stoją przed szeregiem rygorystycznych wymagań: muszą zintegrować wyższe możliwości przetwarzania, wiele standardów bezprzewodowych i solidne zabezpieczenia, jednocześnie ściśle kontrolując koszty BOM i zapewniając przewidywalne zachowanie urządzeń w ciągłym środowisku operacyjnym.
Złożoność połączeń bezprzewodowych zwiększa tę presję. Niskoenergetyczne protokoły Bluetooth (BLE), Zigbee, Thread i Matter w coraz większym stopniu współistnieją, tworząc rozwiązania oparte na jednym protokole lub złożonej architekturze wieloukładowej. Obsługa wielu heterogenicznych protokołów za pośrednictwem komponentów zewnętrznych może spowolnić postęp rozwoju i skutkować niską wydajnością. Dlatego w projektowaniu IoT przesunięto się w stronę stosowania jednoukładowych bezprzewodowych układów SoC, takich jak bezprzewodowe układy SoC SiMG301/SibG301 z serii 3 firmy Silicon Labs (rysunek 1). Ten typ chipa integruje przetwarzanie aplikacji, funkcje bezpieczeństwa i operacje bezprzewodowe w jednym urządzeniu.
Zaawansowany bezprzewodowy IoT SoC integruje cały schemat ideowy stosu funkcjonalnego
Rysunek 1: Zaawansowany bezprzewodowy układ SoC IoT integruje cały stos funkcjonalny, osiągając wyższą wydajność projektowania w porównaniu z wczesnymi rozwiązaniami wieloukładowymi. (Źródło obrazu: Silicon Labs)
Te układy SoC, dzięki swojej zaawansowanej architekturze, mogą zapewnić wysoką wydajność, solidne zabezpieczenia i elastyczne możliwości łączności, umożliwiając projektantom skuteczniejsze reagowanie na szybko zmieniające się wymagania inteligentnych urządzeń.
Zintegrowana architektura może zaspokoić różnorodne potrzeby pojawiających się aplikacji IoT
Seria SixG301 integruje wszystkie funkcje wymagane dla inteligentnych urządzeń zasilanych liniowo. Aby sprostać coraz bardziej złożonym wymaganiom obliczeniowym, układ SoC SixG301 opiera się na rdzeniu procesora Arm Cortex-M33 o częstotliwości 150 MHz z instrukcjami cyfrowego przetwarzania sygnału (DSP) i zmiennoprzecinkowymi jednostkami arytmetycznymi (FPU) (rysunek 2). Podsystem procesora łączy rdzeń z wbudowaną pamięcią o dostępie swobodnym (RAM), spakowaną pamięcią flash, kontrolerem bezpośredniego dostępu do pamięci (DMA) i interfejsem debugowania. Architektura ta zapewnia również kompleksową obsługę inteligentnych urządzeń poprzez dedykowane moduły sprzętowe zapewniające łączność, bezpieczeństwo, zarządzanie energią, zegary, timery i urządzenia peryferyjne (w tym dedykowane funkcje dla oświetlenia LED).
Schemat ideowy architektury SoC EFR32BG22 firmy Silicon Labs (kliknij, aby powiększyć)
Rysunek 2: Bezprzewodowa architektura SoC SixG301 integruje przetwarzanie aplikacji, łączność bezprzewodową i bezpieczeństwo, zapewniając skalowalną wydajność i zmniejszając złożoność systemu dla inteligentnych urządzeń zasilanych liniowo. (Źródło obrazu: Silicon Labs)
Dla projektantów seria SixG301 stanowi skalowalne rozwiązanie, które może spełnić szeroki zakres wymagań. Aby osiągnąć konstrukcję inteligentnego urządzenia z łącznością Bluetooth jako celem, seria SiBG301 Bluetooth SoC obsługuje BLE, sieci kratowe Bluetooth i zastrzeżone aplikacje 2,4 gigaherca (GHz). Wieloprotokołowa seria SoC SiMG301 nie tylko obsługuje te same opcje Bluetooth, ale także dodaje obsługę warstwy fizycznej IEEE 802.15.4 (PHY) i warstwy kontroli dostępu do multimediów (MAC), odpowiednich dla sieci bezprzewodowych o niskiej szybkości transmisji danych, w tym Zigbee, Matter over Thread i OpenThread. W ramach każdej serii różne modele oferują również dodatkowe opcje konfiguracji, zapewniając do 512 KB pamięci RAM i 4 MB pamięci flash z czterokanałowym szeregowym interfejsem peryferyjnym (QSPI) o bezpiecznej realizacji na chipie (XIP). Niezależnie od wybranej konfiguracji wszyscy członkowie serii SixG301 SoC posiadają te same podstawowe możliwości wymagane w następnej generacji urządzeń IoT.
Zaawansowane aplikacje IoT opierają się na solidnej łączności, a seria SixG301 została zaprojektowana tak, aby działać niezawodnie nawet w typowych dla tych zastosowań środowiskach o dużej gęstości i podatnych na zakłócenia. Ta seria bezprzewodowych radiotelefonów małej mocy (LPW) (rysunek 3) integruje rdzeń procesora radiowego, pamięć RAM oraz dedykowane ścieżki sygnału nadawczo-odbiorczego, zapewniając kompletny podsystem łączności.