物联网系统设计与集成无线MCU

介绍

近几年来,物联网(IoT)设备和无线传感器智能电表,家庭自动化系统和可穿戴设备等连接产品出现了爆炸式增长。诸如传感器和处理器之类的部件的成本降低以及无线连接性的增加导致许多产品被“智能化”并且能够彼此通信而无需人为干预。成功的产品必须满足经常竞争的要求,包括低功耗,长的无线连接范围和更高的处理能力。本文探讨了基于ARM®的无线微控制器如何满足物联网系统最苛刻的要求。

IoT传感器节点要求

IoT系统的网络拓扑结构由简单的节点组成,该节点将有限数量的数据收集到传输到互联网和云服务的中央控制器或网关。节点和网关必须设计为最大限度地降低功耗,提供可靠和稳健的网络连接,并尽可能扩展无线连接范围。
具有集成无线MCU的物联网系统设计图1
图1:  典型的无线测量架构
IoT系统的核心是处理器单元或微控制器(MCU),处理数据并运行连接到无线设备的软件堆栈以实现连接。MCU和无线设备的要求特定于最终应用和系统要求。高级IoT传感器节点整合传感器功能,并使用8位MCU或32位设备运行小型射频(RF)协议栈。这些设备通常由电池供电并连接到发生较重处理和数据传输的网关。
具有集成无线MCU的物联网系统设计图2
传感器节点通常传输少量数据,并且经常需要在电池上操作数年。这些设备还必须是便携式的,可靠地连接的,并能够在各种环境条件下运行,而不管RF干扰或物理障碍。由于这些设备是网络的一部分,因此还必须考虑网络的设置,传感器数据的聚合和信息的显示。为这些设备组合选择合适的MCU和无线或射频连接以及应用程序开发的开发工具和软件堆栈对于成功的设计至关重要

选择微控制器(MCU)

传感器节点选择在很大程度上是设计师试图实现的功能和目的的一个因素。对于每天感测和传输数据的简单端点传感器节点,8位MCU可能是正确的答案。然而,对于构建智能或需要运行RF协议栈或其他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。一些32位MCU(如基于ARM®Cortex?M4内核的MCU)还包括一个浮点单元(FPU),可用于实现复杂算法。
32位MCU的处理能力更高,使得他们能够更快地完成处理以进入睡眠模式并保持电源。此外,32位MCU可用的更大的闪存和RAM大小允许设计人员在MCU上实现整个网络堆栈和应用程序代码,而无需系统中的其他处理器。
基于ARM Cortex-M4的32位MCU包括具有DSP指令集的FPU。矩阵乘法用于监控使用多个传感器以获得比单个传感器更准确的读数的应用程序,其中快速单周期MAC(乘法累加)显着减少了计算时间。关联传感器读数的常用算法是卡尔曼滤波器,它严重依赖于矩阵乘法。
使用集成FPU开发应用程序变得更加简单。32位浮点运算在硬件中执行,算法可以直接用浮点值写入,利用浮点数的极大动态范围和精度。通过消除对定点处理器所需的溢出检查的需要,可以更容易地开发代码。基于ARM Cortex-M4的MCU的一个很好的例子就是当一个设备结合了GPS,加速度计和陀螺测量来提高定位精度。

选择合适的无线和射频连接解决方​​案

选择RF协议/技术的注意事项是链路预算,能耗和成本。无线开发人员必须确定Sub GHz或2.4 GHz收发器是否能最好地满足其应用需求。鉴于2.4 GHz无线标准(如Bluetooth®和Wi-Fi™)的高调,许多制造商认为2.4 GHz是事实上的收发器频率选择。Wi-Fi提供高数据速率连接,并且是用于无线摄像机等带宽密集型应用程序中使用最广泛的协议,而蓝牙提供与智能手机的轻松点对点连接,大多数人都使用它们来控制其连接的家庭应用。
基于2.4 GHz的收发器提供高数据速率(大于1 Mbps)和小型天线(小于900 MHz天线的三分之一),适用于短距离消费电子设备。然而,2.4GHz无线电的范围有限,壁面渗透性差和功耗更高。高数据速率要求更宽的接收机通道带宽,进一步限制了灵敏度和范围。此外,2.4 GHz频谱拥挤,受到Wi-Fi设备,蓝牙节点和微波炉的显着干扰。
许多IoT传感器节点具有相对较低的数据速率要求。对于这些应用,sub-GHz无线电提供比2.4 GHz无线电更高的范围。Sub GHz无线电还具有低得多的功耗,并且可以为在单个电池上运行多年的设备提供连接。这些因素与低系统成本相结合,使得Sub GHz收发器非常适合需要最大范围和多年电池寿命的低数据速率应用,例如烟雾探测器,门/窗口传感器和户外系统,如气象站和资产跟踪。
使用Sub GHz无线的主要优点之一是其远距离能力和有效穿过墙壁和其他障碍的能力。窄带传输可以将数据传输到通常数英里远的远程集线器,而不会从节点跳到节点,从而降低基站/中继器的部署成本。对于给定的输出功率和接收机灵敏度,较低频率的射频波可以运行更长的距离。
达到良好的范围取决于天线增益,接收机灵敏度和发射机功率。天线增益通常受成本和设备外形的限制。接收机灵敏度设置仍然可以接收和理解的功率的下限,接收机灵敏度决定了它可以将所需的传输与区域中的其他信号和噪声区分开来。因此,具有良好灵敏度和选择性的接收器使得可以实现更长的范围。影响无线电敏感度的主要因素是数据速率。数据速率越低,接收机带宽越窄,收音机的灵敏度越高。
在发射机侧,范围由输出功率电平决定。在户外视距环境中,连接预算增加6 dB将增加一倍。然而,监管标准限制了允许的输出功率,并且增加发射机功率也增加了电流消耗,这可能对电池寿命产生负面影响。
虽然许多现有的Sub GHz网络使用专有协议,而且是封闭式系统,但业界正在朝向基于标准的互操作系统。IEEE 802.15.4标准在世界范围内越来越受欢迎,并被各种行业联盟(如Wi-SUN和ZigBee)采用。设计人员还应考虑收发器对802.15.4标准中定义的Sub GHz频段中强制性功能的支持。
Silicon Labs的EZRadioPRO Sub GHz收发器系列使用标准GFSK调制在高频带和低频带上显示了8到10英里的范围。EZRadioPRO的一个独特功能是能够在200 Hz带宽内将超窄带应用一直支持到100 bps。这允许与低数据速率的标准GFSK调制进行极长距离的通信。具有可编程数据速率的收发器(如EZRadioPro)使开发人员能够更好地获得更高的数据速率和灵敏度,以微调数据速率,使无线电在最短的时间内传输。

使用集成组件简化设计

到目前为止,我们分别讨论了MCU和无线要求。然而,对于物联网系统,MCU和无线设备选择的组合及其交互必须一起考虑。而不是使用分立元件,设计人员现在可以利用集成MCU和收发器的集成器件。通过利用集成两个器件的芯片,设计人员不必担心无线电和MCU之间的互连,从而使得更简单的电路板设计,更简单的设计过程以及由于较短的接合线导致的干扰敏感性较小。设计师还可以依靠完全测试的无线MCU解决方案作为开发的起点。实现这些标准的设备的例子包括Silicon LabsEZR32™系列无线MCU器件。
通过使用结合基于ARM Cortex-M的MCU和无线电收发器的单芯片,可以减少电路板组件数量,电路板布局和总体成本。来自Silicon Labs的EZR32无线MCU等设备将ARM Cortex-M3或Cortex-M4 MCU与EZRadio和EZRadioPRO收发器集成。除了确保变送器提供足够的功率和接收器提供必要的灵敏度外,设计人员还应确保支持必要的外围设备和通讯接口。EZR32无线MCU的高功率+ 20dbm发射器和接收器灵敏度高达-133dBm,使其成为低数据速率和长距离应用的理想选择。

满足低功耗要求

IoT实现中的主要考虑因素之一是整个系统的功耗。典型的应用运行在预计持续长达20年的电池上。在大多数这些应用中,MCU通常在主要部分时间内保持低功耗睡眠模式,仅在一段时间内唤醒读取传感器或传输和接收某些数据。
MCU子系统的功耗有两个方面:当MCU处于活动状态时,与时钟频率成比例的动态功耗,以及在睡眠中发挥更大作用的漏电流(大多数恒定)相关的静态功耗状态。因此,总功耗受到活动模式电流,睡眠模式电流和在活动模式下花费的时间量的影响。在花费大部分时间的应用中,睡眠电流比活跃电流更重要。通过更高的处理速度,32位MCU可以通过更快地完成处理任务并更快进入睡眠模式来节省功耗。具有集成FPU的基于ARM Cortex-M4的MCU可以进一步减少复杂算法的处理和运行时间。无线收发器在睡眠模式下的电流消耗,
选择允许外设相互交互的设备,以及在不唤醒CPU的情况下进行监控的传感器可大大降低系统的总功耗。集成的EZR32无线MCU是这样的设备的一个例子,外围反射系统允许外围设备相互交互,而不会唤醒CPU和低能量传感器接口,允许在CPU处于最多16个传感器的情况下进行监控深度睡眠模式 EZRadioPRO收发器的新的前导码检测模式大大降低了通道访问时间,灵敏度没有降低,同时显着降低了平均接收电流。与传统的Sub GHz收发器的32位要求相比,这些无线电只需要8位前导码来检测有效的传输。收音机可以自动从休眠状态唤醒,进入接收模式,根据前导码检测对频道进行评估,只有在发现有效数据包时才唤醒MCU。如果没有有效的数据包,则无线电将自动返回睡眠模式,而不会中断主机MCU。MCU和收发器节能技术的结合使得集成无线MCU如Silicon Labs的EZR32非常适合电池供电的传感器节点IoT应用。

加速软件开发

选择用于IoT应用的集成无线MCU的一个重要考虑因素是高效工具,集成开发环境和软件堆栈的可用性。对于大多数IoT OEM,如照明和家电制造商,从零开始设计和构建应用程序将需要网络,无线和嵌入式软件专业知识。当选择集成MCU时,设计人员应评估开发工具的用户友好性以及可用作最终产品构建块的软件堆栈,设备驱动程序和示例应用程序的可用性。无线电配置软件,网络分析仪和数据包跟踪和调试功能等其他工具可以显着加快发展速度。许多半导体供应商提供了一些(如果不是全部)上述的软件工具和组件。Silicon Labs集成了无线和MCU开发Simplicity Studio™为集成无线IoT系统开发提供一个开发环境。
具有集成无线MCU的物联网系统设计图3
图3:  具有能量优化工具的Silicon Labs Simplicity Studio开发平台

结论

IoT应用具有苛刻的要求,例如高性能,最佳射频性能,更长距离,更低功耗的电池供电应用,更高级别的集成以减少组件数量和BOM成本,以及综合的软件堆栈和样品应用工具。幸运的是,高度集成的无线MCU产品(如Silicon Labs的EZR32器件)可以提供易于实施的解决方案,提供满足法规标准和消费者需求所需的高性能,同时提供片上功能和开发工具,添加无线连接几乎任何嵌入式应用程序。

用户喜欢...

德州仪器的AWR1642和IWR1642是集成DSP和MCU的单芯片76 GHz至81 GHz FMCW雷达传感器

AWR1642和IWR1642器件是独立的FMCW雷达传感器单芯片解决方案,可简化汽车雷达(AWR1642)和毫米波传感器在76 GHz至81 GHz频段的实施。它们采用德州仪器的低功耗45纳米RFCMOS工艺制造,该工艺能够单片...


华虹半导体推出12位SAR ADC IP助力超低功耗MCU平台

华虹半导体有限公司 今日宣布,基于其0.11微米超低漏电 (Ultra-Low-Leakage,ULL) 嵌入式闪存 (eFlash) 工艺平台,推出自主设计的超低功耗12位逐次逼近 (SAR)型模数转换器 (ADC) (12-Bit SAR ADC) IP,达到...


德州仪器宣布其SimpleLink™ MCU平台集成全新的Amazon FreeRTOS,实现快速云连接

德州仪器和亚马逊AWS为物联网设备实现端到端云连接提供持续支持 德州仪器(TI)近日宣布,SimpleLink™微控制器(MCU)平台集成全新的亚马逊FreeRTOS,帮助开发商快速而安全地将物联网(Io...


[原创] Microchip PIC18(L)F25xx83系列MCU CAN应用方案

Microchip公司的PIC18(L)F25xx83系列是具有CAN技术的低功耗高性能微控制器(MCU),系列产品中具有多种通信外设如CAN,SPI,两个...


[原创] On Semi RSL10多协议无线系统级芯片(SoC)开发方案

On Semi公司的RSL10是超低功耗的多协议无线系统级芯片(SoC),采用ARMR CortexRM3处理器(48MHz)和LPDSP32 DSP核(音频CODEC),支持蓝牙...


锐成芯微:助力中国MCU企业开发低功耗物联网市场

物联网的宗旨是万物皆可联网,借以构成庞大的应用系统,并打造智慧的生活环境。因此,物联网设备势必需要具备联网能力,与此同时还要兼顾成本和功耗。微控制器( MCU )作为物联网的核...


MCU延续性创新可以走多远?

对于MCU而言,一直持续在延续性创新的路上进发,硬件层面不断提高集成度,软件层面不断提升灵活性,再通过工艺的优化不断降低成本,因而,也在不断蚕食单一功能专用芯片的“地盘”。...


HOLTEK新推出HT45F0060 RGB三色LED调光控制MCU

Holtek新推出小封装的RGB三色LED调光控制MCU - HT45F0060,内建RGB三色LED驱动电路与单线串接接口,可实现单颗主控并驱动RGB三色LED或多颗串接控制达到各种连续性变化的动态灯光效果。适合应用于...


采用新型TI SimpleLink™以太网MCU将传感器连接到云端, 融合有线和无线连接

使用具有集成物理层的新型以太网MCU简化工业网关设计,在SimpleLink MCU平台上实现100%的代码兼容性 德州仪器(TI)近日在SimpleLink™微控制器(MCU)平台上引入了以太网连接,这是一个用于有...


通俗讲解单片机、ARM、MCU、DSP、FPGA、嵌入式错综复杂的关系!

首先,“嵌入式”这是个概念,准确的定义没有,各个书上都有各自的定义。但是主要思想是一样的,就是相比较PC机这种通用系统来说,嵌入式系统是个专用系统,结构精简,在硬件和软件...


[原创] NXP LPCXpresso54628低功耗ARM MCU开发方案

NXP公司的LPCXpresso54628是基于ARM Cortex-M4核的低功耗MCU,具有丰富外设,非常低功耗和增强的调试特性.ARM Cortex-M4 CPU采用3级...


[原创] TI TIDEP-0087电动汽车(EV)充电桩人机接口(HMI)参考设计

TI公司的TIDEP-0087是采用AM335x系列微处理器的电动汽车( EV)充电基础设施人机接口(HMI)参考设计,采用软件加速图像和Qt电...


选择并应用适用于物联网的低功耗微控制器

对于电池供电的连接设备来说,能量消耗是至关重要的,以最大限度地延长电池更换之间的时间,甚至允许设备运行在环境能源之外。尽管许多嵌入式系统开发人员精通代码优化,但为物联网(...


MCU(单片机)工程师的十个不要,三个必须要

十个不要: 1、不要第一句话就说:给个代码吧!你应该想想为什么。当你自己想出来再参考别人的提示,你就知道自己和别人思路的差异。 2、初学者请不要看太多的书,那会误人子弟的。...


三种破解MCU 技术,就是这么简单!

MCU的安全等级正在逐步提升,一些公司甚至推出了安全主控,这是很好的现象,说明大家越来越重视嵌入式领域的信息安全和程序安全了。但对于很多特殊行业,比如消费类电子产品,低成本...


无线 MCU 选型,你必须知道的六个套路

物联网市场的高速发展,无疑也在搅动半导体行业原有的格局,为了在物联网时代不掉队,各个芯片厂商都在努力发展适应市场需求的新产品品类。因为联网是物联网终端设备的基本需求,所...