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          指定支持Wi-Fi的MCU時(shí)的注意事項(xiàng)

          作者:Microchip Technology 無線解決方案產(chǎn)品部 資深市場營銷工程師 Alex Li 時(shí)間:2021-11-17 來源:電子產(chǎn)品世界 收藏

          工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展趨勢是在一個(gè)SoC而非多個(gè)離散器件中執(zhí)行更多功能,以精簡物料清單、降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)、減少占用空間。Wi-Fi? MCU即是一個(gè)典型,它將Wi-Fi連接與處理器及所需GPIO集成在一起,以滿足多種應(yīng)用的需求。在指定其中一個(gè)器件時(shí),需要考慮多個(gè)因素,并需審慎進(jìn)行選擇,因此務(wù)必對這些器件有所了解。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/202111/429702.htm

          當(dāng)今市場上存在低成本的Wi-Fi連接方案,但通常會以外設(shè)數(shù)量和整體性能為代價(jià)。這意味著選擇最佳Wi-Fi MCU充滿挑戰(zhàn)和風(fēng)險(xiǎn),因?yàn)閃i-Fi MCU必須兼具穩(wěn)健的Wi-Fi連接和高性能MCU功能,二者缺一不可,否則會導(dǎo)致整個(gè)設(shè)計(jì)項(xiàng)目延遲甚至失敗。MCU是系統(tǒng)的核心,是Wi-Fi MCU中最關(guān)鍵的部分,因此需要在項(xiàng)目伊始對其性能進(jìn)行檢查,否則可能在后期發(fā)生需要更換器件的情況,通常需要重新設(shè)計(jì)所有軟件及配置配套電路。

          ADC不容忽視

          指定Wi-Fi MCU時(shí),模數(shù)轉(zhuǎn)換是最易忽視的功能之一,盡管它是信號鏈中模擬輸入之后的第一個(gè)處理元件。這意味著它的性能將影響整個(gè)系統(tǒng),因此務(wù)必掌握有關(guān)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的關(guān)鍵指標(biāo)以及Wi-Fi MCU制造商為達(dá)成指標(biāo)所應(yīng)采用的方式。

          設(shè)計(jì)人員關(guān)注的首要規(guī)范之一是ADC的位數(shù)。這會讓人感到困惑,因?yàn)椋聦?shí)上,實(shí)際位數(shù)將少于(甚至遠(yuǎn)低于)數(shù)據(jù)手冊規(guī)范。ADC可用于執(zhí)行轉(zhuǎn)換的有效位數(shù)(ENOB)更為重要,ENOB始終小于數(shù)據(jù)手冊規(guī)范,但與數(shù)據(jù)手冊規(guī)范越接近越好,因?yàn)樵诓煌珹DC之間這一位數(shù)有著很大的差異??捎糜趫?zhí)行轉(zhuǎn)換的位數(shù)越少,SoC的輸入信號的精度就越低。

          此外,與所有電子器件一樣,ADC會為信號“貢獻(xiàn)”一些對其功能產(chǎn)生負(fù)面影響的因素,包括量化和時(shí)序誤差以及失調(diào)、增益和線性度的變化。ADC還有一個(gè)眾所周知的缺點(diǎn):易受諸多工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行環(huán)境中常見的大溫度波動(dòng)影響(見圖1)。Wi-Fi MCU制造商可以規(guī)避這種情況,因此務(wù)必聯(lián)系每個(gè)候選Wi-Fi MCU的制造商以確定其ENOB、性能隨溫度變化情況、線性度和精度。如果無法提供這些信息,則棄用。

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          Absolute Value of Gain Err

           (LSB count)

          增益誤差的絕對值

          (LSB計(jì)數(shù))

          Unacceptable Gain Erron

          不可接受的增益誤差

          Gain Error Increases with Temperature

          增益誤差隨溫度增大

          Big average gain error

          平均增益誤差大

          Temperature

          溫度

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          ADC Linearity Problem

          ADC線性度問題

          ADC Result

          ADC結(jié)果

          INL

          INL

          Offset Error

          失調(diào)誤差

          Voltage Input

          電壓輸入

          圖1 低檔ADC的精度和線性度差,易受環(huán)境和溫度影響

          外設(shè)支持

          所有Wi-Fi MCU至少都支持少量接口標(biāo)準(zhǔn),因此很容易認(rèn)為它們能達(dá)到要求。而當(dāng)工程師試圖在其他設(shè)計(jì)中使用相同的Wi-Fi MCU時(shí),他們常常會為自己的草率后悔不已。這種情況在建立或修改工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)時(shí)越來越常見,因?yàn)榇蠖鄶?shù)生產(chǎn)設(shè)施均采用由不同制造商在不同時(shí)間制造的各種機(jī)器和控制器。

          隨著系統(tǒng)的完善,可能會增加更多的接口,有時(shí)可能需要支持觸摸檢測和LCD等功能。如果SoC有備用GPIO,則可以在幾乎不共用引腳的情況下控制更多繼電器、開關(guān)和其他元件。為此,器件支持的接口應(yīng)包括以太網(wǎng)MAC、USB、CAN、CAN-FD、SPI、I2C、SQI、UART和JTAG(可能還包括觸摸發(fā)送和顯示支持),以確保能夠在現(xiàn)在和可預(yù)見的未來適應(yīng)幾乎所有情況。

          安全始于內(nèi)部

          安全性對于每個(gè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用都至關(guān)重要,但工業(yè)環(huán)境具有任務(wù)關(guān)鍵性特征,一旦有威脅進(jìn)入工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò),就會在整個(gè)設(shè)施乃至整個(gè)公司擴(kuò)散。第一級所需安全性位于MCU的集成加密引擎中,在這里,將順序執(zhí)行或并行執(zhí)行加密和身份驗(yàn)證。密碼應(yīng)包括AES加密(密鑰大小最高256位)、DES和TDES,身份驗(yàn)證應(yīng)包括SHA-1和SHA-256以及MD-5。

          由于每個(gè)云服務(wù)提供商都有自己的認(rèn)證和密鑰,為其置備器件是一個(gè)復(fù)雜的過程,需掌握大量與加密相關(guān)的知識,是設(shè)計(jì)人員針對云服務(wù)置備產(chǎn)品時(shí)最具挑戰(zhàn)性的任務(wù)之一。幸運(yùn)的是,包括Microchip Technology在內(nèi)的一些制造商簡化了這一過程,從而節(jié)省了大量的時(shí)間和金錢。這種方法能夠極大地縮短時(shí)間,減少混亂;可以將設(shè)計(jì)過程縮短數(shù)周或更長時(shí)間,同時(shí)憑借行之有效的可驗(yàn)證方法確保滿足所有安全和置備要求。

          務(wù)必注意,大多數(shù)Wi-Fi MCU將憑證存儲在閃存中,其中的數(shù)據(jù)可訪問且容易受到軟件和物理攻擊。如果將此類信息存儲在硬編碼的安全元件中,則無法通過任何外部軟件讀取其中的數(shù)據(jù),因而可以達(dá)到最高的安全性。例如,WFI32等Microchip Wi-Fi MCU(圖2)在公司的Trust&GO平臺中采用這種方法安全地置備其MCU,以連接到AWS IoT、Google Cloud、Microsoft? Azure和第三方TLS網(wǎng)絡(luò)。

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          PIC32MZ-W1

          PIC32MZ-W1

          Antenna

          天線

          FEM and Antenna Circuit

          FEM和天線電路

          40 MHz Crystal

          40 MHz晶振

          Decoupling Capacitors

          去耦電容

          MIPS32? microAptiv? M-Class Core 200 MHz

          MIPS32? microAptiv?   M-Class內(nèi)核(200 MHz)

          1 MB Embedded Flash

          1 MB嵌入式閃存

          320 KB RAM

          320 KB RAM

          256 KB Data

          256 KB數(shù)據(jù)

          64 KB Wi-Fi? Buffer

          64 KB Wi-Fi?緩沖器

          Encryption Engine

          加密引擎

          Data Crypto-AES, TDES

          數(shù)據(jù)加密AES和TDES

          Public Key-ECC, CEHD, ECDSA,   Curve25519, Ed25519

          公鑰ECC、CEHD、ECDSA、Curve25519和Ed25519

          Wi-Fi IEEE? 802.11   b/g/n

          Wi-Fi IEEE? 802.11   b/g/n

          Peripherals and Interfaces

          外設(shè)和接口

          8 MHz Internal Oscillator

          8 MHz內(nèi)部振蕩器

          LPRC, REFO

          LPRC和REFO

          12-bit ADC, 12 Channels, 2   Msps

          12位ADC,12通道,2 Msps

          Supports 6 Touch Inputs

          支持6個(gè)觸摸輸入

          3x32-bit, 7x16 bit Timers

          3x32位和7x16位定時(shí)器

          4x Capture/Compare/PWM

          4x捕捉/比較/PWM

          USB 2.0 Full Speed

          USB 2.0全速

          10/100 Ethernet (RMII, IEEE   1588)

          10/100以太網(wǎng)(RMII和IEEE 1588)

          3x UARTs, 2xSPI/I2C/SQI, 2xI2S?

          3 x UART、2 x SPI/I2C/SQI和2 x I2S?

          1xCAN, 1xCAN-FD

          1 x CAN和1 x CAN-FD

          37 GPIOs

          37個(gè)GPIO

          Trust&GO Secure Element

          Trust&GO安全元件

          Hardware Crypto Accelerator

          硬件加密加速器

          Pre-Provisioned for AWS, Azure   Cloud, GCP and Any Other TLS Networks

          針對AWS、Azure Cloud、GCP和任何其他TLS網(wǎng)絡(luò)預(yù)先置備

          JIL "High”-Rated Secure   Key Storage

          JIL“高”評級安全密鑰存儲

          ECC-P256, AES-128 and SHA-256

          ECC-P256、AES-128和SHA-256

          High-Quality Random Number   Generator

          高質(zhì)量隨機(jī)數(shù)發(fā)生器

          圖2 WFI32 Wi-Fi?模塊將憑證存儲在硬件中加以隔離,使其幾乎不會遭受黑客攻擊

          預(yù)置備、預(yù)配置或自定義的安全元件在制造時(shí)即會存儲于器件的硬件安全模塊(HSM)內(nèi)生成的憑證,防止憑證在生產(chǎn)期間和之后公開。Trust&Go平臺只需一款成本低廉的Microchip開發(fā)工具包,設(shè)計(jì)人員可使用隨附設(shè)計(jì)套件中的教程和代碼示例創(chuàng)建所需的清單文件。一旦安全元件的C代碼在應(yīng)用程序中運(yùn)行,就可以從設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)入生產(chǎn)。

          所需安全性的另一種形式是Wi-Fi聯(lián)盟認(rèn)證的最新Wi-Fi安全。最新版本的WPA3基于上一代WPA2構(gòu)建,但增加了一些功能,可簡化Wi-Fi安全、實(shí)現(xiàn)更穩(wěn)健的身份驗(yàn)證、提供更高的加密強(qiáng)度并保持網(wǎng)絡(luò)彈性。所有新器件均須通過WPA3認(rèn)證才能使用Wi-Fi聯(lián)盟標(biāo)志,因此應(yīng)對每個(gè)Wi-Fi芯片和Wi-Fi MCU進(jìn)行認(rèn)證,以實(shí)現(xiàn)最高安全性。不過,仍需進(jìn)行核實(shí)以確保候選Wi-Fi MCU已通過WPA3認(rèn)證。

          確?;ゲ僮餍?/strong>

          由于射頻不匹配、軟件和其他一些因素,Wi-Fi MCU始終有可能無法與市場上的部分接入點(diǎn)通信。無法連接到常用的接入點(diǎn)有損公司聲譽(yù)。盡管我們無法保證Wi-Fi MCU能與全球每個(gè)接入點(diǎn)(AP)搭配使用,但可確保Wi-Fi MCU通過了與市場上最常用AP的互操作性測試,從而能最大程度地減少問題。此信息通??蓮闹圃焐叹W(wǎng)站獲取,但若網(wǎng)站未提供相關(guān)信息,可致電制造商獲取信息,如果仍未能獲取信息,請選擇其他供應(yīng)商。

          需要得到幫助

          最后但同樣重要的是需要設(shè)計(jì)支持。如果沒有一個(gè)全面的集成開發(fā)環(huán)境(IDE)平臺,設(shè)計(jì)人員只能將一些不確定是否有用、簡單或可靠的Web資源拼湊在一起。例如,少數(shù)Wi-Fi MCU制造商提供了有關(guān)產(chǎn)品的基本詳情和原型設(shè)計(jì)說明,但就此止步,不提供將其從當(dāng)前階段轉(zhuǎn)入生產(chǎn)階段所需的信息。

          真正有用的是,制造商應(yīng)提供一個(gè)全面的IDE(圖3),其中包括Wi-Fi MCU執(zhí)行的每一個(gè)模擬和數(shù)字功能以及要在特定應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)所需要的全部外部元件。應(yīng)提供一種方法將設(shè)計(jì)變更對整體性能的影響可視化,還應(yīng)具備評估設(shè)計(jì)的RF性能和合規(guī)性的能力。一些基本工具可免費(fèi)使用,另一些工具則以適中的成本提供,包括設(shè)計(jì)用于制造商的Wi-Fi MCU系列的評估板。

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          Prototyping

          原型設(shè)計(jì)

          Example applications

          示例應(yīng)用程序

          Peripheral drivers

          外設(shè)驅(qū)動(dòng)程序

          Programming and debugging

          編程和調(diào)試

          Performance

          性能

          Register depth debugging tools

          寄存器深度調(diào)試工具

          Peripherals tuning tools

          外設(shè)調(diào)整工具

          Product Development

          產(chǎn)品開發(fā)

          Prototype

          原型設(shè)計(jì)

          Reliability Performance, Regulation

          可靠性、性能和合規(guī)性

          Finished Product

          成品

          Cloud application development

          云應(yīng)用開發(fā)

          Application example with cloud connection

          采用云連接的應(yīng)用示例

          Voice control function enabled

          支持語音控制功能

          Cell phone apps support

          手機(jī)應(yīng)用支持

          Regulatory

          合規(guī)性

          Testing tools for regulatory compliance

          合規(guī)性測試工具

          RF signal quality

          射頻信號質(zhì)量

          圖3 從原型設(shè)計(jì)階段到成品,此類集成開發(fā)環(huán)境均能為設(shè)計(jì)人員提供調(diào)試工具和其他工具來降低風(fēng)險(xiǎn)

          總結(jié)

          物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展趨勢是將更多的處理能力轉(zhuǎn)向網(wǎng)絡(luò)邊緣,而不是只集中于基于云的數(shù)據(jù)中心。為此,需要在最少的空間和元件中集成盡可能多的功能。Wi-Fi MCU是眾多SoC中的一種,它將多個(gè)功能集成在一個(gè)器件中,而不是分布于功能特定的離散元件,從而實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)。

          如果Wi-Fi MCU制造商可提供足夠的資源,則將這些器件集成到嵌入式IoT子系統(tǒng)中可能相對簡單。這些資源包括高度安全性(通過一種簡單的置備方法來滿足云服務(wù)提供商的需求)和全面的IDE(引導(dǎo)設(shè)計(jì)人員從原型設(shè)計(jì)階段轉(zhuǎn)向生產(chǎn)階段)。



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