無線MCU
無晶體無線MCU穿針引線 IoT產品成本/性能/體積兼顧
無線微控制器為物聯網基礎
物聯網這個詞彙,描繪連線的各個面向,從汽車工廠中採用機器學習的自動化過程到遠端控制烤麵包機。這實際上是一個合適的詞彙,因為在許多情況下,「物聯網支援的產品」可能是指在需要下一階段自主功能範圍內任一系列「物件」(試想人工智慧),也可能指有助於生活更輕鬆的物件(例如烤麵包機)。
不可否認的是連線的需求相當普遍且不會改變,而且正在徹底改變建構問題陳述及其解決方案的方式。若沒有物聯網,今天就不可能討論數據的力量並運用從數據中獲得的情報提升生活品質。支援這些連線產品的核心技術就是無線MCU,它可將傳統的獨立感測器節點與網際網路對接。
雖然這些無線技術目前愈來愈廣泛被採用,但是物聯網的發展仍然受到多種因素的限制,包括產品上市時間變長、成本增加和產品尺寸變大(無線技術造成額外的複雜性設計)。本文將以BAW技術的無晶體無線MCU為例,說明將如何解決上述問題。
簡化物聯網設計性能仍須維持
BAW技術是整合式微機電(MEMS)單晶片諧振器的核心推動元素,諧振器是由夾在兩個電極之間的壓電材料組成(圖1)。這種材料可以將電能轉換為機械聲能,產生可靠的振盪,藉以產生高頻且穩定的時鐘輸出。穩定的時鐘可做為射頻(RF)計時的精確來源,使得射頻核心能夠可靠運作,而不會影響頻率誤差和嚴格溫度容許偏差等等的參數。
圖1 壓電材料做為諧振器,(a)為矽晶片;(b)為採用的BAW技術。
這項技術現已整合在TI的SimpleLink 系列無線MCU中,使得MCU不需要任何外部振盪器即可運作。如圖1所示,BAW諧振器完全整合在7mm×7mm四方扁平無引線(QFN)的CC2652RB裝置封裝中。透過提供精確的參考頻率為數位鎖相環(PLL)提供服務,使得PLL能夠在48MHz穩定運作。
為了在此溫度和電池(電壓)條件下實現優異的頻率穩定性,BAW諧振器擁有主動補償能力。這種主動補償在整合式射頻核心中執行,不會影響應用的MCU頻寬,而且使得裝置能夠在整個工作電壓(1.8V~3.6V)和溫度(-40℃~85℃)範圍提供40ppm的嚴格頻率誤差。
相形之下,外部48MHz晶體在室溫下出現合理的頻率誤差(典型值約10ppm),但是在整體工作範圍內往往會出現數十倍ppm的變化。因此,可以消除晶體選擇的複雜性(特別是在需要滿足嚴格的ppm要求時),藉以簡化設計決策。
無晶體設計的其他優點還包括平均節省晶體成本0.40美元~0.80美元,更不用說因為簡化材料清單而明顯降低晶體採購的風險(在外部晶體的交付週期很長的情況之下)。
圖2顯示裝置上整合式BAW諧振器與現成外部晶體的頻率誤差所呈現的典型範例圖。可以看出,無晶體無線MCU的頻率準確度與使用外部晶體的無線 MCU一樣好。注意對於Bluetooth Low Energy、Thread和Zigbee等通訊協定,40ppm是所需的頻率誤差規格,才能保持連線完整性,並確保資料傳輸的可靠。
圖2 CC2652RB無晶體無線SimpleLink MCU射頻準確度。
另外,可以在圖3中看到,支援BAW 的裝置處於同等狀態,而且不影響接收器靈敏度,或在工作狀態下出現性能下降。
圖3 CC2652RB MCU的接收器靈敏度。
現在,已經解決性能的重要面向,包括工作條件下的頻率誤差和接收器靈敏度,接著來看看整合式BAW技術的功耗。採用這種技術時,最好考量Bluetooth Low Energy等等標準無線通訊協定的使用情況。
請注意,BAW諧振器能緊密整合到Bluetooth Low Energy堆疊,且軟體能夠以智慧的方式開啟諧振器(工作週期),以大幅降低功耗。使用整合式BAW諧振器,通常會在500µA的範圍內產生額外的功耗。表1說明典型的工作週期應用,使用BAW諧振器時有功耗的增加導致總功耗的增加最小化。
可以發現頻率準確度對於接收器靈敏度的另一個重要影響是,接收器可以在保持預期PER(封包錯誤率)時識別最弱的訊號。
連網產品呈現的新興趨勢是無線技術擴及醫療市場,提供顯著生活品質的改善。物聯網的許多應用包括心律調節器、連續血糖監測儀、輸液泵和遠端患者監控系統已證實是改變遊戲規則的主因,能夠以簡單且低成本的方式在全球發展高品質醫療服務。在醫療穿戴式設備中,實現無線連線必須考量最重要的設計考量因素:空間最佳化。在這種情況下,很容易看出節省的每平方公釐空間對於產品的使用極為重要。
圖4顯示使用外部晶體的CC2652R裝置電路板配置圖。該圖特別顯示外部晶體使用的空間以及所需的走線路徑。綜上所述,無晶體MCU實現前所未有的整合度,為物聯網產品帶來令人振奮的新境界,改變在邊緣節點中採用、實現和使用無線技術的情況,同時提供更智慧的方式進行連線。
圖4 電路板配置顯示Launchxl-cc26x2r1上的外部晶體使用的空間。
(本文作者皆任職於德州儀器)
儒卓力供應Redpine Signals超低功耗無線MCU
Redpine Signals的RS14100 WiSeMCU系列是儒卓力提供的首款具有多協定無線子系統的無線安全MCU。而且,這些SoC器件和模組還具有語音活動偵測(VAD)功能和多達8個電容式觸控感測器輸入。RS14100系列為電池供電的物聯網設備提供了業界最低的功耗。
這款無線SoC和器件模組可以同時運行多種協定,包括802.11a/b/g/n (2.4GHz和5GHz),雙模式藍牙5以及用於Thread和Zigbee的802.15.4。
RS14100系列的片上應用程式管理器建基於具有最高180MHz高效性能和多達4MB快閃記憶體的Arm-Cortex-M4,提供多種電源模式,可根據需求來控制作業系統的功耗。這些超低功耗SoC和模組可實現低於50uA的最低Wi-Fi待機相關功耗,而Arm-Cortex-M4的運行功耗則可低至15 uA/MHz。這個整合式藍牙5的功耗甚至比單獨的藍牙5器件還要低。
RS14100 SoC和模組建基於一種安全區域架構,使用多級安全功能,包括物理不可複製功能(PUF)、加密硬體加速器、安全引導程式(Secure Bootloader)和安全韌體升級、XIP和周邊設備。這就是它們可為行動銷售點終端、智慧鎖、醫療設備或建基於安全語音的訂購等應用提供充足安全性的原因。
儒卓力供應Redpine無線MCU解決方案
RS13100無線MCU是一款支援藍牙5和802.15.4技術,並且能夠運行ZigBee或Thread協定的超低功耗雙模式SoC元件,可為音訊、資料傳輸、定位和控制應用提供必要的連接選項和處理能力,是穿戴式設備、家庭自動化、工業自動化、照明和家用電器市場的理想解決方案。
RS13100 SoC元件具有高達180MHz性能的ARM Cortex M4F、最大4MB專用快閃記憶體和400kB RAM,能夠平穩高效地處理具有非常嚴苛要求的運作。為了打造擁有高度安全性的系統,RS13100包含了多層的安全性,其中包括物理反複製技術(Physically Unclonable Function, PUF)、加密硬體加速器、安全啟動和安全區。
這款SoC提供速率為125kbps的低功耗藍牙5長距離、2Mbps的高資料速率及廣告擴展功能,確保了高連線性。它還具有先進的射頻性能,低功耗藍牙和802.15.4輸出功率高達20dBm,可提供長距離無線連接和更高輸送量。借助整合式無線堆疊和設定檔,客戶可以很容易地整合和評估RS13100。RS13100元件的尺寸僅為3.51mm × 3.60mm (SoC)和4.63mm × 7.90mm(模組),外形尺寸超小。