怎样选择一颗满意的无线SoC

大家好，小科来为大家解答以上问题。怎样选择一颗满意的无线SoC这个很多人还不知道，现在让我们一起来看看吧！

1、根据全球移动通信系统协会(GSMA)的研究数据，2010-2020年全球物联网设备数量复合增长率高达19%，2020年达到126亿台；到2025年，这一数字将攀升至246亿。

2、其他机构的预测数据虽然有所不同，但大多在百亿级别，且大多认为未来十年这一进程会继续加速，向千亿规模迈进。

3、在这样的大趋势下，无线互联市场无疑将迎来持续增长期。

4、“联网”设备最直接的技术方案是“MCU射频模块”的双芯片架构，即在电子应用系统的基础上，增加单独的无线射频通信设备。

5、但是按照半导体圈通常的发展逻辑，当这个市场足够大的时候，人们就会想“为什么不集成MCU和射频无线收发机”。这样一来，就可以实现无线通信，可以在单个芯片上运行应用程序，无疑在成本和体积上更划算。

6、无线SoC(有时也叫无线MCU)就是在这种背景下应运而生的。

7、无线SoC的选择要素

8、时至今日，无线SoC虽然还不能完全取代双芯片架构，但已经日趋成熟，在市场上得到广泛应用。

9、但是对于开发者来说，下面的一个挑战就是：无线SoC产品越来越多。应该如何选择适合自己的？考虑到无线SoC比纯MCU架构更复杂，需要考虑的因素更多，所以我们在选择上要更加注意。

10、无线保真

11、根据应用需求，在综合评估数据传输速率、传输距离、功耗、成本、网络容量、安全性等因素的基础上，选择合适的无线技术通常是第一步。

12、在可选的无线技术中，基于2.4GHz频段的Wi-Fi、蓝牙、Zigbee等短距离互联技术是目前市场上的主流，有分析显示基于此类无线保真的连接数量占到70%以上。

13、这些无线技术属于开放的技术标准，市场普及率高，生态相对完善，都是先天优势；然而，他们的覆盖范围通常不到100米，而且还面临着2.4GHz频段日益拥挤的局面。因此，必须认真对待抗干扰和兼容性方面的挑战。

14、由于无线传输距离与频率成反比，如果应用需要更长的互联，1GHz以下的亚GHz无线技术将更具优势，穿墙能力更强。同时没有2.4GHz频段那么多的干扰源，有利于提高系统网络的整体性能。

15、在这个频段内，有很多可用的频段(如433MHz、868MHz、915MHz)不需要授权或者需要授权。在此基础上，也开发了许多专用的无线通信协议。用户可以充分利用这些资源，灵活快速地部署自己的物联网架构，满足定制化的应用需求。

16、硬件平台

17、确定了所需的无线技术后，下一步就要看无线SoC的硬件架构了。

18、目前主流无线SOC采用双核架构，即一个Arm Cortex-M3/M4处理器核加一个Cortex-M0/M0核：前者为主处理器，功能是运行应用软件；后者用于处理无线保真，执行实时射频任务，可以有效降低主处理器的工作量。

19、这种“双核分离”的架构还有一个好处：SoC中的射频系统实际上是被“打包”成一个独立的射频单元，双核中的皮质-M0/M0核一般不会对用户开放。对于开发人员来说，整个系统就像一个单核的MCU，因此他们可以更专注于Cortex-M3/M4主处理器上的应用开发，从而简化整个系统的开发。

20、因此，如果没有特殊要求，双核架构的无线SoC无疑是更好的选择。

21、安全特性

22、在物联网的应用中，“安全问题有一票否决权”已经成为共识，因此安全特性也必然是无线SoC设计中的必要选项。

23、无线SoC的安全性可以从以下几个方面来衡量，如：是否内置安全功能模块(如硬件加密加速器、真随机数发生器等。);是否采用了安全的CPU内核(如支持Arm TrustZone的内核)；能否提供配套的软件资源等。

24、有

更为重要的一点是，无线SoC厂商是否可以将上述这些安全机制，整合成一个完整的解决方案，满足实际应用中的安全策略所需，这样就可以大大减少用户在安全方面的资源投入。

26、而且这样的解决方案，如果能够获得行业权威的安全认证，就更是能够让用户吃下一粒“定心丸”。

低功耗

大多数的无线物联网设备都是功耗敏感型的，尤其像Sub-GHz这样的应用，覆盖范围广，维护难度大，当然需要更强的续航能力，更突出的低功耗特性。

应对功耗挑战，无线SoC常用的策略有两点。

30、一是更精细的功耗分级管理，即芯片可以根据实际应用需求来激活/关闭相应的功能模块，减少无谓的电能消耗；二是将主处理器的工作卸载到专门的协处理器和外设硬件上，尽可能减少主处理器这个能耗大户的工作时间。

31、当然，采用更先进的工艺、低功耗的处理器架构等，也都是在优化低功耗特性上可以发力的地方，进而提升无线SoC整体的功耗表现。

外设功能

既然叫无线“SoC”，也就意味着除了核心的处理器内核、存储器等计算控制资源外，还会集成丰富的外围功能模块。

34、这些外围模块中，重点要观察的有模拟、电源管理、接口、时序管理等几个方面，这些外设资源也是能够体现出SoC产品差异化的地方，需要根据设计要求进行细致地评估。

35、比如，在对信号链处理有较高要求的应用中（如传感器系统），就要仔细查看模拟功能的规格；如果对数据交互和可扩展性方面要求更多，则要重点观察接口资源的配置。

36、有经验的无线SoC供应商，通常会根据市场的需要和自己的经验，在这些外设资源和成本等要素之间做很好的平衡，定义出相应的产品，获得尽可能大的用户价值。

上面说了这么多，具体到实际工作中，应该怎样选择一颗满意的无线SoC？下面我们就通过一个实例进行说明。

Sub-GHz单芯片方案

Silicon Labs公司推出的EFR32FG23Flex Gecko SoC，是一款专为网络化、安防、照明、楼宇自动化和智能表计等应用而设计的Sub-GHz单芯片方案，如果按照上文所述几个无线SoC要素来衡量，EFR32FG23在各个方面的表现都是可圈可点的。

图1：EFR32FG23 Flex Gecko无线SoC

（图源：Silicon Labs）

从芯片架构上看，EFR32FG23采用了主流的双核架构：一颗Cortex-M0+内核专司射频子系统的工作；主控处理器则采用了一颗主频达80MHz、带有DSP指令和浮点单元的Cortex-M33内核，可以满足常规的物联应用设计需求。

图2：EFR32FG23无线SoC系统框图

（图源：Silicon Labs）

从无线和射频功能上看，基于Sub-GHz频段的EFR32FG23的传输距离能够覆盖1英里以上的范围。

48、其经过专门优化的射频功率放大器兼具高发射功率、低功耗、高接收灵敏度的特性。

在灵敏度方面，EFR32FG23的表现出众，从表1中我们可以看到在不同工作条件下其灵敏度的数值，与市面上其他同类无线SoC相比优势非常明显。

50、这也意味着，EFR32FG23在各种应用场景下，可以为用户提供更稳定可靠的的射频功能。

表1：EFR32FG23接收器的灵敏度特性

（图源：Silicon Labs）

EFR32FG23还可支持多种调制方案（如2/4 （G）FSK、OQPSK DSSS、（G）MSK、OOK等），以及多种Sub-GHz的无线协议，包括Amazon Sidewalk、mioty、无线M-Bus、Z-Wave和其他专有物联网络，为开发者提供了一个灵活的、多协议的Sub-GHz解决方案。

从射频系统的功耗表现来看，EFR32FG23的发射功率可高达+20dBm，而对应的TX电流为85.5mA；在868MHz时10dBm功率下TX电流仅为13.2mA，RX电流仅为3.7mA。

56、这也为无线SoC整体功耗的控制提供了保障。

表2：EFR32FG23射频系统的低功耗特性

（图源：Silicon Labs）

在器件整体的低功耗特性方面，除了前面提到的经过优化的低功耗射频子系统之外，从图2中可以看出，EFR32FG23支持的功率管理级别多达5级（E0至E4），这也就意味着可以实施更为精细的按需供电管理，使得该器件可以很好地满足低功耗、长距离无线连接应用所需。

61、以下是Silicon Labs提供的几个功率级别下的典型功耗数值：

EM0工作模式（39.0MHz）：26μA/MHz

EM2深度睡眠模式（64kB RAM保留并从LFXO运行RTC）：1.5μA

EM2深度睡眠模式（16kB RAM保留并从LFRCO运行RTC）：1.2μA

此外，在外设方面，EFR32FG23提供的资源也极为丰富，从模拟、定时器/计数器，到通信接口一应俱全，还包括低功耗LCD控制器、键盘扫描仪 （KEYSCAN）、芯片温度传感器等很“贴心”的功能模块，为应用开发带来了极大的便利性和可扩展性。

EFR32FG23丰富的外设资源

模数转换器 （ADC）

- 12位 @1Msps

- 16位 @76.9ksps

2× 模拟比较器 （ACMP）

2× 数模转换器 （VDAC）

低能耗传感器接口 （LESENSE）

8通道DMA控制器

12通道周边反射系统 （PRS）

4个16位定时器/计数器，带3个比较/捕获/PWM 通道

1个32 位定时器/计数器，带3个比较/捕获/PWM 通道

32位实时计数器

用于波形生成的24位低能耗定时器

16位脉冲计数器（异步操作）（PCNT）

2× 看门狗定时器

3× 升级版通用同步/异步接收器/发射器 （EUSART）

1× 通用同步/异步接收器/发射器 （UART/SPI/SmartCard（ISO7816）/IrDA/I2S）

2个支持SMBus的I2C接口

集成低功耗LCD控制器，支持多达80个分段

键盘扫描仪支持高达6x8矩阵 （KEYSCAN）

芯片温度传感器，在整个温度范围内具有+TBD/-TBD°C 的精度

经过PSA认证的安全特性

在EFR32FG23诸多特性中，其出色的安全特性尤其让人印象深刻。

从EFR32FG23的系统框图中可以看到，其具有一系列安全特性，包括支持主流加密标准的硬件加密加速、真随机数发生器 （TRNG）、基于硬件信任根的安全启动、安全调试、物理篡改、安全认证身份，以及物理不可克隆功能（PUF）密钥管理技术，尽可能地降低物联网安全漏洞和知识产权受损的风险。

90、同时，EFR32FG23所采用的Cortex-M33内核还支持Arm TrustZone安全特性，也是下一代安全敏感型MCU的标配。

Silicon Labs将上述这些安全特性统合在一起，形成了一个完整的Secure Vault解决方案，并获得了来自Arm的PSA认证项目和ioXt 联盟（ioXt Alliance）等第三方物联网的安全认证。

92、不夸张地讲，Secure Vault技术是当今物联网无线SoC先进硬件和软件安全保护功能的集大成者，可以简化开发、加快产品上市时间并帮助设备制造商开发面向未来的产品。

图3：Secure Vault技术获得了Arm的PSA 3级认证

（图源：Silicon Labs）

Secure Vault的安全功能包括：

安全设备标识

Silicon Labs的工厂信任部署服务带有可选的安全编程服务，可为每个单独的硅芯片在IC制造期间提供类似于出生证明的安全设备标识证书，从而支持部署后的安全性、真实性和基于证明的健康检查。

99、设备证书可确保芯片在其使用寿命内的可靠性。

安全密钥管理和存储

设备和数据访问安全方案的有效性直接依赖于密钥的保密性。

102、使用Secure Vault，可以对密钥进行加密并将其与应用程序代码隔离。

103、由于使用PUF生成的主加密密钥对所有密钥进行加密，因此提供了几乎无限制的安全密钥存储。

104、每一个设备的开机签名都是独一无二的，并且主密钥在开机阶段创建，从而无需主密钥存储，进一步减少了攻击途径。

先进的篡改检测

此特性支持从易于实现的产品外壳防篡改功能到通过电压、频率和温度操作对硅芯片进行复杂的篡改检测。

107、可配置的篡改响应功能使得开发人员可以设置适当的响应动作，包括中断、复位或在极端情况下删除密钥。

可见，有了Secure Vault安全功能的加持，不仅能够满足现今物联网应用的安全所需，也完全可以应对未来的安全监管措施和法规的要求，为Sub-GHz无线设备提供一道稳固的安全防线。

设计生态已就绪

总结一下，作为Silicon Labs公司Series2平台系列产品中的一员，EFR32FG23提供了远距离互连和低功耗的特性，以及丰富的外设功能，且通过了Arm PSA 3级安全认证，可以说是电池供电的高性能Sub-GHz无线解决方案的理想选择。

111、同时，EFR32FG23在射频方面支持多种调制方案和无线协议，为开发人员提供了灵活、多协议的Sub-GHz连接选择，在全球范围内的市场适应性和可扩展性也很强，是一款各方面综合表现都很优秀的无线SoC产品。

值得一提的是，得益于Series2平台资源的支持，与EFR32FG23配套的设计生态也已经就绪。

113、比如在开发工具方面，目前就已经有一系列的产品可以提供。

114、比如下面这款FG23 868MHz至915MHz +14dBm开发套件，就是一款外形紧凑、功能丰富的开发平台，支持FG23的板载分段LCD控制器以及LESENSE和脉冲计数器等关键特性，能够加速开发者的器件评估和原型开发进程。

图4：FG23 868MHz至915MHz +14dBm开发套件

（图源：Silicon Labs）

图5：FG23 868MHz至915MHz +14dBm开发套件系统框图（图源：Silicon Labs）

总之，EFR32FG23不仅是开发Sub-GHz长距离、低功耗无线物联应用的理想选择，从它身上你也能够看到一颗优秀无线SoC应该具备的能力和实力。

121、有了这样的认知，面对未来千亿级的物联网设备市场，想必你一定是信心满满了吧！

本文到此结束，希望对大家有所帮助。