豐富的低功耗無線互聯方案促成廣泛的IoT應用

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IoT邊緣節點方案概覽

IoT的一端是雲端,靠近資料中心,另一端是邊緣節點,靠近感測器網路和各種執行器。針對邊緣節點,安森美半導體具備全面的IoT產品陣容,涵蓋感知、互聯、電機驅動、LED照明驅動、處理/MCU、有線充電、無線充電及電源管理等建構塊,提供多種封裝技術,包括多晶片封裝(如傳統的並排(Side by Side)封裝、更高整合度的堆疊式(Stacked die)封裝)、系統級封裝(把天線和無源器件整合到單個封裝,簡稱SiP)、微型封裝、模組化封裝等,並透過相關的測試和認證,幫助實現高整合度、高能效、具成本優勢的創新IoT方案。

 

圖1:安森美半導體全面的IoT產品陣容

 

在無線互聯方面,安森美半導體提供符合Sub-GHz、2.4 GHz、Sigfox、Thread、Zigbee、BLE等協議的無線互聯方案,從標準產品、RF和MCU核心器件、模組、定制方案乃至開發硬體和軟體的整體方案,協助設計人員加快產品開發和上市時間。

 

Sub GHz/2.4 GHz 無線互聯方案

安森美半導體提供獨立的可程式設計低功耗Sub GHz RF收發器內核、超低功耗2.4 GHz IEEE 802.15.4 RF 收發器內核、系統單晶片(System on a Chip;SoC)、CodeBlocks整合式開發環境(Integrated Development Environment;IDE)以及Radiolab軟體。設計人員可根據需求靈活搭配硬體內核、封裝和添加軟體,實現不同的方案。表3列出了現有的硬體組合。

 

表1:硬體模組 –RF收發器內核

 

表2:硬體模組–MCU內核

 

表3:現有的硬體組合,其中 NCS36510 是唯一的單片式 SoC(即一個裸矽片)

 

AX8052F143窄帶Sub GHz RF SoC把軟體無線電AX5043和MCU內核8052如AX8052F100組合,針對Sub GHz無線應用。其中AX5043頻率範圍27 MHz至1050 MHz,資料速率100 bps至125 Kbps,支援FSK、MSK、 4-FSK、 GFSK、GMSK、ASK、 AFSK、FM、PSK的調製模式,功耗低,在433 MHz/868 MHz下的接收電流僅9.5 mA,在16 dBm、868 MHz下的發射電流平均值僅45 mA,接收靈敏度極佳,在100 bps、868 MHz FSK的靈敏度達-135 dbm。8052 MCU內核提供20 MHz主頻,8.25 KB RAM,64 KB Flash。AX8052F143的各項參數與AX5043基本一致。電源電壓範圍1.8 V至3.6 V,工作溫度範圍-40 °C至+80 °C,符合世界主要地區的無線電管理規範如EN 300 220 V2.3.1、EN 300 422、FCC Part 15.247、FCC Part 15.249、FCC Part 90等。

 

AXM0F243窄帶Sub GHz RF SoC把AX5043和MCU內核 ARM Cortex M0+ 組合。ARM Cortex M0+提供48 MHz主頻,8 KB RAM,64 KB Flash。

 

完整的CodeBlocks IDE包括全整合的、支援安森美半導體所有RF SoC的相關開發套件,無縫整合專有RF協定的支援,透過按下RadioLab代碼生成器按鈕,生成無線部分的韌體代碼。針對8052, 支援 IAR 和 SDCC ;針對 M0+,  支援 IAR 和 ARM GCC。

 

Radiolab是無線收發器、寄存器、配置器和韌體生成器,設計人員可透過Radiolab選擇PHY 和 MAC 層選項配置如頻率、調製、資料速率、頻寬、位元址或封包過濾、可配置的header/footer、幀、支援同步和非同步協定、喚醒無線電配置等等,生成的韌體與CodeBlock無縫整合,還支援常見的無線電測試如位元錯誤率(bit error rate;BER)及簡單的封包錯誤率展示範例。

 

Sigfox無線互聯方案

安森美半導體提供SoC如AX-SFxx/AX-SFxx-API支援所有Sigfox區域,和SiP支援RCZ1區域,所有參考設計都通過Sigfox認證,並提供AT指令控制的數據機應用程式設計介面(Application Programming Interface;API),協助客戶加速產品上市時間,同時,帶有軟體開發套件 (Software Development Kit;SDK)的API可擴展更多應用。

 

以Sigfox SiP模組AX-SIP-SFEU為例,它把一個Sigfox無線電IC、分立的RF匹配、所需的所有無源器件和韌體整合在一個微型方案中。優勢有:微型,僅占基於PCB模組方案空間的10%;功耗超低,待機電流、睡眠電流和深度睡眠模式電流分別僅為0.55 mA、1.2 A和180 nA;無需外部器件,具有所有相關的審批和Sigfox驗證,顯著降低設計風險,加快上市時間,並簡化供應鏈。AX-SIP-SFEU透過通用非同步收發器(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter;UART)介面進行設備連接。AT命令用於發送幀和配置無線電參數;對於想要編寫自己的軟體以實現真正單晶片方案的設計人員,可使用AX-SIP-SFEU-API

 

基於IEEE802.15.4的無線互聯方案

針對基於IEEE802.15.4實體層的應用,安森美半導體主要提供符合ZigBee 3.0、Thread/

6LoWPAN的產品,這些產品都包括必要的軟體資源和協定。如NCS36510單片式SoC是經最佳化的超低功耗RF MCU,針對ZigBee、Thread、專有ARM Cortex-M3 MCU 和2.4 GHz 802.15.4 RF收發器,特別適合智慧家庭、智慧建築等應用。NCS36510接收電流平均值僅3.6 mA,在8dBm的發射電流僅14.3 mA,靈敏度-99 dBm,ARM Cortex-M3 MCU提供32 MHz主頻,48 kB RAM,640 KB Flash。ZigBee的協定已包含在IAR軟體發展套件(SDK)中。該方案提供1 V至1.6 V的1 V電壓模式和2 V至3.6 V的3 V電壓模式。

 

BLE無線互聯方案

針對BLE,安森美半導體藍牙5 認證的SoC RSL 10為多領域IoT應用提供產業最低藍牙功耗,如智慧建築/城市、照明/家電、抄表、監控、火災/煙霧探測器等工業應用,助聽器、病人監測、血糖儀等行動醫療,車鑰匙、感測器、 T-BOX、車聯網(V2X)等汽車應用場景,以及可穿戴等消費級無線設備。此外,RSL10還支援藍牙Mesh網路。RSL10領先於嵌入式微處理器基準評測協會(EEMBC) ULPMark能效評測,取得該評測史首次超過1,000分的成績,在睡眠模式下的最低功耗僅62.5 nW,在0 dBm、3 V工作電壓下的峰值發射電流和峰值接收電流分別僅4.6 mA和3.0 mA。

 

RSL10具有1.1 V至3.3 V的寬電壓範圍,內置DC-DC、LDO等電源管理位元、AES128資料安全加密、384 kB Flash(有256 kB空間供使用者程式使用),使用ARM® Cortex®-M3處理器, 支援標準的BLE協定和2.4 GHz專有協定,天線介面無需外部巴倫,憑藉藍牙5可實現2百萬位元每秒(Mbps)的速度。同時,RSL10還整合32位雙乘加器(Dual-MAC) DSP內核 LPDSP32以滿足加強的訊號處理需求。

 

圖2:RSL10框圖

 

RSL10採用不同的封裝可滿足多種應用場景:如6×8 mm 的RSL10 SiP含天線、濾波、電源管理、無源器件,並通過多國的體系認證,可實現最簡單的導入設計;採用6×6 mm QFN的RSL10適用於工業、消費和醫療應用;針對汽車應用,提供7×7 mm 可潤濕側翼QFN封裝,符合AEC-Q100認證,具備-40至+105 °C的工作溫度範圍;針對空間極為受限的應用,提供2.3x 2.3 mm的晶圓級晶片封裝 (Wafer Level Chip Scale Package;WLCSP)。

 

例如,RSL10的超低功耗特性極其適用於透過能量採集實現完全免電池的方案。能量採集方案指系統自身將機械能或光能等能量轉換為電能,無需電線或電池供電,適用於難以維護的應用場景。

 

圖3:RSL10能量採集方案

 

安森美半導體提供RSL10 SDK、開發硬體,並視需要提供LPDSP32開發工具。RSL10 SDK包括藍牙協議、範例代碼、庫、文件、Arm Cortex-M3 處理器開發(GNU 工具鏈)、Eclipse 和 Keil 整合式開發環境、CMSIS 套裝軟體。開發硬體包括開發板 和USB Dongle。

 

總結

安森美半導體豐富的無線互聯方案陣容涵蓋市場各種標準協議,具有低功耗、靈活的產品組合和多種封裝形式等優勢,結合針對IoT邊緣節點的感知、驅動、計算、電源管理等全面的產品陣容,促成工業物聯網、智慧家庭/建築、行動醫療、車聯網等廣泛的IoT應用。

 

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