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Microchip Technology 無線解決方案產(chǎn)品部 資深市場(chǎng)營(yíng)銷工程師 Alex Li 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)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(jiǎn)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(duì)這些器件有所了解。 當(dāng)今市場(chǎng)上存在低成本的Wi-Fi連接方案，但通常會(huì)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(huì)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(duì)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(hào)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(huì)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(cè)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(cè)規(guī)范，但與數(shù)據(jù)手冊(cè)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。可用于執(zhí)行轉(zhuǎn)換的位數(shù)越少，SoC的輸入信號(hào)的精度就越低。 此外，與所有電子器件一樣，ADC會(huì)為信號(hào)“貢獻(xiàn)”一些對(duì)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。 
Absolute Value of Gain Err (LSB count) 增益誤差的絕對(duì)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
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(huì)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(huì)增加更多的接口，有時(shí)可能需要支持觸摸檢測(cè)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(duì)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(huì)在整個(gè)設(shè)施乃至整個(gè)公司擴(kuò)散。第一級(jí)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(shí)，是設(shè)計(jì)人員針對(duì)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(jiǎn)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(zhǎng)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(chǔ)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(chǔ)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(tái)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)。
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(duì)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(píng)級(jí)安全密鑰存儲(chǔ) 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(chǔ)在硬件中加以隔離，使其幾乎不會(huì)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(huì)存儲(chǔ)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(tái)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(jiǎn)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(duì)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。 確保互操作性 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(chǎng)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(chǎng)上最常用AP的互操作性測(cè)試，從而能最大程度地減少問題。此信息通常可從制造商網(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(qǐng)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(tái)，設(shè)計(jì)人員只能將一些不確定是否有用、簡(jiǎn)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(duì)整體性能的影響可視化，還應(yīng)具備評(píng)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(píng)估板。
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(cè)試工具 RF signal quality 射頻信號(hào)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(shì)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(duì)簡(jiǎn)單。這些資源包括高度安全性（通過一種簡(jiǎn)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）。 |
