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采用MCU控制物联网节点的设计开发

出处:电子发烧友 发布于:2019-01-24 14:03:41 | 487 次阅读

可以说,物联网目前正在经历一些“成长的痛苦”,包括它所做的(或不做的)。虽然它可能不被视为推动这一趋势,但嵌入式电子行业肯定能够实现这一目标,因此无可争议地在塑造它的过程中处于领先地位。

这个行业中的一些人 - 他们了解最外层的技术并不是 - 我觉得物联网将成为更大的东西的一部分:“万物互联”;但语义除外很明显,机会是巨大的,估计到2020年将达到500亿台设备,有些甚至预测到2025年将达到1万亿。

鉴于其中许多设备将成为大型网络上的小节点,物料清单在组件和总成本方面需要很小。由于这个原因,每个节点无论大小,都会有一些形式的微控制器。鉴于开发人员将尽可能降低BoM的压力,他们似乎很可能只选择那些在价格和功率预算范围内提供正确功能组合的MCU

功能丰富

目前提供的各种MCU反映了它们所支持的应用的多样性;飞思卡尔目前是提供最多Cortex-M变体的制造商,其产品组合超过200个不同的部件。物联网所承诺的承诺已经在集成层面推动创新,制造商专注于开发新系列的MCU,以解决特定的物联网使用案例,这意味着开发人员可以期望在不久的将来享受更多的选择。但是,虽然未来无疑将需要非常具体的配置,但MCU因其通用性而受欢迎,这意味着市场上已有许多设备可以轻松满足物联网应用的初始需求,在成本,功耗,性能和功能方面。当然,低功耗操作的问题并不新鲜,大多数制造商完全理解开发人员在性能和功耗之间需要做出的权衡。因此,过去几年推出的大多数MCU都设计用于提供某种形式的电源管理。通常这有两种形式;低功耗操作和省电睡眠模式。两者在物联网中都至关重要,因为许多较小的节点预计可以使用单个电池运行,理想情况下,在投入使用后可以免维护几年。这急剧突显了对低功耗操作和良好电源管理功能的需求。幸运的是,部署的许多节点对大多数标准都有极其适度的性能要求,这意味着只要开发人员充分利用了节能功能,如果是MCU,它们应该能够通过单个电池满足更长的使用寿命。虽然它可能仍然比实现更具吸引力,但是随着更多样化的用例出现,对仅从其环境中清除或收集的电力运行的节点的需求无疑会增长。这将由许多垂直行业的另一个大趋势推动并实现;大数据。物联网将在实现这一目标方面发挥关键作用,并且两者在未来可能会有些共生。

专注于功能

虽然物理尺寸至关重要,但它不能以功能为代价。为了支持物联网应用,“必备”功能列表可能包括灵活的模拟和数字接口(以适应一系列传感器)和某种形式的连接。越来越多的意味着无线,因此一定程度的RF集成将受到高度追捧。从目前可用的众多MCU中,有三个能够提供正确的功能组合:Silicon Labs的Si106x/08x,德克萨斯的CC2538仪器和Nordic Semiconductor的nRF51422。

采用MCU控制物联网节点的设计开发

图1:Silicon Labs的Si106x/08x系列提供低功耗8051兼容内核和Sub-GHz RF收发器。 br》如图1所示,Si106/x/08x集成了Silicon Labs专有的8051内核CIP-51,它与MCS-51指令集代码兼容,同时提供标准8052的外设集。 Labs将核心设计为流水线架构,与标准8051架构相比,它大大提高了指令吞吐量。传统8051中的大多数指令执行12或24个系统时钟周期,而CIP-51在一个或两个系统时钟周期内执行其109个指令的70%,而只有8个指令需要四个或更多个周期。 》然而,或许更重要的是,Si106x/08x系列器件集成了低功耗Sub-GHz收发器,其中包括一个功率放大器,在915 MHz时产生+20 dBm输出功率时仅消耗85 mA,在169 MHz时输出70 mA 。当输出功率降至+ 18 dBm时,这种效率在+10 dBm时更加明显。功率放大器还实现自动斜升和斜降,以最大限度地减少频谱扩展,同时支持跳频和天线分集。

由于其低功耗和实现简单或定制协议的能力,节点在Sub-运行GHz频率可能会很普遍(如今),但物联网还需要制造商之间的互操作性,在这种情况下,通常需要标准协议。当然,一种可能流行的协议是ZigBee德州仪器TI)的CC2538是一款支持ZigBee的RF MCU,采用ARM Cortex-M3内核,能够以高达32 MHz的频率运行,并与2.4 GHz IEEE 802.15.4兼容的收发器相连(图2)。此外,该设备能够支持双ZigBee应用配置文件。为了保证节点安全,它还集成了AES-128/256,SHA2硬件加密引擎和可选的硬件加速引擎,以实现安全密钥交换。

采用MCU控制物联网节点的设计开发

图2:德州仪器‘CC2538集成了ARM的Cortex-M3内核和符合ZigBee标准的RF收发器,能够运行两个ZigBee应用配置文件。

第三种选择为开发符合蓝牙低功耗协议的物联网节点提供低功耗解决方案,nRF51422来自Nordic Semiconductor。该器件集成了ARM Cortex-M0内核和多协议2.4 GHz无线电,能够运行蓝牙,ANT/ANT +或专有协议(图3)。蓝牙和ANT协议作为Nordic Semiconductor的预编译二进制文件提供,消除了进一步的开发阶段。

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图3:Nordic Semiconductor的nRF51422通过集成ARM专注于低功耗Cortex-M0内核和符合蓝牙低功耗标准的收发器。

大数据和物联网

虽然许多不可避免的好处仍未定义,但物联网最初将允许伪智能设备不仅具有反应性,而且积极主动。节点将根据他们直接收集的数据或通过其本地网络传递给他们的数据来确定操作,更重要的是,可以通过Internet访问任何其他网络。

此数据将由节点“创建”衡量每个可以想象的参数,将代表大量的信息 - 即所谓的“大数据”范式。虽然挖掘这些丰富的信息将不属于大多数物联网设备的责任,但它们无疑会充分利用它,依靠其他(基于云的)处理场来完成大部分整理,分析和分发。 》与此同时,IoT节点将成为这个新数字“蜂巢”的“工蜂”,因此他们将不遗余力地收集数据。更重要的是,它们将成为现代生活中不可或缺的一部分,自动完成许多任务,使用户和其他节点能够更高效地运作。支持传感器的节点可能会成为所有变种中部署最广泛的节点,并且功能强大,可以本地处理它们收集的数据,它们需要能够以节能的方式在本地网络中传输这些数据,主要使用充当本地集线器的“网关”设备。该网关将由电源供电,具有比普通节点更多的处理能力,充当其本地网络上数十个甚至数百个节点的协调器,通过广域将其提供的大部分数据传输到其他网络网络或实际上是互联网。

在这种情况下,适合在基于物联网传感器的节点中部署的MCU的简要列表变得更加清晰,允许开发人员快速关注(或者更确切地说,丢弃)许多目前可用的数千种通用MCU变体。

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