丰富的低功耗无线互联方案促成广泛的 IoT 应用

2019-06-10 17:39

物联网 (IoT) 的迅猛发展是关键的行业大趋势之一,而无线互联是IoT的重要构建块。安森美半导体提供符合 Sub-GHz、2.4 GHz、Sigfox、Thread、Zigbee、蓝牙低功耗 (BLE) 等各种标准协议的高性能、超低功耗无线互联方案,并支持各种定制协议和专有协议的开发和应用,以满足不同的 IoT 互联需求。重点应用市场包括工业 IoT、车联网(V2X) 、移动医疗和便携式设备。


IoT 边缘节点方案概览
IoT 的一端是云,靠近数据中心,另一端是边缘节点,靠近传感器网络和各种执行器。针对边缘节点,安森美半导体具备全面的 IoT 产品阵容,涵盖感知、互联、电机驱动、LED 照明驱动、处理/MCU、有线充电、无线充电及电源管理等构建块,提供多种封装技术,包括多芯片封装 (如传统的并排 (Side by Side) 封装、更高集成度的堆叠式 (Stacked die) 封装) 、系统级封装(把天线和无源器件集成到单个封装,简称 SiP) 、微型封装、模块化封装等,并通过相关的测试和认证,帮助实现高集成度、高能效、具成本优势的创新 IoT 方案。


图1:安森美半导体全面的 IoT 产品阵容

在无线互联方面,安森美半导体提供符合 Sub-GHz、2.4 GHz、Sigfox、Thread、Zigbee、BLE 等协议的无线互联方案,从标准产品、RF 和MCU核心器件、模块、定制方案乃至开发硬件和软件的整体方案,帮助设计人员加快产品开发和上市时间。


Sub GHz/2.4 GHz 无线互联方案
安森美半导体提供独立的可编程低功耗 Sub GHz RF 收发器内核、超低功耗2.4 GHz IEEE 802.15.4 RF 收发器内核、系统单芯片(SoC)、CodeBlocks 集成开发环境(IDE)以及 Radiolab 软件。设计人员可根据需求灵活搭配硬件内核、封装和添加软件,实现不同的方案。表3列出了现有的硬件组合。


表1:硬件模块 –RF 收发器内核


表2:硬件模块–MCU 内核


表3:现有的硬件组合,其中 NCS36510 是唯一的单片式 SoC(即一个裸硅片)

AX8052F143窄带 Sub GHz RF SoC 把软件无线电 AX5043和 MCU 内核8052如 AX8052F100组合,针对 Sub GHz 无线应用。其中 AX5043频率范围27 MHz 至1050 MHz,数据速率100 bps 至125 Kbps,支持 FSK、MSK、 4-FSK、 GFSK、GMSK、ASK、 AFSK、FM、PSK 的调制模式,功耗低,在433 MHz/868 MHz 下的接收电流仅9.5 mA,在16 dBm、868 MHz 下的发射电流典型值仅45 mA,接收灵敏度极佳,在100 bps、868 MHz FSK 的灵敏度达-135 dbm。8052 MCU 内核提供20 MHz 主频,8.25 KB RAM,64 KB Flash。AX8052F143的各项参数与AX5043基本一致。电源电压范围1.8 V 至3.6 V,工作温度范围-40 °C至+80 °C,符合世界主要地区的无线电管理规范如 EN 300 220 V2.3.1、EN 300 422、FCC Part 15.247、FCC Part 15.249、FCC Part 90 等。

AXM0F243窄带 Sub GHz RF SoC 把 AX5043和 MCU 内核 ARM Cortex M0+ 组合。ARM Cortex M0+提供48 MHz主频,8 KB RAM,64 KB Flash。

完整的 CodeBlocks IDE 包括全集成的、支持安森美半导体所有 RF SoC 的相关开发套件,无缝集成专有 RF 协议的支持,通过按下 RadioLab 代码生成器按钮,生成无线部分的固件代码。针对8052, 支持 IAR 和 SDCC ;针对 M0+, 支持 IAR 和 ARM GCC。

Radiolab 是无线收发器寄存器配置器和固件生成器,设计人员可通过 Radiolab 选择 PHY 和 MAC 层选项配置如频率、调制、数据速率、带宽、地址或数据包过滤、可配置的header/footer、帧、支持同步和异步协议、唤醒无线电配置等等,生成的固件与 CodeBlock无缝集成,还支持常见的无线电测试如误码率 (BER)及简单的数据包错误率演示示例。


Sigfox 无线互联方案
安森美半导体提供 SoC 如 AX-SFxx/AX-SFxx-API 支持所有 Sigfox 区域,和 SiP 支持 RCZ1区域,所有参考设计都通过 Sigfox 认证,并提供 AT 指令控制的调制解调器的应用编程接口(API),帮助客户加速产品上市时间,同时,带有软件开发工具包 (SDK)的 API 可扩展更多应用。

以 Sigfox SiP 模块 AX-SIP-SFEU 为例,它把一个 Sigfox 无线电 IC、分立的 RF 匹配、所需的所有无源器件和固件集成在一个微型方案中。优势有:微型,仅占基于 PCB 模块方案空间的10%;功耗超低,待机电流、睡眠电流和深度睡眠模式电流分别仅为0.55 mA、1.2 A和180 nA;无需外部器件,具有所有相关的审批和 Sigfox 验证,显著降低设计风险,加快上市时间,并简化供应链。AX-SIP-SFEU 通过通用异步收发器(UART)接口进行设备连接。AT 命令用于发送帧和配置无线电参数;对于想要编写自己的软件以实现真正的单芯片方案的设计人员,可使用 AX-SIP-SFEU-API。


基于 IEEE802.15.4的无线互联方案
针对基于 IEEE802.15.4物理层的应用,安森美半导体主要提供符合 ZigBee 3.0、Thread/6LoWPAN 的产品,这些产品都包括必要的软件资源和协议栈。如 NCS36510单片式SoC是经优化的超低功耗 RF MCU,针对 ZigBee、Thread、专有 ARM Cortex-M3 MCU 和2.4 GHz 802.15.4 RF 收发器,特别适合智能家居、智能楼宇等应用。NCS36510接收电流典型值仅3.6 mA,在8dBm的发射电流仅14.3 mA,灵敏度-99 dBm,ARM Cortex-M3 MCU提供32 MHz 主频,48 kB RAM,640 KB Flash。ZigBee 的协议栈已包含在 IAR 软件开发套件(SDK)中。该方案提供1 V 至1.6 V 的1 V电压模式和2 V 至3.6 V 的3 V 电压模式。


BLE 无线互联方案
针对 BLE,安森美半导体蓝牙5 认证的 SoC RSL 10为多领域 IoT 应用提供行业最低蓝牙功耗,如智能楼宇/城市、照明/ 家电、抄表、监控、火灾/烟雾探测器等工业应用,助听器、病人监测、血糖仪等移动医疗,车钥匙、传感器、 T-BOX、车联网(V2X)等汽车应用场景,以及可穿戴等消费级无线设备。此外,RSL10还支持蓝牙 Mesh 网络。RSL10领先于嵌入式微处理器测试基准协会(EEMBC) ULPMark 能效评测,取得该评测史首次超过1,000分的成绩,在睡眠模式下的最低功耗仅62.5 nW,在0 dBm、3 V 工作电压下的峰值发射电流和峰值接收电流分别仅4.6 mA 和3.0 mA。

RSL10具有1.1 V 至3.3 V 的宽电压范围,内置 DC-DC、LDO 等电源管理单元、AES128数据安全加密、384 kB Flash (有256 kB空间供用户程序使用) ,使用 ARM® Cortex®-M3 处理器, 支持标准的 BLE 协议栈和2.4 GHz 专有协议,天线接口无需外部巴伦,凭借蓝牙5可实现2兆位每秒 (Mbps)的速度。同时,RSL10还集成32位双乘加器 (Dual-MAC) DSP 内核 LPDSP32以满足加强的信号处理需求。



图2:RSL10 框图

RSL10采用不同的封装可满足多种应用场景:如6x8 mm 的 RSL10 SiP 含天线、滤波、电源管理、无源器件,并通过多国的体系认证,可实现最简单的导入设计;采用6x6 mm QFN 的 RSL10适用于工业、消费和医疗应用;针对汽车应用,提供7x7 mm 可润湿侧翼 QFN 封装,符合 AEC-Q100认证,具备-40至+105 °C 的工作温度范围;针对空间极为受限的应用,提供2.3x 2.3 mm 的晶圆级芯片封装 (WLCSP)。

例如,RSL10的超低功耗特性极其适用于通过能量采集实现完全免电池的方案。能量采集方案指系统自身将机械能或光能等能量转换为电能,无需电线或电池供电,适用于难以维护的应用场景。



图3:RSL10 能量采集方案

安森美半导体提供 RSL10 SDK、开发硬件,并视乎需要提供 LPDSP32开发工具。RSL10 SDK 包括蓝牙协议栈、示例代码、库、文档、Arm Cortex-M3 处理器开发(GNU 工具链)、Eclipse 和 Keil 集成开发环境、CMSIS 软件包。开发硬件包括开发板 和 USB Dongle。


总结
安森美半导体丰富的无线互联方案阵容涵盖市场各种标准协议,具有低功耗、灵活的产品组合和多种封装形式等优势,结合针对 IoT 边缘节点的感知、驱动、计算、电源管理等全面的产品阵容,促成工业物联网、智能家居/楼宇、移动医疗、车联网等广泛的 IoT 应用。

关于安森美半导体

安森美半导体(ON Semiconductor,美国纳斯达克上市代号:)致力于推动高能效电子的创新,使客户能够减少全球的能源使用。安森美半导体领先于供应基于半导体的方案,提供全面的高能效电源管理、模拟、传感器、逻辑、时序、互通互联、分立、系统单芯片(SoC)及定制器件阵容。公司的产品帮助工程师解决他们在的独特设计挑战。公司运营敏锐、可靠、世界一流的供应链及品质项目,一套强有力的守法和道德规范计划,及在北美、欧洲和亚太地区之关键市场运营包括制造厂、销售办事处及设计中心在内的业务网络。更多信息请访问。
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