DigiKey
Avtor: Rolf Horn
Naprave interneta stvari (IoT) za pametno razsvetljavo in avtomatizacijo stavb se hitro razvijajo iz preprostih krmilnih vozlišč v funkcijsko bogate, povezane sisteme, ki morajo podpirati večje računske zahteve, robustno varnost in izboljšano radiofrekvenčno (RF) zmogljivost.
Razvijalci teh naprav se soočajo z vse večjim pritiskom pri uravnoteženju različnih zahtev, vključno s povezljivostjo večjega števila protokolov, naprednimi varnostnimi funkcijami in energijsko učinkovitostjo, ob hkratnem zmanjševanju stroškov materiala (BOM) in kompleksnosti sistema. Potrebni so napredni brezžični sistemi na čipu (SoC), ki naslavljajo te nastajajoče zahteve trga IoT.
Ta članek opisuje izzive, s katerimi se soočajo razvijalci sodobnih IoT naprav in sistemov. V nadaljevanju predstavi in prikazuje, kako lahko nova generacija brezžičnih IoT SoC-ov podjetja Silicon Labs [1] odgovori na te izzive z arhitekturo z izjemno nizko porabo, ki združuje visoko zmogljiv procesor z več specializiranimi podsistemi.«
Kako raznolike zahteve spodbujajo prehod k višji integraciji
Od pametnih naprav z omrežnim napajanjem, ki se uporabljajo v aplikacijah, kot so LED razsvetljava, pametne vtičnice in stikala, se vse pogosteje pričakuje večja funkcionalnost v krajših razvojnih ciklih. Razvijalci teh naprav se soočajo z zahtevnimi pogoji za integracijo večje procesorske zmogljivosti, več brezžičnih standardov in robustne varnosti, ob hkratnem ohranjanju strogih ciljnih stroškov materiala (BOM) in predvidljivega delovanja v okoljih, kjer naprave neprekinjeno delujejo.
Kompleksnost brezžične povezljivosti te pritiske še stopnjuje. Bluetooth Low Energy (BLE), Zigbee, Thread in Matter vse pogosteje soobstajajo, kar otežuje rešitve, ki temeljijo na posameznih protokolih ali arhitekturah na več čipih. Podpiranje večjega števila heterogenih protokolov preko zunanjih komponent lahko upočasni razvoj in povzroči neučinkovitost. Posledično se je načrtovanje IoT naprav premaknilo k monolitnim brezžičnim SoC-em, kot so Silicon Labs serije 3 (SiMG301/SiBG301, slika 1) [2], ki združujejo izvajanje aplikacij, varnostne funkcije in delovanje radia znotraj ene same naprave.
Ti SoC-i načrtovalcem omogočajo učinkovitejši odziv na hitro spreminjajoče se zahteve za pametne naprave, saj z napredno arhitekturo zagotavljajo visoko zmogljivost, robustno varnost in prilagodljivo povezljivost.
Integrirana arhitektura izpolnjuje številne zahteve nastajajočih IoT aplikacij
Družina SixG301 integrira celoten nabor zmogljivosti, potrebnih v pametnih napravah z omrežnim napajanjem. Da bi zadostili vse bolj kompleksnim zahtevam po računanju, SoC-i SixG301 temeljijo na 150-megaherčnem (MHz) procesorskem jedru Arm [3] Cortex-M33 z ukazi za digitalno obdelavo signalov (DSP) in enoto za operacije s plavajočo vejico (FPU) (slika 2). Procesorski podsistem združuje to jedro z integriranim delovnim pomnilnikom (RAM), Flash pomnilnikom v istem ohišju, krmilnikom za neposreden dostop do pomnilnika (DMA) in vmesniki za razhroščevanje. Arhitektura dopolnjuje široko podporo za pametne naprave z namenskimi strojnimi bloki za povezljivost, varnost, upravljanje z energijo, ure, časovnike in periferne enote, vključno s specializiranimi funkcijami za LED razsvetljavo.
Družina SixG301 načrtovalcem zagotavlja prilagodljivo rešitev, ki izpolnjuje širok nabor zahtev. Za načrtovanje pametnih naprav, osredotočenih na povezljivost Bluetooth, serija Bluetooth SoC SiBG301 [4] podpira BLE, Bluetooth mesh in lastniške aplikacije v 2,4-gigaherčnem (GHz) pasu. Serija večprotokolnih SoC-ov SiMG301 [5] podpira iste Bluetooth možnosti, hkrati pa dodaja podporo za fizično (PHY) plast IEEE 802.15.4 in plast za nadzor dostopa do medija (MAC) za brezžična omrežja z nizko hitrostjo prenosa podatkov, vključno z Zigbee, Matter over Thread in OpenThread. Znotraj vsake družine posamezni člani ponujajo dodatne konfiguracijske možnosti z do 512 kilobajti (kB) RAM-a in do 4 megabajti (MB) varnega Flash pomnilnika QSPI z možnostjo neposrednega izvajanja na mestu (XIP – execute-in-place). Ne glede na izbiro konfiguracije si vsi člani družine SoC SixG301 delijo enake zmogljivosti, potrebne za IoT naprave naslednje generacije.
Napredne IoT aplikacije so odvisne od robustne povezljivosti, družina SixG301 pa je zasnovana za zanesljivo delovanje tudi v okoljih z veliko motnjami, ki so značilna za te aplikacije. Varčni brezžični (LPW – low-power wireless) radio te družine (slika 3) integrira radijsko procesorsko jedro, RAM ter namenski oddajni in sprejemni signalni poti, kar zagotavlja celovit povezljivostni podsistem.
Podsistem LPW je zasnovan tako, da zagotavlja oddajno moč in občutljivost sprejemnika, ki sta potrebni za ohranjanje zanesljive povezljivosti. Podsistem podpira izhodno moč do +10\ \text{dBm} (decibelov glede na 1 milivat), kar omogoča zanesljive rezerve v povezavi (link margins) pri namestitvah z omrežnim napajanjem, kjer so lahko postavitev antene in omejitve ohišja zahtevne. Na sprejemni strani radio zagotavlja občutljivost, potrebno za IoT načrte, osredotočene na Bluetooth ali večprotokolno delovanje. Za modulacijo GFSK (Gaussian frequency-shift keying) s hitrostjo 125 kbit/s, ki se uporablja za Bluetooth/BLE na vseh napravah SixG301, je občutljivost sprejema -106,8 dBm. Za modulacijo O-QPSK (offset quadrature phase-shift keying) s hitrostjo 250 kbit/s, ki se uporablja v standardu 802.15.4 na napravah SiMG301, pa občutljivost sprejema znaša -106,3 dBm.
Nenehno prizadevanje za varnost in energetsko učinkovitost
Prilagodljive možnosti brezžične povezljivosti so bistvene za napredne IoT aplikacije. Vendar pa je varnost teh povezav in IoT naprav odvisna od neprestanega prizadevanja za robustne varnostne zmogljivosti, ki temeljijo na strojni opremi. SixG301 vključujejo varnostno arhitekturo, ki temelji na strojni opremi, zgrajeno na Silicon Labs Secure Vault High, najvišji ravni večplastne varnostne tehnologije Secure Vault tega podjetja. So certificirane po PSA Certified Level 4, najvišji ravni certifikacijskega okvira Platform Security Architecture. Da bi naprava pridobila to certifikacijo, mora zagotavljati robustno zaščito pred sofisticiranimi programskimi in strojnimi napadi, vključno s skalabilnimi stranskimi kanali in napadi z vnašanjem napak, ki so vsi vključeni v raven Secure Vault High.
Ta varnostna arhitektura vzpostavlja strojno korenino zaupanja (Root of Trust, RoT) z uporabo namenske varnostne enote z lastnim procesorjem, s čimer izolira kriptografske funkcije in občutljive podatke od glavnega jedra aplikacije Cortex-M33. Ta izolacija zagotavlja, da tudi v primeru ogrožanja aplikacijske programske opreme kriptografski ključi in varnostno kritične operacije ostanejo zaščiteni. Arm TrustZone izvaja ločitev na ravni strojne opreme med izvajanjem varne in nevarne kode, medtem ko varno upravljanje ključev uporablja tehnologijo fizične neklonljive funkcije (angl. physical unclonable function: PUF) za generiranje edinstvenega ključa ob vklopu. Da pa tega ključa ne bi bilo možno izvleči ali kako drugače klonirati, je viden le za šifrirni mehanizem in ostane aktiven le, dokler naprava ne izgubi napajanja.
Varen zagon z RoT in Secure Loader (RTSL) zagotavlja, da se lahko izvaja samo avtentificirana strojna programska oprema, medtem ko avtentificirano izvajanje na mestu (AXiP) to zaščito razširja na preverjanje kode v času izvajanja. Avtonomni kriptografski pospeševalnik strojne opreme razbremeni glavni procesor šifriranja in protokolov. Skupaj z zaščitnimi funkcijami SixG301 proti vdoru te zmogljivosti pomagajo razvijalcem graditi varne, visoko zmogljive naprave, ki avtentificirajo posodobitve firmware-a, ščitijo poverilnice in ohranjajo zaupanje v IoT aplikacije.
Upravljanje energije za minimalno porabo energije ima enako pomembno vlogo pri podpori neprekinjenega delovanja, napajanega iz omrežja. Poleg urejanja napajanja ure in perifernih naprav, naprave SixG301 ponujajo več načinov izvajanja, ki razvijalcem omogočajo dinamično uravnoteženje zmogljivosti in porabe energije. V aktivnem načinu (EM0) gostiteljski procesor izvaja kodo z vsemi perifernimi napravami in oscilatorji, ki so na voljo, pri čemer običajno porabi 47 mikroamperov na megahertz (µA/MHz) pri 150 MHz v zanki While ali 62 µA/MHz pri izvajanju CoreMark. Način mirovanja (EM1) ohranja vse periferne naprave na voljo, medtem ko procesor ostane neaktiven, vendar pripravljen na hitro prebujenje ob sistemskih dogodkih. V tem načinu se tipična poraba zniža na 33 µA/MHz ali manj, odvisno od konfiguracije ure.
V obdobjih, ko je potrebna minimalna aktivnost, način izklopa (EM4) izklopi večino naprave, s čimer se poraba zmanjša na samo 0,26 µA brez rezervnega števca v realnem času (BURTC) ali 0,75 µA z BURTC, ki deluje z nizkofrekvenčnim oscilatorjem.
Z uporabo teh načinov skupaj s prilagodljivim taktom in perifernim proženjem lahko razvijalci dosežejo specifično ravnovesje med močjo in zmogljivostjo, ki je potrebno za njihove aplikacije.
Kako integrirane analogne funkcije poenostavljajo zasnovo pametnih svetlobnih naprav
Poleg funkcionalnosti, ki je vse bolj potrebna v široki paleti IoT aplikacij, SixG301 naprava vključuje analogne in napajalne funkcije, ki so posebej prilagojene pametnim svetlobnim aplikacijam. Podsistem predhodnega LED gonilnika (LEDDRV) na čipu (slika 4), zasnovan za zagotavljanje energetsko učinkovite rešitve v enobarvnih in nastavljivih belih LED-icah, vključuje tokovni vir in dva kanala gonilnikov vrat za neposredno napajanje FET tranzistorjev, ki nadomeščajo namenske gonilne čipe za krmiljenje toplih belih in hladnih belih LED verig.
Periferna naprava LEDDRV zagotavlja krmilne signale in funkcije nadzora, vključno z nadzorom toka in zaščito pred prenapetostjo, kar poenostavlja regulacijo toka, ki krmili LED-ice. V tipični enokanalni aplikaciji LED osvetlitve na primer, razvijalec preprosto poveže izhod LEDDRV z zunanjim močnostnim tranzistorjem, ki krmili niz LED-ic (slika 5), pri čemer uporabi splošne vhodno-izhodne (GPIO) priključke za zajemanje izmenične napetosti, napetosti na izhodu in najvišjega toka.
Za nadzor programske opreme se procesor povezuje z blokom LEDDRV prek dveh kanalov za modulacijo širine impulza (PWM), ki jih ustvarjajo bloki časovnika, kar omogoča natančno zatemnitev in mešanje barvnih temperatur. Ta pristop razvijalcem mogoča, da prek ugnezdene programske opreme izvedejo gladke krivulje zatemnitve in prehode iz tople v hladno belo barvo. Za zaščito pred pregrevanjem lahko razvijalci uporabijo tudi programsko krmiljenje tako, da onemogočijo blok LEDDRV na podlagi meritev integriranega temperaturnega senzorja enote za upravljanje z energijo ali zunanjega senzorja.
Blok LEDDRV podpira tudi konfiguracije z dvojnim gonilnikom in neposrednim pogonom, kar razvijalcem omogoča, da razširijo osnovno dvo-kanalno nastavitev ali se prilagodijo različnim topologijam napajalne stopnje. Z vgradnjo teh funkcij, namenjenih razsvetljavi, neposredno v SoC, SixG301 naprave dosegajo tesnejšo integracijo, nižje BOM stroške in kompaktnejše zasnove za sisteme razsvetljave, napajane iz omrežja.
Pospeševanje razvoja z viri za razvoj in izdelavo prototipov
Silicon Labs podpira razvoj SixG301 s strojno in programsko opremo, ki je zasnovana za pospešitev razvoja in izdelave prototipov. Razvojna platforma SixG301 Explorer Kit (SIXG301-EK2719A [6]) (slika 6) z napajanjem prek USB-ja razvijalcem ponuja kompaktno in cenovno ugodno vstopno točko. Ta plošča, zgrajena okoli modula SiMG301 s 4 MB Flash pomnilnika in 512 KB RAM pomnilnika, ponuja vtičnice in konektorje za dodatne senzorje in periferno opremo. Vgrajeni J-Link debugger z virtualnim COM vmesnikom in vmesnikom za sledenje paketov razvijalcem omogoča razvoj firmware-a in razvoj radia brez dodatne opreme.
Za naprednejši razvoj in podrobno karakterizacijo zmogljivosti je na voljo komplet SixG301 Flash Pro Kit (SIXG301-PK6037A) (slika 7), ki združuje glavno ploščo SI-MB4002A BRD4002A Wireless Pro Kit z vstavljivo radijsko ploščo SIXG301-RB4407A s 4 MB Flash pomnilnika ali vstavljivo radijsko ploščo SIXG301-RB4408A z 8 MB Flash pomnilnika. Glavna plošča omogoča integrirano odpravljanje napak, napredno spremljanje porabe energije in celovito periferno razširitev za testiranje integracije na ravni sistema, medtem ko obe vstavljivi radijski plošči vključujeta SiMG301 z 512 KB RAM-a, prilagodilno vezje in anteno na tiskanem vezju.
Kompleta SixG301 Explorer Kit in SixG301 Flash Pro Kit delujeta z razvojnim okoljem Simplicity Studio [7] podjetja Silicon Labs, ki ponuja čarovnike za konfiguracijo, primerne projekte in dostop do razvojnega kompleta Simplicity Software Development Kit (SDK). Ti viri skupaj razvijalcem pomagajo, da učinkovito preidejo od začetne ocene prek izdelave prototipov do izdelkov, pripravljenih za proizvodnjo.
Zaključek
Razvijalci pametnih naprav za LED-osvetlitev, pametnih vtičnic in stikal, ki se napajajo iz omrežja, se soočajo z vse večjim pritiskom, da zagotovijo visoko zmogljivost, zanesljivost, večprotokolno povezljivost, robustno varnost in energetsko učinkovitost ob minimalnih stroških. Brezžični SoC-i naslednje generacije Silicon Labs SiMG301 in SiBG301 serije 3 skupaj s povezanimi razvojnimi orodji podpirajo te zahteve in zagotavljajo prilagodljivo osnovo za hiter razvoj.
Viri:
1: https://www.digikey.com/en/supplier-centers/silicon-labs
2: https://www.digikey.com/en/product-highlight/s/silicon-laboratories/simg301-sibg301-next-generation-series-3-wireless-socs
- https://www.digikey.com/en/supplier-centers/arm
4: https://www.digikey.com/en/products/filter/rf-transceiver-ics/879?s=N4IgjCBcoLQCxVAYygMwIYBsDOBTANCAG4B2aWehA9lANrhxgBMTAHCALqEAOALlCBABfQjCaIQKSLwBOAVwIgakegE5OQkSACsE7lDA99kMAAZTmoA
5: https://www.digikey.com/en/products/filter/rf-transceiver-ics/879?s=N4IgjCBcoLQCxVAYygMwIYBsDOBTANCAG4B2aWehA9lANrhxgBMTA7CALqEAOALlCBABfQjCaIQKSLwBOAVwIgakegE5OQkSACsE7lDA99kMAAZTmoA
6: https://www.digikey.com/en/products/detail/silicon-labs/SIXG301-EK2719A/26865382
7: https://www.silabs.com/software-and-tools/simplicity-studio
