為工業物聯網指定Wi-Fi MCU時需要了解什么

隨著工業物聯網 (IIoT) 的發展，趨勢是在單個片上系統 (SoC) 中執行更多功能，而不是在多個分立器件中執行，因為結果是更小的材料清單、更低的設計風險和更小的占地面積，以及其他好處。一個很好的例子是 Wi-Fi 微控制器 (MCU)，它將 Wi-Fi 連接與處理器和滿足各種應用需求所需的 GPIO 集成在一起。在指定 Wi-Fi MCU 時需要考慮多個因素，并且要做出謹慎的選擇，了解它們很重要。

當今市場上存在低成本的 Wi-Fi 連接選項，但它們通常會犧牲外圍設備的數量和整體性能。這意味著選擇最佳 Wi-Fi MCU 具有挑戰性和風險，因為支持 Wi-Fi 的 MCU 不僅必須具有強大的 Wi-Fi 連接性，還必須具有高性能 MCU 功能。缺少其中一個或兩個都將導致設計項目的延遲甚至失敗。

作為系統的核心，MCU 是 Wi-Fi 設備中最關鍵的部分，因此有必要在項目開始時檢查其性能。以后更改設備通常需要重新設計所有軟件和隨附電路的配置。

不要忘記 ADC

在指定 Wi-Fi MCU 時，模數轉換是最容易被忽視的功能之一，盡管它是模擬輸入之后信號鏈中的第一個處理組件。這意味著其性能會影響整個系統，因此了解模數轉換器 (ADC) 的關鍵指標以及 Wi-Fi MCU 制造商應如何解決這些問題非常重要。

設計人員首先關注的規范之一是 ADC 的位數。這可能會令人困惑，因為在實踐中實際位數會低于數據表規范，有時甚至會大幅降低。更重要的是 ADC 可用于執行轉換的有效位數 (ENOB)。這總是低于數據表規范，但 ENOB 和數據表規范越接近匹配非常重要，因為這在 ADC 之間差異很大。可用于執行轉換的位越少，SoC 表示輸入信號的精度就越低。

此外，與所有電子設備一樣，ADC 對信號“貢獻”了一些對其能力產生負面影響的因素，包括量化和時序等誤差，以及偏移、增益和線性度的變化。ADC 還因其對許多 IIoT 操作環境中常見的寬溫度波動敏感而臭名昭著（見圖 1a 和 1b）。Wi-Fi MCU 制造商可以緩解這種情況，因此與制造商聯系以確定設備的 ENOB、隨溫度變化的性能、線性度和精度非常重要。如果無法提供此信息，請繼續該項目的下一個候選人。

圖 1a 和 1b：低級 ADC 精度和線性度較差，對環境和溫度敏感。（圖片：微芯片技術）

外圍支持

所有 Wi-Fi MCU 都至少支持一些接口標準，因此很容易假設它們就足夠了。當工程師試圖在另一個設計中使用相同的 Wi-Fi MCU 時，他們常常會后悔這種假設。這在構建或修改 IIoT 系統時越來越普遍，因為大多數生產設施都擁有由不同制造商在不同時間制造的各種機器和控制器。

隨著系統的發展，它可能會添加更多接口，并且可能會需要支持觸摸感應和 LCD 支持等功能。如果 SoC 有備用的 GPIO，則可以控制更多的繼電器、開關和其他組件，而很少或沒有引腳共享。因此，設備支持的接口應包括以太網 MAC、USB、CAN、CAN-FD、SPI、I 2 C、SQI、UART 和 JTAG（以及潛在的觸摸發送和顯示支持），以確保幾乎可以適應所有場景現在和可預見的將來。

安全從內部開始

安全性對于每個 IoT 應用程序都至關重要，但工業場景是關鍵任務。一旦威脅進入 IIoT 網絡，它就可以穿過整個設施，甚至可能是整個公司。所需的第一級安全性在 MCU 的集成加密引擎中，其中加密和身份驗證可以按順序或并行執行。密碼應包括密鑰大小高達 256 位的 AES 加密、DES 和三重 DES，并且身份驗證應包括 SHA-1、SHA-256 和 MD-5。

對于設計師來說，最具挑戰性的任務之一是為云服務配置他們的產品。每個云服務提供商都有自己的證書和密鑰，因此配置設備變得復雜，需要大量的加密知識。

幸運的是，包括 Microchip Technology 在內的一些制造商使這個過程變得簡單，節省了大量的時間和金錢。需要注意的是，大多數 Wi-Fi MCU 將憑據存儲在閃存中，數據可訪問且容易受到軟件和物理攻擊。通過將此信息存儲在硬編碼的安全元素中可以實現最高的安全性，因為無法從任何外部軟件讀取內部數據。例如，Microchip 的 Wi-Fi MCU（如WFI32（見圖 2））在公司的 Trust&GO 平臺中采用這種方法，以安全地配置其 MCU，以連接到 AWS IoT、Google Cloud、Microsoft Azure 和第三方 TLS 網絡。

這種方法所帶來的時間減少和混亂怎么強調都不為過。可以從設計過程中縮短數周或更長時間，同時確保所有安全和供應要求都通過經過驗證和可驗證的方法得到滿足。

圖 2：WFI32 Wi-Fi 模塊通過將憑證存儲在硬件中來隔離憑證，使其幾乎不受黑客攻擊。（圖片：微芯片技術）

預配置、預配置或自定義安全元素存儲設備制造時在硬件安全模塊 (HSM) 內生成的憑據，從而在生產期間和之后將其隔離開來。Trust&Go 平臺只需要一個廉價的 Microchip 開發套件，設計人員在其中使用教程和代碼示例在包含的設計套件中工作，以創建所需的清單文件。一旦安全元件的 C 代碼在應用程序中工作，就可以將設計發送到生產。

另一種所需的安全形式是 Wi-Fi 聯盟認證的最新 Wi-Fi 安全。最新版本是 WPA3，它建立在其前身 WPA2 的基礎上，但增加了簡化 Wi-Fi 安全性的功能。它還支持更強大的身份驗證，提供更高的加密強度，并保持網絡彈性。

所有新設備都必須通過 WPA3 認證才能使用 Wi-Fi 聯盟徽標，因此每個 Wi-Fi 芯片和 Wi-Fi MCU 都應通過認證以獲得最大的安全性。不過，請檢查以確保 Wi-Fi MCU 已通過 WPA3 認證。

確保互操作性

由于 RF、軟件和其他因素的不匹配，Wi-Fi MCU 總是可能無法與市場上的某些接入點通信。未能連接到流行的接入點可能會損害公司的聲譽。雖然無法保證 Wi-Fi MCU 可以與地球上的每個接入點 (AP) 一起工作，但可以通過確保 Wi-Fi MCU 已通過與市場上最流行的 AP 的互操作性測試來最大限度地減少問題. 此信息可在制造商的網站上找到。如果沒有現成的，請致電制造商并索取，如果失敗，請選擇其他供應商。

你需要幫助

最后但同樣重要的是需要設計支持。如果沒有全面的集成開發環境 (IDE) 平臺，設計人員只能從 Web 上拼湊可能有用、簡單或可靠的資源。例如，一些 Wi-Fi MCU 制造商提供了有關產品的基本詳細信息和原型設計說明，但僅止于此，而不是包含將設計投入生產所需的信息。

制造商應提供一個全面的 IDE（見圖 3），其中包括 Wi-Fi MCU 執行的每個模擬和數字功能以及在特定應用中實現所需的所有外部組件。IDE 平臺還需要提供一種方法，以可視化設計更改如何反映在整體性能中，并能夠評估設計的 RF 性能以及法規遵從性。一些基本工具是免費的，而另一些則以適中的價格提供，包括為制造商的 Wi-Fi MCU 系列服務而設計的評估板。