為您的設計選擇無線片上系統(tǒng) （SoC） 并非易事。它需要仔細考慮幾個因素，包括功耗、尺寸和成本。SoC 還需要為物聯(lián)網(wǎng)應用和網(wǎng)絡支持正確的無線協(xié)議，這需要范圍、延遲和吞吐量等因素。

確保您的物聯(lián)網(wǎng)設計針對應用進行優(yōu)化的一種方法是仔細考慮您選擇的無線 SoC。它還需要仔細評估設計的關鍵要求（包括電池壽命、計算和內(nèi)存資源以及占用空間），因為根據(jù)應用的不同，需要權衡性能。

設計人員在為其產(chǎn)品選擇無線SoC時需要考慮許多因素，恩智浦半導體無線連接、安全連接邊緣產(chǎn)品營銷經(jīng)理Max Palumbo說。“在選擇什么設備或架構(gòu)方面沒有正確的答案，因為這取決于產(chǎn)品設計師愿意做出的一系列工程權衡，以滿足其最終客戶的需求。

業(yè)界也一致認為，具有全面支持工具和服務的強大開發(fā)生態(tài)系統(tǒng)至關重要。這些產(chǎn)品和原型設計工具及服務可以幫助設計人員縮短上市時間并降低成本。

因此，讓我們看看工程師在為其物聯(lián)網(wǎng)設計選擇無線SoC時應考慮的一些首要設計問題，以及一些最大的挑戰(zhàn)和權衡。

用例決定設計

大多數(shù)無線 SoC 制造商都認為，應用要求決定了無線 SoC 的選擇，并有助于縮小物聯(lián)網(wǎng)設計的選擇范圍。他們說，最關鍵的因素之一是功耗，其次是許多其他考慮因素，例如無線協(xié)議，性能，成本，尺寸，工具支持和易于集成。

雖然功耗是選擇無線SoC的最關鍵因素之一，但無線協(xié)議的選擇由應用決定。

最終應用決定了優(yōu)先級，Synaptics Incorporated無線連接產(chǎn)品營銷高級總監(jiān)Brandon Bae說。

他列舉了一些應用示例，其中設計優(yōu)先級定義了無線SoC的選擇。

“例如，如果它是一個電池供電的設備，例如具有單個藍牙連接的可穿戴設備，他們可能會選擇我們的SYN20703P [單芯片藍牙收發(fā)器和基帶處理器]，”Bae解釋說。“如果是無人機，他們可能需要我們的SYN43400 Wi-Fi SoC，因為功耗、尺寸和重量非常重要，開發(fā)人員必須根據(jù)他們的上市策略做出決定。

“無人機可能還需要Wi-Fi和藍牙，”他補充說。“在這一點上，應用所需的無線接口數(shù)量變得很重要，而兩者的集成SoC通常是最好的方法。我們的 SYN43756 [單芯片 IEEE 802.11ax 2 × 2 MAC/基帶/無線電，集成藍牙 5.2] 是一個很好的解決方案。

Bae還指出，“應用程序依賴性可以延申到包括把物聯(lián)網(wǎng)的聚合點或網(wǎng)關，其中多個異構(gòu)無線網(wǎng)絡集成在一起。他說，這將受益于藍牙，Wi-Fi和Zigbee / Thread（IEEE 802.15.4 PHY）的更高集成度，例如Triple Combo SYN4381無線SoC提供的集成度。

Silicon Labs無線產(chǎn)品營銷高級總監(jiān)Dhiraj Sogani對此表示贊同：“每種無線協(xié)議都扮演著不同的角色，最終應用用例對于為物聯(lián)網(wǎng)設備決定一個或多個這些協(xié)議是最重要的。

Sogani表示，為物聯(lián)網(wǎng)設備選擇無線SoC有幾個關鍵因素，這些因素因應用而異。他的五大考慮因素對各種物聯(lián)網(wǎng)設備都很重要，包括無線協(xié)議;安全;電池壽命;硬件和軟件支持，包括外圍設備、GPIO、IDE 支持、云支持和網(wǎng)絡/無線堆棧集成;以及操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡堆棧和無線堆棧集成到無線 SoC 后可用于應用程序的計算和內(nèi)存資源。

他說，對于無線協(xié)議，應用程序要求包括吞吐量，延遲，網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)量和范圍。“隨著越來越多的功能集成到設備中，物聯(lián)網(wǎng)設備每天都變得越來越復雜。將無線技術添加到物聯(lián)網(wǎng)設備會增加復雜性。物聯(lián)網(wǎng)設備中使用了許多無線協(xié)議，包括Wi-Fi，BT，BLE，Zigbee，Thread，Z-Wave和蜂窩。特定設備的無線通信協(xié)議的選擇取決于應用、尺寸、成本、功率和其他幾個因素。

Sogani列舉了幾個例子，其中應用程序和性能要求是決策的關鍵。

“BLE協(xié)議用于家庭溫度傳感器極佳，因為它低功耗，成本低于其他一些協(xié)議，并且在典型的家庭環(huán)境中提供必要的范圍，”他說。“NFC提供最低的吞吐量和最短的范圍，使其成為非接觸式支付應用的理想選擇。Wi-Fi 提供了多個應用（如安全攝像頭）所需的更高吞吐量。

設計挑戰(zhàn)

大多數(shù)芯片制造商都認為，無線SoC可以通過集成不同的無線協(xié)議和處理多種協(xié)議來簡化設計，但兩者之間的共存是有挑戰(zhàn)的。這樣做還可以節(jié)省空間，這是許多物聯(lián)網(wǎng)設計中的一個關鍵問題。但是，在某些用例中，分立式解決方案可以在性能和成本方面提供最佳價值。

“無線SoC的好處很多，包括保證經(jīng)過驗證的設計，更短的上市時間，更小的整體占用空間，更低的物料清單[BOM]和更低的庫存管理成本，”Synaptics的Bae說。“這些優(yōu)勢幾乎適用于所有終端應用，但在某些情況下，如果客戶有特定要求，并且具有在該方向上實施的RF設計技能和資源，則分立解決方案可能會更好地工作。

恩智浦的Palumbo表示，在確定如何構(gòu)建包含無線連接的最終產(chǎn)品時，“產(chǎn)品設計人員必須做出的第一個決定是使用單個集成的無線SoC還是將無線與處理器分開。需要做出的同樣重要的決定是將使用哪種操作系統(tǒng)。操作系統(tǒng)的決定將迅速將設計人員轉(zhuǎn)向成本較低、基于RTOS的微控制器，或者轉(zhuǎn)向更大、更具可擴展性、基于Linux的處理器。

Palumbo說，集成無線SoC在物理上更小，并且由于集成而可能成本更低，使最終產(chǎn)品設計人員能夠提供更小的產(chǎn)品或更具創(chuàng)新性的外形。

“然而，集成無線SoC的挑戰(zhàn)在于設計人員缺乏獨立優(yōu)化計算性能或無線性能的靈活性，并且無線SoC本身的功能是不變的，因此沒有那么多的能力來優(yōu)化產(chǎn)品的單個組件，”他說。

無論是使用集成解決方案還是分立解決方案，功耗仍然是受系統(tǒng)架構(gòu)和用例影響的關鍵因素。“這意味著在某些情況下，涉及獨立無線電和處理器芯片的多芯片解決方案可能更容易優(yōu)化，”Palumbo說。“在其他情況下，無線處理器可以提供特定應用和用例所需的所有必要靈活性。

Palumbo提供了一些功耗起著關鍵作用的關鍵例子。“例如，簡單的終端應用，如傳感器或執(zhí)行器，具有低通信占空比，并且不執(zhí)行任何輔助網(wǎng)絡功能，如路由，設計人員在使用集成無線SoC時將看到最低的功耗。這種類型的應用可以通過恩智浦的K32W148無線微控制器等設備來解決。

“然而，對于更復雜的設備 - 例如恒溫器 - 數(shù)據(jù)包路由是終端設備和目標生態(tài)系統(tǒng)整體用戶體驗的重要特征，分立解決方案可能功耗更低，”他說。“如果網(wǎng)絡協(xié)處理器[NCP]與主計算SoC一起包含，那么這允許卸載網(wǎng)絡協(xié)議棧，以便只需要協(xié)處理器本身喚醒以路由數(shù)據(jù)包。

在此示例中，恩智浦 i.MX 微處理器（如 i.MX 8M Mini）可用作計算SoC，恩智浦RW612無線MCU可用作NCP，IW612三射頻解決方案可用作無線電協(xié)處理器。“這有助于顯著降低系統(tǒng)的功耗 - 特別是當NCP與基于Linux的微處理器一起使用作為主要計算平臺時，”Palumbo說。

他補充說，產(chǎn)品設計師必須做出這些權衡，并選擇最對客戶有意義的架構(gòu)，為他們帶來的價值。

設計權衡

根據(jù)無線SoC制造商的說法，無線集成可能非常具有挑戰(zhàn)性，尤其是當它與RF電路有關時，所有權衡都由應用驅(qū)動。

意法半導體無線產(chǎn)品線營銷經(jīng)理Nathalie Vallespin表示，挑戰(zhàn)通常在于解決方案的無線電集成部分，以提供高質(zhì)量的產(chǎn)品性能并滿足法規(guī)和協(xié)議認證要求。

“無線SoC簡化了集成階段，因為大多數(shù)首次轉(zhuǎn)向無線解決方案的客戶都不是RF專家，因此集成簡化并加速了他們的開發(fā)和生產(chǎn)，”她說。“集成解決方案[SoC]也簡化了最終客戶的產(chǎn)品采購，甚至可以使用包含整個參考設計的模塊進一步簡化。

此外，Vallespin表示，“SoC還確保了無線電協(xié)議和應用的更高效的功耗和性能水平，而多芯片解決方案則為軟件管理帶來了連接接口限制和復雜性。分立/多芯片方法也可能導致過度消耗，以保持主機和無線電運行以正常通信。

Synaptics的Bae表示，RF存在許多挑戰(zhàn)，但“可以通過仔細考慮電路板布局，接地，設計中其他數(shù)字IC的相對定位以避免干擾以及天線放置和布線來解決。除了布局之外，設計人員或開發(fā)人員還需要認識到電源切換、其他電磁干擾源和外殼材料選擇對SoC的影響。

無線SoC集成可能變得具有挑戰(zhàn)性，這取決于它支持的無線協(xié)議數(shù)量和應用，Silicon Labs的Sogani說。

他列舉了幾個挑戰(zhàn)，包括硬件集成（天線放置、射頻設計等）、軟件開發(fā)（無線協(xié)議棧、網(wǎng)絡協(xié)議棧、云連接、應用程序開發(fā)）、射頻測試（包括極端條件）、互操作性測試（與它應該連接的其他設備）、無線共存（多個協(xié)議需要共存）、生產(chǎn)測試（最大限度地減少測試時間和產(chǎn)量）、監(jiān)管認證（針對要支持的國家）， 協(xié)議合規(guī)性（針對設備中集成的協(xié)議）、功耗優(yōu)化（基于電池要求）、系統(tǒng)安全性（確保設備和數(shù)據(jù)安全）和解決方案成本（基于目標）。

Sogani說，設計人員需要在每一步都做出權衡，以便在各種參數(shù)之間進行優(yōu)化，而所有這些權衡最終都是由應用程序用例驅(qū)動的。

“由于物聯(lián)網(wǎng)設備需要支持多種協(xié)議，無線SoC提供了一個集成解決方案，通過集成這些協(xié)議和處理內(nèi)部同一ISM頻段上多個協(xié)議之間的共存挑戰(zhàn)來簡化設計，而不必擔心管理和擔心多個設備的RF設計，”他補充說。“這有助于加快開發(fā)周期，并在各種協(xié)議之間實現(xiàn)更無縫的功能。終端應用確實發(fā)揮著作用，因為可以將分立芯片用于更簡單的應用，但隨著應用變得復雜，使用集成解決方案更有意義。

Vallespin說，了解和選擇最適合應用和市場需求的正確技術是一項關鍵挑戰(zhàn)。她說，另一個挑戰(zhàn)是了解所選的無線電協(xié)議并選擇正確的硬件（天線，路由，BOM選擇）和匹配軟件，這些軟件可以特定于每種技術。

Vallespin補充說，關鍵的權衡是平衡價格與功能以及選擇架構(gòu) - 主機+協(xié)處理器方法或單個應用處理器。

支持和可用性

除了性能問題之外，開發(fā)和設計支持以及持續(xù)可用性等供應鏈問題是許多物聯(lián)網(wǎng)設計人員的優(yōu)先事項。

Vallespin說，主要問題包括產(chǎn)品及其開發(fā)生態(tài)系統(tǒng)如何有效地縮短上市時間和成本，產(chǎn)品和原型工具的可用性以及產(chǎn)品的長期可用性。

設計人員還需要問幾個問題，例如，只要他們的產(chǎn)品在市場上，SoC 是否保證就可用，SoC 的路線圖是什么，它是否符合他們的產(chǎn)品開發(fā)計劃，以及是否有足夠的支持可用性，包括文檔， 她補充說，生態(tài)系統(tǒng)和聯(lián)系以確保成功。

恩智浦的Palumbo認為，壽命要求是權衡的一部分。

“一旦產(chǎn)品出貨，硬件本身就不會改變;但是，最終客戶期望該產(chǎn)品在購買后的一段時間內(nèi)將繼續(xù)得到支持并獲得更新，“Palumbo 說。“選擇一種設備和一種產(chǎn)品架構(gòu)，使產(chǎn)品設計人員能夠在產(chǎn)品的生命周期內(nèi)提供更新，這是一個越來越重要的標準。

Palumbo說，在選擇無線SoC時，軟件架構(gòu)也是另一個關鍵考慮因素。“無論產(chǎn)品架構(gòu)如何，無論是集成無線SoC還是分立式，這些SoC的軟件工具和環(huán)境都是與硬件同樣重要的組件。無論設備是基于Linux的，基于Android的還是基于RTOS的 - 那怕不考慮從無數(shù)可用的解決方案中使用哪些RTOS的版本,?都會對最終產(chǎn)品產(chǎn)生巨大影響。

編輯：黃飛

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