【導讀】根據球移動通信係統協會（GSMA）的研究數據，2010-2020年全球物聯網設備數量的複合增長率高達19%，2020年達到了126億台；而到2025年


，這個數字將攀升至246億yi。其qi他ta機ji構gou的de預yu測ce數shu據ju雖sui然ran有you差cha異yi，但dan是shi大da抵di都dou在zai數shu百bai億yi級ji的de水shui平ping
，並bing大da都dou認ren為wei在zai未wei來lai十shi年nian內nei這zhe個ge進jin程cheng將jiang繼ji續xu加jia速su，向xiang千qian億yi量liang級ji的de規gui模mo邁mai進jin。在zai這zhe樣yang的de大da趨qu勢shi下xia，無wu線xian互hu連lian市shi場chang無wu疑yi將jiang迎ying來lai一yi個ge持chi續xu的de增zeng長chang期qi。

想讓設備“聯網”，最直接的技術方案就是“MCU+射頻模塊”的de雙shuang芯xin片pian架jia構gou，即ji在zai電dian子zi應ying用yong係xi統tong基ji礎chu上shang，加jia上shang分fen立li的de無wu線xian射she頻pin通tong信xin器qi件jian。不bu過guo，按an照zhao半ban導dao體ti圈quan慣guan常chang的de發fa展zhan邏luo輯ji，當dang這zhe個ge市shi場chang足zu夠gou大da的de時shi候hou，人ren們men就jiu會hui想xiang“為什麼不將MCU和RF無線收發器集成在一起”，這樣一來，在一個單芯片上就可以既實現無線通信
，又能夠跑應用
，無疑這在成本
、體積等方麵都會更劃算。無線SoC（有時也被稱作無線MCU），就是在這樣的背景下應運而生了。

無線SoC選型要素

發展到今天，無線SoC雖然還無法完全替代雙芯片的架構
，但已經日趨成熟

，市場應用也越來越廣泛。但對開發者來講，隨之而來的一個挑戰就是：無線SoC產品越來越多，應該如何選擇適合自己的那一款？考慮到無線SoC比單純的MCU架構更為複雜
，因此需要考量的因素也就更多，選型時就不得不多花些心思。

無線協議

根據應用的要求，基於數據傳輸速率、傳輸距離
、功耗、成本、網絡容量、安全性等方麵的要素綜合評估
，選擇合適的無線技術，通常是無線SoC選型的第一步。

在可選的無線技術中，基於2.4GHz頻段的Wi-Fi、藍牙和Zigbee等短距互連技術目前是市場的主流，有分析顯示基於此類無線協議的連接數量占比在70%以上。這幾個無線技術屬於開放的技術標準

，市場滲透率高，生態比較完善，這都是先天的優勢
；但是它們的覆蓋範圍通常不超過100米，而且也麵臨著2.4GHz頻段日益擁擠的局麵，在抗幹擾和兼容性方麵的挑戰必須認真應對。

由於無線傳輸距離與頻率成反比，因此如果應用中需要更長距離的互連
，低於1GHz的Sub-GHz無線技術會更具優勢，且具有更強的穿牆能力；同時幹擾源也不像2.4GHz頻段那麼多，有利於提高係統網絡的整體性能。在這個頻率範圍內，有許多可用的無需授權或需要授權的頻段可供選擇（如433MHz、868MHz和915MHz）
，zaicijichushangyefazhanchulebushaozhuanyongdewuxiantongxinxieyi，yonghukeyichongfenliyongzhexieziyuan，linghuokuaisudibushuzijidewulianwangjiagou，manzudingzhihuadeyingyongyaoqiu。

硬件平台

在確定了所需的無線技術之後，下一步就要看無線SoC的硬件架構。目前主流的無線SoC都會采用雙核架構，即一個Arm Cortex-M3/M4處理器內核加上一個Cortex-M0/M0+內核：前者作為主處理器其作用是運行應用軟件；而後者則用來處理無線協議，執行射頻實時任務，可以有效減輕主處理器的工作負荷。

這種“兩核分離”的架構還有一個好處：SoC中的射頻係統實際上是被“打包”成了一個獨立的射頻單元，雙核中的Cortex-M0/M0+核一般不開放給用戶使用，對於開發者來說

，整個係統就像是一個單核MCU
，因此可以更專注於在Cortex-M3/M4主處理器上的應用開發，整個係統的開發工作也就得以簡化了——而如果是單核架構的無線SoC
，則既需要處理應用程序，又需要處理協議棧，設計流程更為複雜。所以，如果不是有特殊的要求，雙核架構的無線SoC無疑是更好的選擇。

安全特性

在物聯網的應用中，“安全問題具有一票否決權”已經成為了大家的共識
，因此安全特性也一定是無線SoC設計中的必選項。

無線SoC的安全性可以從以下幾個方麵來衡量
，如：是否內置了安全性功能模塊（如硬件加密加速器
、真隨機數發生器等）；是否采用了具有安全性的CPU內核（如支持Arm TrustZone的內核）
；是否可以提供配套的軟件資源等。有的無線SoC還會專門配置一個安全協處理器去運行網絡安全相關協議，提供更強的安全性能支持。

更為重要的一點是
，無線SoC廠(chang)商(shang)是(shi)否(fou)可(ke)以(yi)將(jiang)上(shang)述(shu)這(zhe)些(xie)安(an)全(quan)機(ji)製(zhi)，整(zheng)合(he)成(cheng)一(yi)個(ge)完(wan)整(zheng)的(de)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)，滿(man)足(zu)實(shi)際(ji)應(ying)用(yong)中(zhong)的(de)安(an)全(quan)策(ce)略(lve)所(suo)需(xu)
，這(zhe)樣(yang)就(jiu)可(ke)以(yi)大(da)大(da)減(jian)少(shao)用(yong)戶(hu)在(zai)安(an)全(quan)方(fang)麵(mian)的(de)資(zi)源(yuan)投(tou)入(ru)。而(er)且(qie)這(zhe)樣(yang)的(de)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)
，如(ru)果(guo)能(neng)夠(gou)獲(huo)得(de)行(xing)業(ye)權(quan)威(wei)的(de)安(an)全(quan)認(ren)證(zheng)，就(jiu)更(geng)是(shi)能(neng)夠(gou)讓(rang)用(yong)戶(hu)吃(chi)下(xia)一(yi)粒(li)“定心丸”。

低功耗

大多數的無線物聯網設備都是功耗敏感型的，尤其像Sub-GHz這樣的應用，覆蓋範圍廣

，維護難度大，當然需要更強的續航能力，更突出的低功耗特性。

應對功耗挑戰，無線SoC常用的策略有兩點。一是更精細的功耗分級管理，即芯片可以根據實際應用需求來激活/關閉相應的功能模塊，減少無謂的電能消耗；二是將主處理器的工作卸載到專門的協處理器和外設硬件上，盡可能減少主處理器這個能耗大戶的工作時間。當然，采用更先進的工藝、低功耗的處理器架構等，也都是在優化低功耗特性上可以發力的地方，進而提升無線SoC整體的功耗表現。

外設功能

既然叫無線“SoC”
，也就意味著除了核心的處理器內核
、存儲器等計算控製資源外，還會集成豐富的外圍功能模塊。這些外圍模塊中，重點要觀察的有模擬
、電源管理、接口、時序管理等幾個方麵
，這些外設資源也是能夠體現出SoC產品差異化的地方，需要根據設計要求進行細致地評估。比如，在對信號鏈處理有較高要求的應用中（如傳感器係統），就要仔細查看模擬功能的規格；如果對數據交互和可擴展性方麵要求更多，則要重點觀察接口資源的配置。有經驗的無線SoCgongyingshang，tongchanghuigenjushichangdexuyaohezijidejingyan，zaizhexiewaisheziyuanhechengbendengyaosuzhijianzuohenhaodepingheng，dingyichuxiangyingdechanpin
，huodejinkenengdadeyonghujiazhi。

上麵說了這麼多，具體到實際工作中
，應該怎樣選擇一顆滿意的無線SoC？下麵我們就通過一個實例進行說明。

Sub-GHz單芯片方案

Silicon Labs公司推出的EFR32FG23Flex Gecko SoC，是一款專為網絡化智能家居、安防

、照明
、樓宇自動化和智能表計等應用而設計的Sub-GHz單芯片方案，如果按照上文所述幾個無線SoC要素來衡量，EFR32FG23在各個方麵的表現都是可圈可點的。

圖1：EFR32FG23 Flex Gecko無線SoC

（圖源：Silicon Labs）

從芯片架構上看，EFR32FG23采用了主流的雙核架構：一顆Cortex-M0+內核專司射頻子係統的工作
；主控處理器則采用了一顆主頻達80MHz
、帶有DSP指令和浮點單元的Cortex-M33內核


，可以滿足常規的物聯應用設計需求。

圖2：EFR32FG23無線SoC係統框圖

（圖源：Silicon Labs）

從無線和射頻功能上看，基於Sub-GHz頻段的EFR32FG23的傳輸距離能夠覆蓋1英裏以上的範圍。其經過專門優化的射頻功率放大器兼具高發射功率、低功耗、高接收靈敏度的特性。

在靈敏度方麵，EFR32FG23的表現出眾，從表1中我們可以看到在不同工作條件下其靈敏度的數值
，與市麵上其他同類無線SoC相比優勢非常明顯。這也意味著
，EFR32FG23在各種應用場景下
，可以為用戶提供更穩定可靠的的射頻功能。

表1：EFR32FG23接收器的靈敏度特性

（圖源：Silicon Labs）

EFR32FG23還可支持多種調製方案（如2/4 (G)FSK、OQPSK DSSS、(G)MSK

、OOK等），以及多種Sub-GHz的無線協議，包括Amazon Sidewalk
、mioty、無線M-Bus、Z-Wave和其他專有物聯網絡
，為開發者提供了一個靈活的、多協議的Sub-GHz解決方案。

從射頻係統的功耗表現來看
，EFR32FG23的發射功率可高達+20dBm，而對應的TX電流為85.5mA
；在868MHz時10dBm功率下TX電流僅為13.2mA，RX電流僅為3.7mA。這也為無線SoC整體功耗的控製提供了保障。

表2：EFR32FG23射頻係統的低功耗特性

（圖源：Silicon Labs）

在器件整體的低功耗特性方麵

，除了前麵提到的經過優化的低功耗射頻子係統之外，從圖2中可以看出，EFR32FG23支持的功率管理級別多達5級（E0至E4），這也就意味著可以實施更為精細的按需供電管理，使得該器件可以很好地滿足低功耗
、長距離無線連接應用所需。以下是Silicon Labs提供的幾個功率級別下的典型功耗數值：

●   EM0工作模式（39.0MHz）：26μA/MHz

●   EM2深度睡眠模式（64kB RAM保留並從LFXO運行RTC）：1.5μA

●   EM2深度睡眠模式（16kB RAM保留並從LFRCO運行RTC）：1.2μA

此外
，在外設方麵，EFR32FG23提供的資源也極為豐富
，從模擬、定時器/計數器，到通信接口一應俱全，還包括低功耗LCD控製器、鍵盤掃描儀 (KEYSCAN)、芯片溫度傳感器等很“貼心”的功能模塊，為應用開發帶來了極大的便利性和可擴展性。

EFR32FG23豐富的外設資源

●   模數轉換器 (ADC)

     - 12位 @1Msps

     - 16位 @76.9ksps

●   2× 模擬比較器 (ACMP)

●   2× 數模轉換器 (VDAC)

●   低能耗傳感器接口 (LESENSE)

●   多達31個帶輸出狀態保持和異步中斷功能的通用I/O引腳

●   8通道DMA控製器

●   12通道周邊反射係統 (PRS)

●   4個16位定時器/計數器

，帶3個比較/捕獲/PWM 通道

●   1個32 位定時器/計數器，帶3個比較/捕獲/PWM 通道

●   32位實時計數器

●   用於波形生成的24位低能耗定時器

●   16位脈衝計數器（異步操作）(PCNT)

●   2× 看門狗定時器

●   3× 升級版通用同步/異步接收器/發射器 (EUSART)

●   1× 通用同步/異步接收器/發射器(UART/SPI/SmartCard(ISO7816)/IrDA/I2S)

●   2個支持SMBus的I2C接口

●   集成低功耗LCD控製器
，支持多達80個分段

●   鍵盤掃描儀支持高達6x8矩陣 (KEYSCAN)

●   芯片溫度傳感器
，在整個溫度範圍內具有+TBD/-TBD°C 的精度

經過PSA認證的安全特性

在EFR32FG23諸多特性中，其出色的安全特性尤其讓人印象深刻。

從EFR32FG23的係統框圖中可以看到，其具有一係列安全特性
，包括支持主流加密標準的硬件加密加速、真隨機數發生器 (TRNG)、基於硬件信任根的安全啟動
、安全調試
、物理篡改、安全認證身份

，以及物理不可克隆功能（PUF）密鑰管理技術，盡可能地降低物聯網安全漏洞和知識產權受損的風險。同時，EFR32FG23所采用的Cortex-M33內核還支持Arm TrustZone安全特性，也是下一代安全敏感型MCU的標配。

Silicon Labs將上述這些安全特性統合在一起，形成了一個完整的Secure Vault解決方案
，並獲得了來自Arm的PSA認證項目和ioXt 聯盟（ioXt Alliance）等第三方物聯網的安全認證。不誇張地講，Secure Vault技術是當今物聯網無線SoC先進硬件和軟件安全保護功能的集大成者，可以簡化開發、加快產品上市時間並幫助設備製造商開發麵向未來的產品。

圖3：Secure Vault技術獲得了Arm的PSA 3級認證

（圖源：Silicon Labs）

Secure Vault的安全功能包括：

安全設備標識

Silicon Labs的工廠信任部署服務帶有可選的安全編程服務
，可為每個單獨的矽芯片在IC製造期間提供類似於出生證明的安全設備標識證書

，從而支持部署後的安全性、真實性和基於證明的健康檢查。設備證書可確保芯片在其使用壽命內的可靠性。

安全密鑰管理和存儲

設備和數據訪問安全方案的有效性直接依賴於密鑰的保密性。使用Secure Vault
，可以對密鑰進行加密並將其與應用程序代碼隔離。由於使用PUF生sheng成cheng的de主zhu加jia密mi密mi鑰yao對dui所suo有you密mi鑰yao進jin行xing加jia密mi


，因yin此ci提ti供gong了le幾ji乎hu無wu限xian製zhi的de安an全quan密mi鑰yao存cun儲chu。每mei一yi個ge設she備bei的de開kai機ji簽qian名ming都dou是shi獨du一yi無wu二er的de
，並bing且qie主zhu密mi鑰yao在zai開kai機ji階jie段duan創chuang建jian，從cong而er無wu需xu主zhu密mi鑰yao存cun儲chu，進jin一yi步bu減jian少shao了le攻gong擊ji途tu徑jing。

先進的篡改檢測

此特性支持從易於實現的產品外殼防篡改功能到通過電壓
、頻率和溫度操作對矽芯片進行複雜的篡改檢測。可配置的篡改響應功能使得開發人員可以設置適當的響應動作
，包括中斷、複位或在極端情況下刪除密鑰。

可見
，有了Secure Vault安全功能的加持，不僅能夠滿足現今物聯網應用的安全所需，也完全可以應對未來的安全監管措施和法規的要求，為Sub-GHz無線設備提供一道穩固的安全防線。

設計生態已就緒

總結一下
，作為Silicon Labs公司Series2平台係列產品中的一員，EFR32FG23提供了遠距離互連和低功耗的特性，以及豐富的外設功能，且通過了Arm PSA 3級安全認證

，可以說是電池供電的高性能Sub-GHz無線解決方案的理想選擇。同時
，EFR32FG23在射頻方麵支持多種調製方案和無線協議
，為開發人員提供了靈活
、多協議的Sub-GHz連接選擇
，在全球範圍內的市場適應性和可擴展性也很強
，是一款各方麵綜合表現都很優秀的無線SoC產品。

值得一提的是
，得益於Series2平台資源的支持，與EFR32FG23配套的設計生態也已經就緒。比如在開發工具方麵，目前就已經有一係列的產品可以提供。比如下麵這款FG23 868MHz至915MHz +14dBm開發套件，就是一款外形緊湊

、功能豐富的開發平台，支持FG23的板載分段LCD控製器以及LESENSE和脈衝計數器等關鍵特性
，能夠加速開發者的器件評估和原型開發進程。

圖4：FG23 868MHz至915MHz +14dBm開發套件

（圖源：Silicon Labs）

圖5：FG23 868MHz至915MHz +14dBm開發套件係統框圖（圖源：Silicon Labs）

總之，EFR32FG23不僅是開發Sub-GHz長距離、低功耗無線物聯應用的理想選擇，從它身上你也能夠看到一顆優秀無線SoC應該具備的能力和實力。有了這樣的認知，麵對未來千億級的物聯網設備市場，想必你一定是信心滿滿了吧！

來源：貿澤電子

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