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工業物聯網Wi-Fi MCU選型時需要了解的內容

2021-03-09 來源:EEWORLD

在評估用于IIoT的Wi-Fi MCU時,設計人員需要考慮多種功能,例如ADC,接口,安全性和互操作性。


隨著工業物聯網(IIoT)的發展,趨勢是在單個片上系統(SoC)中而不是在多個分立設備中執行更多功能,因為其結果是材料清單更少,設計風險更小且占地面積更小。一個很好的例子是Wi-Fi微控制器(MCU),它將Wi-Fi與處理器和GPIO集成在一起,以滿足各種應用程序的需求。Wi-Fi MCU要謹慎選擇,有多個因素需要考慮,理解它們很重要。


當今市場上存在低成本的Wi-Fi選型,但通常會在外圍設備數量和整體性能方面做出犧牲。這意味著選擇最佳的Wi-Fi MCU具有挑戰性和風險,因為啟用Wi-Fi的MCU不僅必須具有強大的Wi-Fi連接性,而且還必須具有高性能的MCU功能。缺少其中之一都會導致設計項目的延遲甚至失敗。


作為系統核心,MCU是啟用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,避免頻繁更換設備帶來的重新設計所有軟件和電路。


不要忘記ADC


指定Wi-Fi MCU時,模數轉換是最容易被忽略的功能之一,盡管它是信號輸入之后信號鏈中的第一個處理組件。這意味著它的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。


設計人員關注的首個規格之一是ADC的位數。這可能會造成混淆,因為在實踐中,實際的位數將低于datasheet規范,有時甚至會大大降低。更重要的是應該關注ADC可用于執行轉換的有效位數(ENOB)。這將始終低于數據手冊中的規格,但ENOB與數據手冊中的規格之間的匹配越接近越重要,因為這在ADC之間會有很大差異。可用于執行轉換的位數越少,SoC輸入信號的精度就越低。


此外,像所有電子設備一樣,ADC對信號還會造成一些負面影響,包括諸如量化和時序誤差以及失調、增益和線性度的誤差。ADC還因其對許多IIoT操作環境中常見的寬溫度波動的敏感性而飽受影響(見圖1a和1b),因此與制造商聯系以確定設備的ENOB,溫度性能,線性度和精度非常重要。


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圖1a和1b:低級ADC的精度和線性度很差,并且對環境和溫度敏感。 (圖片:Microchip Technology)


周邊支援


所有Wi-Fi MCU都至少支持一些接口標準,因此很容易就可以認為它們已經足夠了。當工程師試圖在另一個設計中使用相同的Wi-Fi MCU時,工程師常常會后悔這個假設。在構建或修改IIoT系統時,這種情況變得越來越普遍,因為大多數器件都有由不同制造商在不同時間制造的。


隨著系統的發展,它可能會添加更多的接口,并且有時會需要支持觸摸感應和LCD等功能。如果SoC具有備用GPIO,則可以用很少或沒有引腳共享來控制更多的繼電器,開關和其他組件。因此,設備支持的接口應包括以太網MAC,USB,CAN,CAN-FD,SPI,I2C,SQI,UART和JTAG(以及可能的觸摸和顯示等),以確保幾乎每種情況都可以適應現在和將來。


安全始于內部


安全性對于每個物聯網應用都是必不可少的,但是工業場景對于任務至關重要。一旦危險進入IIoT網絡,它就可以遍及整個機構甚至整個公司。所需的安全性的第一級是在MCU的集成加密引擎中,在加密引擎中,加密和身份驗證可以順序執行或并行執行。密碼應支持256位的AES加密,DES和三重DES,身份驗證應包括SHA-1,SHA-256和MD-5。


設計中最具挑戰性的任務之一人們正在為其云服務供應他們的產品。每個云服務提供商都有其自己的證書和密鑰,因此配置設備變得復雜,需要有關加密的大量知識。


幸運的是,包括Microchip在內的一些制造商使此過程變得簡單,從而節省了大量時間和金錢。重要的是要注意,大多數Wi-Fi MCU將密碼憑據存儲在閃存中,在那里數據可以訪問并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部分可獲得最高的安全性,因為內部數據無法靠任何外部軟件讀取。例如,Microchip的Wi-Fi MCU(例如WFI32)(參見圖2)在公司的Trust&GO平臺中采用了這種方法,以安全地配置其MCU連接到AWS IoT,Google Cloud,Microsoft Azure和第三方TLS網絡。


該方法所導致的時間減少和混亂不容小覷。在設計過程中可以節省數周甚至更多的時間,同時可以確保采用可靠且可驗證的方法來滿足所有安全性和備份要求。


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圖2:WFI32 Wi-Fi模塊通過將密碼憑據存儲在硬件中來隔離憑據,從而使它們幾乎不受黑客攻擊。(圖片:Microchip)


預先配置或自定義的安全元素存儲在設備制造時在設備的硬件安全模塊(HSM)內部生成的憑據,從而使它們在生產期間和生產后均不會暴露。Trust&Go平臺只需要廉價的Microchip開發套件,設計人員就可以使用教程和代碼示例在隨附的設計套件中創建所需的清單文件。一旦安全元素的C代碼在應用程序中運行,就可以將設計發送到生產環境。


所需安全性的另一種形式是由Wi-Fi聯盟認證的最新Wi-Fi安全性。最新版本是WPA3,該版本建立在其前身WPA2的基礎上,但增加了一些功能以簡化Wi-Fi安全性。它還可以實現更強大的身份驗證,增強的加密強度并保持網絡彈性。


所有新設備都必須經過WPA3認證,才能使用Wi-Fi Alliance徽標,因此,每個Wi-Fi芯片和Wi-Fi MCU都應經過認證,以提供最高的安全性。因此,請提前檢查以確保Wi-Fi MCU通過了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總是有可能無法與市場上的某些接入點進行通信。無法連接流行的接入點可能會有損公司的聲譽。雖然無法保證Wi-Fi MCU可以與地球上的每個接入點(AP)一起使用,但可以通過確保Wi-Fi MCU通過與市場上最流行的AP的互操作性測試來最大程度地減少問題。這些信息可以在制造商的網站上找到。


您需要更多幫助


最后但同樣重要的是,需要設計支持。如果沒有一個全面的集成開發環境(IDE)平臺,設計人員將不得不從網絡中搜集可各種可用或不可用,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說明,但僅就此止步,而不是包括將設計投入生產所需的信息。


制造商應提供全面的IDE(參見圖3),其中包括Wi-Fi MCU執行的所有模擬和數字功能,以及在特定應用中實施所需的所有外部組件。IDE平臺還需要提供一種方法,以可視化如何將設計更改反映在總體性能中以及評估設計的RF性能以及法規遵從性等。其中一些基本工具是免費的,而另一些則價格不菲,包括評估板。


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圖3:集成開發通過從原型階段到最終產品為設計師提供調試和其他工具,降低了風險。 (圖片:Microchip)


總結


物聯網的趨勢是將更多的處理能力轉移到網絡邊緣,而不是僅在基于云的數據中心。為此,必須在最少的空間和組件中集成盡可能多的功能。Wi-Fi MCU是通過將多個功能集成到單個設備而不是功能特定的分立組件中來實現這一目標。


假設有足夠的資源,將這些設備集成到嵌入式物聯網子系統中可能相對簡單。包括高級別的安全性,提供其以滿足云服務供應商需求的直接方法,以及全面的IDE,可支持設計人員從原型階段到生產階段的全周期。


關于作者:


Alex Li是Microchip Technology的產品線經理,負責Wi-Fi產品的技術營銷和全球增長。 在半導體行業的職業生涯中,Li先生曾在美國和新加坡擔任過技術工程和市場營銷職務。 加入Microchip之前,他曾在Semtech Corporation的消費者和傳感部門產品線市場部工作。 此前,李先生曾擔任Arrow Electronics的高級應用工程師,為亞太地區的客戶群提供服務。加入Arrow之前,他是新加坡NXP半導體公司的高級首席產品應用工程師,并且是為NXP的亞太地區提供業務發展戰略的全球銷售和市場團隊的成員。Li先生持有新加坡國立大學電子與計算機工程學理學學士學位,擁有密蘇里州圣路易斯的華盛頓大學奧林商學院的工商管理碩士學位(MBA)。

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