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在物联网SoC中整合蓝牙IP技术的应用

2018年02月08日 20:27 次阅读

蓝牙、Wi-Fi、LTE和5G技术使得无线连接得到广泛应用。虽然每一种技术有其独特的功能和优势,设计人员必须确定是要将它们整合在单个芯片内,还是使用外部的无线芯片解决方案。物联网(IoT)应用整合无线功能的优势正变得日益显著,尤其是在朝向更先进工艺进行设计时,必须要考虑这一点。目前,具有低功耗特性的蓝牙技术正成为可穿戴设备和对象追踪或“智能”物联网应用的标准选择。蓝牙5 (Bluetooth 5)标准预计将以更广的范围、更快的速度和超越点对点通讯的能力,进入智能家庭应用。

根据Synopsys最近进行的用户调查显示,受惠于新的可穿戴设备IC市场贡献,从2013到2015年的物联网SoC设计大幅成长。此外,根据Teardown.com的资料,在其于2012至2015年拆解的800多款移动和可穿戴产品中,无线芯片的数量超过了产品的实际数量,表示在一些设计中采用了多颗无线IC。根据这些报告,可穿戴设备和智能硬件应用的成长,带动外加无线解决方案的设计增加,并为设计人员创造了机会,使其得以透过整合无线功能降低物联网SoC的成本和功耗。本文介绍在单芯片SoC中整合低功耗蓝牙等无线技术的好处,打造具有低功耗蓝牙物理层(PHY)和链路层IP的完整解决方案。

无线系统架构

在过去的数年内,出现了多种无线技术建置方案(图1):

· 独立式RF收发器:在该传统建置方案中,收发器芯片中包含控制器和PHY,或称链路层和PHY(以蓝牙情况而言)。收发器芯片连接至主SoC,其中包含软件堆栈和应用程序代码。

· 无线网络处理器:该建置使用整合无线协议堆栈的专用处理器,从而为无线芯片组带来更多价值,并让主SoC可将资源专注于应用中。

· 全整合式无线SoC:这是一种单芯片的单一建置方案,适用于特定的无线技术,尤其是用于物联网应用的低功耗蓝牙技术。链路层和PHY整合于SoC中,以执行所有的软件堆栈和应用程序代码。

· 无线组合芯片组解决方案:针对移动应用的传统架构,在单个收发器中结合了数种无线技术,如Wi-Fi和蓝牙,收发器并连接至包含数字调制解调器芯片的SoC。所有的软件、无线堆栈和应用程序代码均位于外部的非挥发性内存中。

为物联网SoC整合低功耗蓝牙IP技术

图1:蓝牙芯片建置选项(来源:TI.com)

在决定哪种建置方案能为目标应用带来最大好处时,工艺技术起着关键作用。独立式RF收发器采用了如180nm的传统节点。对于无线网络处理器,无线协议堆栈嵌入于RF收发器中,通常使用成熟的90nm节点。而在整体式无线解决方案中采用40nm和55nm技术的节点正日渐流行,这归因于可用的嵌入式闪存和混合信号IP(包括无线IP)的结合。这种类似的整体式无线SoC解决方案预计普遍采用28nm节点。其中,协议堆栈、RF收发器以及应用程序代码则整合于单个SoC中。

针对移动应用处理器,无线组合芯片(Combo)解决方案仍是流行的架构,它能利用最先进工艺为芯片面积和成本实现优化。这些系统具有无限制的芯片外内存,可为程序设计人员提供更多资源,但系统中的总芯片数将多达三个,而在其他三种建置方案中的芯片数为1或2。这清楚显示,当工艺节点能有效搭配可用IP解决方案时,可为无线整合带来诸多好处,这同时也是全整合式无线SoC系统架构变得普遍的原因所在。

工业应用案例

对于当前的穿戴式设计,如仅用低功耗蓝牙实现无线连接的的健身手环,内含一颗SoC透过UART或I2C总线连接至外部的低功耗蓝牙IC。类似的,虚拟现实(VR)眼镜使用标准的蓝牙无线网络处理器与游戏控制器进行通讯。在门锁、照明和室内定位信标等智能家庭产品中也能发现外部低功耗蓝牙芯片组。这些例子显示将无线功能整合在系统SoC的机会,可带来更多的成本降低。

如果在设计中还包含较高带宽的无线技术,如Wi-Fi,则可使用整合了多种无线技术、处理器和外部内存的无线组合芯片解决方案。例如,扩增实境(AR)眼镜需要更高的处理能力,因此,设计人员必须提升类似的移动平台设计。

无线功能正取代传统上许多靠联机实现的功能。尤其是低功耗蓝牙,它用于诊断和传送低带宽信息,而之前传统使用的是UART、I2C、SPI和USB。

在SoC中整合无线技术的好处

现在,我们已知道将无线功能整合在单个SoC中所带来的机会,接下来讨论其优缺点。无线网络处理器(如独立的低功耗蓝牙解决方案)已持续用于认证系统中,简化了设计的模块认证过程。这些独立的低功耗蓝牙解决方案不仅能简化认证过程,还提供了可靠的连接,以及与组件(如天线等)相关的常见系统设计方法。

整体式解决方案能够提供更多益处,包括低功耗、低成本、低延迟以及较小的占位空间,推动市场开始采纳和设计完全整体式无线SoC。相较于使用SPI总线,透过AMBA AHB汇流传送的数据能够将延迟降低5~10个周期,延长空闲时间因而节省功耗。事实上,在最近发布的微软(Microsoft)无线功耗研究报告中指出,“在功耗方面具有支配作用的参数并不是主动电流或待机电流,而是在休眠周期结束后重新连接所需的时间,以及RF模块休眠的程度。”

除了功耗和延迟方面的改善外,无线整合方案还能去除完整芯片组、降低封装成本,以及减少所需的额外接脚和电源管理IP。这将使封装成本降低0.15美元以上,并减少20~30个用于连接更多无线网络处理器的接脚。这些节省加上移除重复的电源管理组件、减少PCB面积,能让整个系统的成本降低更具吸引力。

正如在teardown.com报告中提到的,在VR眼镜等系统中发现了多颗无线IC。蓝牙和Wi-Fi通常被结合在单一芯片中,但这些无线技术的要求很不一样。Wi-Fi支持更高带宽,而低功耗蓝牙则将功率降至最低。Wi-Fi能够支持高达300Mbps的速度,使用远超过40~100微瓦(uW)的收发功率,对内存有相当要求。为了支持Wi-Fi的传输速率,SoC必须以符合目标工艺技术的电压作业。而在蓝牙5中,低功耗蓝牙支持2Mbps的速度,使用的收发功率低于10uW,对于内存的要求更低,电压也较低,如最新40nm和55nm超低功耗工艺中使用0.9V。

整合低功耗蓝牙的优点显而易见,预计整体式无线SoC建置方案会在不远的将来变得普遍。对于采用55nm和40nm技术而要求极低功耗的物联网SoC,优势更加明显。这类物联网SoC还会利用电源管理技术、DC-DC降压转换器,以及使用厚氧化层等技术,进一步降低工作功耗和泄漏功耗。

完整的低功耗蓝牙PHY和链路层IP

例如,Synopsys针对5G、Wi-Fi、移动LTE与无线802.15.4应用提供范围广泛的无线和模拟IP选择,以及具有优化模拟前端、数据转换器以及包含PHY和链路层IP完整低功耗蓝牙IP解决方案的蓝牙技术。

Synopsys的完整DesignWare蓝牙IP解决方案配有PHY和链路层,兼容于最新的蓝牙规范,PHY支持蓝牙5和IEEE 802.15.4标准,可在ZigBee和Thread网络上实现连接。使用链路层,能够建立与整合数据加密和随机数生成的安全无线连接,在单个实例中实现8个同步连接,并提供与第三方软件堆栈和处理器的互操作性。PHY作业在低于1V的电压下,可获得更长的电池寿命,包括整合匹配网络的芯片收发器,以及单个“接脚-天线”(pin-to-antenna)接口和电压调节器,可降低BOM成本,并简化系统设计和整合。蓝牙PHY可在180nm、55nm和40nm节点上整合,协助设计人员利用先进工艺在功率、面积和性能方面带来的益处。对于物联网SoC设计而言,55nm和40nm上的PHY更具优势,原因在于这些工艺具有极低功耗与较小尺寸的优势。

DesignWare低功耗蓝牙IP解决方案通过蓝牙技术联盟(Bluetooth SIG)组织的认证,这对设计人员取得成功至关重要。该IP经历严格的验证过程,从完整的设计验证流程,到对产品验证测试(PVT)的完全特征化,以及与生态系统的互操作性。

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物联网的发展因为安全问题到达了一定的瓶颈期

物联网技术飞速发展,随之而来的安全问题同比激增,换言之,物联网的发展因为安全问题到达了一定的瓶颈期,...

发表于 2018-03-30 14:11 287次阅读
物联网的发展因为安全问题到达了一定的瓶颈期

蓝牙耳机工作原理、方案及主要厂商分析

提到蓝牙耳机,随着技术门槛的下降,和大量廉价元器件的普及,其早已褪去了早前神秘而商务的面纱,更为消费...

发表于 2018-03-30 14:11 113次阅读
蓝牙耳机工作原理、方案及主要厂商分析

物联网大趋势下,智能门锁大有爆发之势

门锁对于很多人来说,它一直以来只是一个很简单的五金配件,并没有太多的焦点。可是来到智能化的今天天,智...

发表于 2018-03-30 14:08 268次阅读
物联网大趋势下,智能门锁大有爆发之势

慧荣科技(Silicon Motion) 图形显...

从设计和配置目前办公空间、零售店、酒店运营和工厂的趋势来看,该方案比以往更具移动性和灵活性。 这对提...

发表于 2018-03-30 12:33 2028次阅读
慧荣科技(Silicon Motion) 图形显...

华为2017年报:全球销售收入6036亿元人民币...

展望2018年,物联网、云计算、人工智能和5G等新兴技术加速走向规模商用。我们不仅要把握技术创新与商...

发表于 2018-03-30 12:11 1923次阅读
华为2017年报:全球销售收入6036亿元人民币...

小米蓝牙项圈耳机发布,仅售299元,4月3日0点...

小米蓝牙项圈耳机,你被种草了吗?

发表于 2018-03-30 11:19 611次阅读
小米蓝牙项圈耳机发布,仅售299元,4月3日0点...

互联网+是什么意思_是谁提出的_有什么意义

“互联网+”是互联网思维的进一步实践成果,推动经济形态不断地发生演变,从而带动社会经济实体的生命力,...

发表于 2018-03-30 10:25 394次阅读
互联网+是什么意思_是谁提出的_有什么意义

nova 3e深度体验,开启您的智慧生活

与上一个版本相比,EMUI 8.0 语音助手更加智能,更加聪明,不但可以帮你拨打接听电话、创建记事、...

发表于 2018-03-30 09:48 405次阅读
nova 3e深度体验,开启您的智慧生活

全面实施“中国制造2025” 推动制造业高质量发...

ARM物联网智慧城市创新中心在安徽合肥公共资源交易中心完成招标,即将进入实施阶段。该项目由合肥高新区...

发表于 2018-03-30 09:15 1147次阅读
全面实施“中国制造2025” 推动制造业高质量发...

Gartner称今年全球IoT安全支出将达15亿...

近日,工信部装备工业司发布了《2018年智能网联汽车标准化工作要点》,旨在充分发挥标准对智能网联汽车...

发表于 2018-03-30 09:12 3107次阅读
Gartner称今年全球IoT安全支出将达15亿...

利用物联网控制器来控制12V16路继电器

导读: 利用物联网控制器来控制12V16路继电器。须用到8050作为通信转发,51单片机作为IO扩展...

发表于 2018-03-30 09:08 1210次阅读
利用物联网控制器来控制12V16路继电器

AK10D系列蓝牙5.0双模立体声音频芯片

Amazon的Alexa从2017年初开始爆发,截至目前其智能音箱已经有超过2,000万台的出货量,...

发表于 2018-03-30 08:48 103次阅读
AK10D系列蓝牙5.0双模立体声音频芯片

区块链从业者:区块链技术需要为实体经济服务

为优化行业生态,推进技术发展,赋能产业成长,人民创投在北京举办了“链·未来,春季区块链技术论坛”。乐...

发表于 2018-03-29 21:43 55次阅读
区块链从业者:区块链技术需要为实体经济服务

“3D打印”从科研走向产业,3D打印是发展智能制...

计划中提到,到2020年,增材制造产业年销售收入超过200亿元,年均增速在30%以上。关键核心技术达...

发表于 2018-03-29 15:55 331次阅读
“3D打印”从科研走向产业,3D打印是发展智能制...

物联网传感器的未来等相关问题进行讨论

BMI085一款高性能6轴惯性测量单元(IMU)BMI085,其将3轴16位MEMS加速度传感器和一...

发表于 2018-03-29 15:51 309次阅读
物联网传感器的未来等相关问题进行讨论

安森美半导体与Plug and Play合力确保...

安森美半导体宣布加入全球最大的创新平台位于美国硅谷的Plug and Play创业生态系统。安森美半...

发表于 2018-03-29 14:47 925次阅读
安森美半导体与Plug and Play合力确保...

自动化设备的普及应用,预测性维护带来的经济价值巨...

业物联网最大的价值在于预测性维护,新型物联网设备收集了大量的生产数据,再通过机器学习和人工智能分析,...

发表于 2018-03-29 14:01 508次阅读
自动化设备的普及应用,预测性维护带来的经济价值巨...

物联网时代的商业模式探索思路

海尔的创业是从1984年开始的。1984年它还是一个资不抵债、濒临倒闭的集体所有制的小厂,员工只有几...

发表于 2018-03-29 13:58 359次阅读
物联网时代的商业模式探索思路

ADI对5G技术现状与趋势的解读

从全球各国5G的部署情况来看,美国倾向于使用微波频段,中日韩等亚太国家则主打sub-6GHz频段,欧...

发表于 2018-03-29 11:39 441次阅读
ADI对5G技术现状与趋势的解读

无线模块指标测试资料,简化测试方法

发表于 2018-03-29 11:11 102次阅读
无线模块指标测试资料,简化测试方法

nRF52840 SoC是市场上唯一支持蓝牙5和...

高端nRF52840 SoC基于Nordic成熟的nRF52系列架构,是目前市场第一款全面支持蓝牙5...

发表于 2018-03-29 10:59 126次阅读
nRF52840 SoC是市场上唯一支持蓝牙5和...

世强推大量先进的测试测量仪器解决方案

此次世强元件电商带来的直流电源分析仪N6705C,是业界领先的nA级低功耗测量仪。该分析仪在供电的同...

发表于 2018-03-28 15:40 48次阅读
世强推大量先进的测试测量仪器解决方案

物联网的发展模式_高通如何推动无线边缘服务

物联网的发展模式与传统的通信业发展模式相比,富含变化,垂直行业应用和跨领域融合同样繁荣,致使中国电信...

发表于 2018-03-28 15:35 49次阅读
物联网的发展模式_高通如何推动无线边缘服务

物联网运用越来越广泛_攻击愈见强劲

物联网应用越来越广泛,针对物联网的攻击也日渐增加。市场研究机构 Gartner表示,以物联网为基础的...

发表于 2018-03-28 15:30 37次阅读
物联网运用越来越广泛_攻击愈见强劲

抢攻物联网商机 必不可缺技术元素

尽管物联网前景看俏,但某中国连锁集团老板却坦言耕耘得有些吃力,就算自身已掌握深厚的产业知识,仍缺乏足...

发表于 2018-03-28 13:40 129次阅读
抢攻物联网商机 必不可缺技术元素

Nordic Semiconductor批量生产...

高端nRF52840 SoC结合Nordic最新的nRF5 SDK和S140 协议栈(RF协议栈),...

发表于 2018-03-28 12:28 2347次阅读
Nordic Semiconductor批量生产...

中兴通讯积极探索物联网应用创新,荣获“特别贡献奖...

日前,在深圳召开的2018深圳智造大湾区论坛暨2017深圳物联评选颁奖盛典上,主办方深圳科学技术协会...

发表于 2018-03-28 09:21 413次阅读
中兴通讯积极探索物联网应用创新,荣获“特别贡献奖...

慕尼黑电子展世强电商运营总监:专为硬件研发打造互...

世强先进科技的运营总监刘学锋表示,物联网市场的发展既有机遇也有挑战,创新企业研发碎片化严重,企业无法...

发表于 2018-03-27 16:56 1882次阅读
慕尼黑电子展世强电商运营总监:专为硬件研发打造互...

回收CBT32蓝牙测试仪

发表于 2018-03-27 11:11 39次阅读
回收CBT32蓝牙测试仪

回收TC-3000B 蓝牙测试仪

发表于 2018-03-27 09:58 24次阅读
回收TC-3000B 蓝牙测试仪

蓝牙资料:BLE

发表于 2018-03-26 03:46 207次阅读
蓝牙资料:BLE

如何用433M实现自组网

发表于 2018-03-25 13:36 130次阅读
如何用433M实现自组网

长期回收安立MT8852B蓝牙测试仪

发表于 2018-03-23 16:22 51次阅读
长期回收安立MT8852B蓝牙测试仪

回收IQ2011蓝牙测试仪

发表于 2018-03-20 20:14 51次阅读
回收IQ2011蓝牙测试仪