用于智能家电/工控应用的无线MCU—中颖SH87F8962介绍

前言

随着物联网技术带来的变革性影响逐步深入，智能家居、工业物联网等下游应用领域的市场需求将面临爆发式增长，市场规模快速扩大。根据IDC的调研，智能家居的出货量可能会从2021年的8.95亿上升到2026年的14.4亿

因用户规模以及生活水平的提升，我国成全球主要智能家居市场之一。2022年中国智能家居出货量2.6亿台，到2026年出货量达到5.25亿台。其中智能家电出货量将从2022年的1亿台成长到2026年的2亿台。

中颖电子自2002年开始进入家电MCU市场，与国内主要头部家电厂商建立了长期的合作伙伴。经过二十年的长期耕耘，目前已成为国产家电MCU龙头厂商，市场占有率保持领先，在小家电、白色家电的多个细分领域有着齐全的MCU产品线。

随着家电的智能化发展，对MCU的性能和资源要求不断提高，同时Wi-Fi/BLE联网也逐渐成为智能家电产品的标配功能。中颖电子在2020年正式推出了一系列基于ARM M3/M0+系列应用于家电领域的32bit MCU产品之后，因应其I-IoT（工业物联网）战略，即将于2022年底正式推出集成Wi-Fi/BLE无线联网功能的MCU，这也将是业界第一颗专门针对家电应用打造的的Wi-Fi MCU产品。接下来，本文将重点介绍这颗型号为SH87F8962的无线MCU产品。

SH87F8962相比其他传统MCU产品主要有如下特点：

一、增加了Wi-Fi/BLE无线通信连接功能，可直接满足家电智能化联网需求

二、采用双核架构，分别用于控制和通信，兼顾稳定性、高性能、低功耗和易用性

三、继承中颖工业级MCU的优秀品质，在抗EMC干扰、工作温度等各方面满足复杂的工业环境应用

四、集成了LCD/LED显示、触摸、PWM、ADC等丰富的外设资源，尤其适合家电类应用

五、采用SiP系统级先进封装工艺，集成了射频相关的外部元器件，体积极小，同时保证无线性能一致性，有效降低客户端综合生产成本

支持Wi-Fi/BLE双无线协议的无线通信功能

我们知道，现在家庭的网络基础设施当中Wi-Fi是最普及的，因此智能家电实现远程通信控制的方式基本上都是采用Wi-Fi连接无线路由器的方式。考虑到不同家电在家中拜访的位置不一样，要保证Wi-Fi通信的可靠性和稳定性，对无线收发的性能有一定要求。此外，对于用户使用而言，家电设备的Wi-Fi配网过程在过去是一个比较复杂而繁琐的过程，这是由于家电设备往往不像手机这样有着方便的显示和输入的人机交互方式。因此现在最新的智能家电都加入了BLE（低功耗蓝牙）的连接方式，通过手机APP来实现一键配网，方便且不易出错，极大的改善了用户体验。

基于上述考量，SH87F8962增加的无线通信功能模块同时支持Wi-Fi和BLE两种无线通信协议。其中无线射频模块工作在2.4G频段下，是Wi-Fi和蓝牙都能工作的ISM频带，不仅仅是节省芯片面积，更主要的是Wi-Fi在2.4G频段相比5G频段具有更好的穿墙能力，确保设备连接的稳定性。

SH87F8962的Wi-Fi部分集成了符合单流IEEE 802.11b/g/n标准的PHY、MAC和Baseband，支持HT20和H40两种带宽模式，最高可支持到150Mbps，足以满足智能家电的远程控制和数据传输需求。SH87F8962在Wi-Fi模式下发射链路的最大发射功率达到20dBm，接受链路的接受灵敏度则达到-98dBm，整体链路预算达到108dBm，有效的保证了家庭环境下的无线覆盖能力。

SH87F896的BLE部分则是集成了完全符合低功耗蓝牙5.1标准规范的PHY、Linklayer以及协议栈。支持蓝牙2Mbps通信速率，Long range长距离模式，AOA/AOD定位、以及蓝牙SIG Mesh通信协议。除了可用于Wi-Fi配网，点对点手机控制，还可以拓展到Mesh组网乃至室内定位等更复杂的应用场景。

稳定灵活的双核架构

目前市面上的Wi-Fi MCU产品基本上都是单核架构，在实现Wi-Fi或BLE通信时，芯片内核必须兼顾处理用户应用以及无线射频部分，而这两个部分物理上对资源的要求不同，且因为需要分时处理会使得任务处理时间长并增加功耗。同时对开发者来说，开发时间和工作量也会增加。因此，目前在具体应用当中，往往还是采用专用的无线芯片搭配MCU芯片的方式。

SH87F8962采用了双核架构，将应用处理与无线射频处理分开，分别是32bit ARM M3内核的主MCU系统和ARM M-Star内核的无线子系统。在设计上，主MCU系统和无线子系统的Flash和RAM资源是各自独立的，这样的设计具备上面提到的无线芯片搭配MCU芯片的两颗芯片方案的灵活性优点：

a.首先是有效保证了两个内核可以并行同时工作，效率大幅提高，双核调度协调的复杂度降低。主MCU可以专门处理用户应用相关的功能处理，而无线子系统则专门负责与连接相关的处理，彼此之间只需要少量的通信和协调控制。

b.其次是整体稳定性更有保证。当无线射频部分因为意外原因导致通信受阻或出错时可以通过主MCU进行恢复，容错能力更强，而主MCU的正常用户应用不会受到任何影响。

c.网络安全性好。MCU主系统具有Flash硬件加密机制，确保固件的安全性，而无线子系统具有专门的硬件加密引擎，支持各种主流加密算法，确保网络通信的安全性。且由于两个系统相对独立，可有效防护通过网络对主MCU系统的攻击。

d.功耗控制更加灵活。主MCU和无线子系统各司其职的同时，也可以各自休眠，尤其是Wi-Fi这种射频电流较大的模块，在休眠状态下可以极大的降低整机功耗。

e.开发自由度更高。客户可以分别安排专门负责应用开发和无线通信开发的工程师，同时进行应用开发和无线通信功能的设计，并行开发和调试的效率也明显提高。

此外，SH87F8962作为双核单颗芯片产品，成本相比双芯片方案不仅在整个系统成本上更低，在客户供应链管理方面也更加方便。

高性能、高可靠性

SH87F8962的两个内核都采用了高性能32bit ARM内核。

其中主MCU内核为ARM M3，支持72MHz最高主频，由于采用特殊结构的存储器指令加速模式，可使系统获得近乎零等待周期的高运行效率,能够同时进行更加复杂的人机交互处理如显示、触摸等任务。高效的指令执行效率以及完备的生态系统，支持家电应用从传统控制系统向网络式智能化控制系统迈进。

无线子系统则是采用了ARM Star内核，这是ARM中国推出的基于ARM V8-M指令集的新一代处理器内核，相比ARM M3的V7-M指令集架构在性能上提高20%。此外ARM Star内核还包含了DSP单元，相比ARM M3的预算性能提高10倍。因此SH87F8962的无线子系统采用ARM Star内核，且主频高达160MHz，保证了Wi-Fi/BLE通信的稳定高效，同时可以支持各种复杂的安全加密算法，有效保证了网络安全。此外，随着家电智能化的发展，AI处理需求越来越多，也能通过无线子系统这颗强大的CPU内核进行处理。

除了性能方面较中颖过往8bit MCU产品系列有着巨大的提升，SH87F8962一如既往的继承了中颖MCU坚如磐石的品质和可靠性，特别适用于对环境复杂度较高的家电/工控应用。其设计的工作温度为-40°C~105°C，完全满足工业级应用的温度范围。2.0~5.5V的宽工作电压范围，可以很好的满足家电应用乃至各类工业应用。在EMC抗干扰方面，无论是ESD还是EFT都可以达到Class 3A的级别。在新增的无线连接功能部分，经过了大量复杂环境下的连接可靠性测试，以确保在各种干扰环境下都能提供稳定可靠的通信功能。

大资源、丰富的外设模块

如同中颖其他MCU系列，SH87F8962集成了丰富的外设模块和片上资源，以及成熟的工具链和开发环境。

SH87F8962的主MCU系统CPU主频为72MHz，Flash ROM有256K，RAM为32K，丰富的外设资源包括1个8通道DMA控制器、24通道的12bit ADC、24通道的触摸按键、12x16支持256级调光的LED驱动器、8x36的LCD驱动器、8个PCA、4个PWM定时器、的4个16bit通用定时器（可级联成2个32bit定时器）、1个24bit基本定时器，以及6个UART、2个SPI、2个I2C通信接口。

SH87F8962的独立无线子系统除了提供WiFi和BLE无线通信接口，CPU主频160MHz，片上Flash有4MB，RAM为352K，QSPI接口可扩展外部Flash达到256M，以及支持AES、HASH、ECC、ECDH等各种主流加密算法的硬件加密引擎。

为了方便客户开发，中颖为SH87F8962同样提供了完整的开发资料，包括数据手册、Keil开发插件、Sinolink调试工具、参考代码等，针对无线子系统则包括专门的软件SDK、FreeRTOS等，方便客户快速上手。

高集成度、低成本

除了上述提到的SH87F8962的的众多价值，还有一个客户非常关心的重点是成本。成本也不仅仅是指芯片成本，还包括BOM、生产、测试等方面的成本。SH87F8962本身设计的集成度比较高，除了前述的单芯片双核架构，集成丰富外设之外，在无线子系统部分较传统无线芯片集成度更高。

SH87F8962的无线子系统不仅把巴伦（Balun）内置，省掉了外部巴伦，最关键的是采用先进的SiP系统级封装工艺，将其他射频相关的器件如晶振、电感、电容、电阻等全部集成到芯片内部，芯片的尺寸只有9mm x 9mm，真正做到与传统MCU几乎一样精简的外部器件。由于采用先进封装工艺，器件物料品质管理更加严格，并且在芯片出厂时经过了完整的测试，包括射频性能测试，产品无线性能的一致性得到保证，有效降低客户端的测试成本。应用上最少可以做到两层板，加上芯片的尺寸小，且没有额外的外部元器件，这也大大的降低了所需的PCB成本。并且由于PCB可以做得更小，在小型化应用有着明显的优势，可以提供客户在产品ID方面更大的创意发挥空间，提供给消费者更有吸引力的产品。

结束语

随着物联网的发展，MCU在IoT应用场景越来越多，无线MCU则是MCU未来发展的一个重点方向。品质与可靠性是中颖MCU始终追求的目标，因此中颖的无线产品长期定位是I-IoT（工业物联网），而与工业应用最接近的其实是家电应用。家电始终都是中颖MCU重点耕耘的领域，每年都会保持高比例的研发投入和推出新的MCU产品。家电智能化趋势已经形成，因此中颖在I-IoT MCU产品线上的第一颗产品就是针对智能家电应用推出的SH87F8962。并且随着拓展的更多细分家电应用，中颖还会推出更多的无线集成的MCU。持续保持中颖MCU在家电领域的优势，给客户提供综合成本更优、性能和品质更好的无线MCU产品系列，同时提供一如既往成熟的开发环境和良好服务。

审核编辑：刘清