物联网设计选择无线SoC时应考虑哪些问题

为您的设计选择无线片上系统 （SoC） 并非易事。它需要仔细考虑几个因素，包括功耗、尺寸和成本。SoC 还需要为物联网应用和网络支持正确的无线协议，这需要范围、延迟和吞吐量等因素。

确保您的物联网设计针对应用进行优化的一种方法是仔细考虑您选择的无线 SoC。它还需要仔细评估设计的关键要求（包括电池寿命、计算和内存资源以及占用空间），因为根据应用的不同，需要权衡性能。

设计人员在为其产品选择无线SoC时需要考虑许多因素，恩智浦半导体无线连接、安全连接边缘产品营销经理Max Palumbo说。“在选择什么设备或架构方面没有正确的答案，因为这取决于产品设计师愿意做出的一系列工程权衡，以满足其最终客户的需求。

业界也一致认为，具有全面支持工具和服务的强大开发生态系统至关重要。这些产品和原型设计工具及服务可以帮助设计人员缩短上市时间并降低成本。

因此，让我们看看工程师在为其物联网设计选择无线SoC时应考虑的一些首要设计问题，以及一些最大的挑战和权衡。

用例决定设计

大多数无线 SoC 制造商都认为，应用要求决定了无线 SoC 的选择，并有助于缩小物联网设计的选择范围。他们说，最关键的因素之一是功耗，其次是许多其他考虑因素，例如无线协议，性能，成本，尺寸，工具支持和易于集成。

虽然功耗是选择无线SoC的最关键因素之一，但无线协议的选择由应用决定。

最终应用决定了优先级，Synaptics Incorporated无线连接产品营销高级总监Brandon Bae说。

他列举了一些应用示例，其中设计优先级定义了无线SoC的选择。

“例如，如果它是一个电池供电的设备，例如具有单个蓝牙连接的可穿戴设备，他们可能会选择我们的SYN20703P [单芯片蓝牙收发器和基带处理器]，”Bae解释说。“如果是无人机，他们可能需要我们的SYN43400 Wi-Fi SoC，因为功耗、尺寸和重量非常重要，开发人员必须根据他们的上市策略做出决定。

“无人机可能还需要Wi-Fi和蓝牙，”他补充说。“在这一点上，应用所需的无线接口数量变得很重要，而两者的集成SoC通常是最好的方法。我们的 SYN43756 [单芯片 IEEE 802.11ax 2 × 2 MAC/基带/无线电，集成蓝牙 5.2] 是一个很好的解决方案。

Bae还指出，“应用程序依赖性可以延申到包括把物联网的聚合点或网关，其中多个异构无线网络集成在一起。他说，这将受益于蓝牙，Wi-Fi和Zigbee / Thread（IEEE 802.15.4 PHY）的更高集成度，例如Triple Combo SYN4381无线SoC提供的集成度。

Silicon Labs无线产品营销高级总监Dhiraj Sogani对此表示赞同：“每种无线协议都扮演着不同的角色，最终应用用例对于为物联网设备决定一个或多个这些协议是最重要的。

Sogani表示，为物联网设备选择无线SoC有几个关键因素，这些因素因应用而异。他的五大考虑因素对各种物联网设备都很重要，包括无线协议;安全;电池寿命;硬件和软件支持，包括外围设备、GPIO、IDE 支持、云支持和网络/无线堆栈集成;以及操作系统、网络堆栈和无线堆栈集成到无线 SoC 后可用于应用程序的计算和内存资源。

他说，对于无线协议，应用程序要求包括吞吐量，延迟，网络节点数量和范围。“随着越来越多的功能集成到设备中，物联网设备每天都变得越来越复杂。将无线技术添加到物联网设备会增加复杂性。物联网设备中使用了许多无线协议，包括Wi-Fi，BT，BLE，Zigbee，Thread，Z-Wave和蜂窝。特定设备的无线通信协议的选择取决于应用、尺寸、成本、功率和其他几个因素。

Sogani列举了几个例子，其中应用程序和性能要求是决策的关键。

“BLE协议用于家庭温度传感器极佳，因为它低功耗，成本低于其他一些协议，并且在典型的家庭环境中提供必要的范围，”他说。“NFC提供最低的吞吐量和最短的范围，使其成为非接触式支付应用的理想选择。Wi-Fi 提供了多个应用（如安全摄像头）所需的更高吞吐量。

设计挑战

大多数芯片制造商都认为，无线SoC可以通过集成不同的无线协议和处理多种协议来简化设计，但两者之间的共存是有挑战的。这样做还可以节省空间，这是许多物联网设计中的一个关键问题。但是，在某些用例中，分立式解决方案可以在性能和成本方面提供最佳价值。

“无线SoC的好处很多，包括保证经过验证的设计，更短的上市时间，更小的整体占用空间，更低的物料清单[BOM]和更低的库存管理成本，”Synaptics的Bae说。“这些优势几乎适用于所有终端应用，但在某些情况下，如果客户有特定要求，并且具有在该方向上实施的RF设计技能和资源，则分立解决方案可能会更好地工作。

恩智浦的Palumbo表示，在确定如何构建包含无线连接的最终产品时，“产品设计人员必须做出的第一个决定是使用单个集成的无线SoC还是将无线与处理器分开。需要做出的同样重要的决定是将使用哪种操作系统。操作系统的决定将迅速将设计人员转向成本较低、基于RTOS的微控制器，或者转向更大、更具可扩展性、基于Linux的处理器。

Palumbo说，集成无线SoC在物理上更小，并且由于集成而可能成本更低，使最终产品设计人员能够提供更小的产品或更具创新性的外形。

“然而，集成无线SoC的挑战在于设计人员缺乏独立优化计算性能或无线性能的灵活性，并且无线SoC本身的功能是不变的，因此没有那么多的能力来优化产品的单个组件，”他说。

无论是使用集成解决方案还是分立解决方案，功耗仍然是受系统架构和用例影响的关键因素。“这意味着在某些情况下，涉及独立无线电和处理器芯片的多芯片解决方案可能更容易优化，”Palumbo说。“在其他情况下，无线处理器可以提供特定应用和用例所需的所有必要灵活性。

Palumbo提供了一些功耗起着关键作用的关键例子。“例如，简单的终端应用，如传感器或执行器，具有低通信占空比，并且不执行任何辅助网络功能，如路由，设计人员在使用集成无线SoC时将看到最低的功耗。这种类型的应用可以通过恩智浦的K32W148无线微控制器等设备来解决。

“然而，对于更复杂的设备 - 例如恒温器 - 数据包路由是终端设备和目标生态系统整体用户体验的重要特征，分立解决方案可能功耗更低，”他说。“如果网络协处理器[NCP]与主计算SoC一起包含，那么这允许卸载网络协议栈，以便只需要协处理器本身唤醒以路由数据包。

在此示例中，恩智浦 i.MX 微处理器（如 i.MX 8M Mini）可用作计算SoC，恩智浦RW612无线MCU可用作NCP，IW612三射频解决方案可用作无线电协处理器。“这有助于显着降低系统的功耗 - 特别是当NCP与基于Linux的微处理器一起使用作为主要计算平台时，”Palumbo说。

他补充说，产品设计师必须做出这些权衡，并选择最对客户有意义的架构，为他们带来的价值。

设计权衡

根据无线SoC制造商的说法，无线集成可能非常具有挑战性，尤其是当它与RF电路有关时，所有权衡都由应用驱动。

意法半导体无线产品线营销经理Nathalie Vallespin表示，挑战通常在于解决方案的无线电集成部分，以提供高质量的产品性能并满足法规和协议认证要求。

“无线SoC简化了集成阶段，因为大多数首次转向无线解决方案的客户都不是RF专家，因此集成简化并加速了他们的开发和生产，”她说。“集成解决方案[SoC]也简化了最终客户的产品采购，甚至可以使用包含整个参考设计的模块进一步简化。

此外，Vallespin表示，“SoC还确保了无线电协议和应用的更高效的功耗和性能水平，而多芯片解决方案则为软件管理带来了连接接口限制和复杂性。分立/多芯片方法也可能导致过度消耗，以保持主机和无线电运行以正常通信。

Synaptics的Bae表示，RF存在许多挑战，但“可以通过仔细考虑电路板布局，接地，设计中其他数字IC的相对定位以避免干扰以及天线放置和布线来解决。除了布局之外，设计人员或开发人员还需要认识到电源切换、其他电磁干扰源和外壳材料选择对SoC的影响。

无线SoC集成可能变得具有挑战性，这取决于它支持的无线协议数量和应用，Silicon Labs的Sogani说。

他列举了几个挑战，包括硬件集成（天线放置、射频设计等）、软件开发（无线协议栈、网络协议栈、云连接、应用程序开发）、射频测试（包括极端条件）、互操作性测试（与它应该连接的其他设备）、无线共存（多个协议需要共存）、生产测试（最大限度地减少测试时间和产量）、监管认证（针对要支持的国家）， 协议合规性（针对设备中集成的协议）、功耗优化（基于电池要求）、系统安全性（确保设备和数据安全）和解决方案成本（基于目标）。

Sogani说，设计人员需要在每一步都做出权衡，以便在各种参数之间进行优化，而所有这些权衡最终都是由应用程序用例驱动的。

“由于物联网设备需要支持多种协议，无线SoC提供了一个集成解决方案，通过集成这些协议和处理内部同一ISM频段上多个协议之间的共存挑战来简化设计，而不必担心管理和担心多个设备的RF设计，”他补充说。“这有助于加快开发周期，并在各种协议之间实现更无缝的功能。终端应用确实发挥着作用，因为可以将分立芯片用于更简单的应用，但随着应用变得复杂，使用集成解决方案更有意义。

Vallespin说，了解和选择最适合应用和市场需求的正确技术是一项关键挑战。她说，另一个挑战是了解所选的无线电协议并选择正确的硬件（天线，路由，BOM选择）和匹配软件，这些软件可以特定于每种技术。

Vallespin补充说，关键的权衡是平衡价格与功能以及选择架构 - 主机+协处理器方法或单个应用处理器。

支持和可用性

除了性能问题之外，开发和设计支持以及持续可用性等供应链问题是许多物联网设计人员的优先事项。

Vallespin说，主要问题包括产品及其开发生态系统如何有效地缩短上市时间和成本，产品和原型工具的可用性以及产品的长期可用性。

设计人员还需要问几个问题，例如，只要他们的产品在市场上，SoC 是否保证就可用，SoC 的路线图是什么，它是否符合他们的产品开发计划，以及是否有足够的支持可用性，包括文档， 她补充说，生态系统和联系以确保成功。

恩智浦的Palumbo认为，寿命要求是权衡的一部分。

“一旦产品出货，硬件本身就不会改变;但是，最终客户期望该产品在购买后的一段时间内将继续得到支持并获得更新，“Palumbo 说。“选择一种设备和一种产品架构，使产品设计人员能够在产品的生命周期内提供更新，这是一个越来越重要的标准。

Palumbo说，在选择无线SoC时，软件架构也是另一个关键考虑因素。“无论产品架构如何，无论是集成无线SoC还是分立式，这些SoC的软件工具和环境都是与硬件同样重要的组件。无论设备是基于Linux的，基于Android的还是基于RTOS的 - 那怕不考虑从无数可用的解决方案中使用哪些RTOS的版本, 都会对最终产品产生巨大影响。

编辑：黄飞