如何选择适合自己的无线SoC产品

根据球移动通信系统协会（GSMA）的研究数据，2010-2020年全球物联网设备数量的复合增长率高达19%，2020年达到了126亿台；而到2025年，这个数字将攀升至246亿。其他机构的预测数据虽然有差异，但是大抵都在数百亿级的水平，并大都认为在未来十年内这个进程将继续加速，向千亿量级的规模迈进。在这样的大趋势下，无线互连市场无疑将迎来一个持续的增长期。

想让设备“联网”，最直接的技术方案就是“MCU+射频模块”的双芯片架构，即在电子应用系统基础上，加上分立的无线射频通信器件。不过，按照半导体圈惯常的发展逻辑，当这个市场足够大的时候，人们就会想“为什么不将MCU和RF无线收发器集成在一起”，这样一来，在一个单芯片上就可以既实现无线通信，又能够跑应用，无疑这在成本、体积等方面都会更划算。无线SoC（有时也被称作无线MCU），就是在这样的背景下应运而生了。

无线SoC选型要素

发展到今天，无线SoC虽然还无法完全替代双芯片的架构，但已经日趋成熟，市场应用也越来越广泛。但对开发者来讲，随之而来的一个挑战就是：无线SoC产品越来越多，应该如何选择适合自己的那一款？考虑到无线SoC比单纯的MCU架构更为复杂，因此需要考量的因素也就更多，选型时就不得不多花些心思。 无线协议根据应用的要求，基于数据传输速率、传输距离、功耗、成本、网络容量、安全性等方面的要素综合评估，选择合适的无线技术，通常是无线SoC选型的第一步。

在可选的无线技术中，基于2.4GHz频段的Wi-Fi、蓝牙和Zigbee等短距互连技术目前是市场的主流，有分析显示基于此类无线协议的连接数量占比在70%以上。这几个无线技术属于开放的技术标准，市场渗透率高，生态比较完善，这都是先天的优势；但是它们的覆盖范围通常不超过100米，而且也面临着2.4GHz频段日益拥挤的局面，在抗干扰和兼容性方面的挑战必须认真应对。

由于无线传输距离与频率成反比，因此如果应用中需要更长距离的互连，低于1GHz的Sub-GHz无线技术会更具优势，且具有更强的穿墙能力；同时干扰源也不像2.4GHz频段那么多，有利于提高系统网络的整体性能。在这个频率范围内，有许多可用的无需授权或需要授权的频段可供选择（如433MHz、868MHz和915MHz），在此基础上也发展出了不少专用的无线通信协议，用户可以充分利用这些资源，灵活快速地部署自己的物联网架构，满足定制化的应用要求。

硬件平台

在确定了所需的无线技术之后，下一步就要看无线SoC的硬件架构。目前主流的无线SoC都会采用双核架构，即一个Arm Cortex-M3/M4处理器内核加上一个Cortex-M0/M0+内核：前者作为主处理器其作用是运行应用软件；而后者则用来处理无线协议，执行射频实时任务，可以有效减轻主处理器的工作负荷。

这种“两核分离”的架构还有一个好处：SoC中的射频系统实际上是被“打包”成了一个独立的射频单元，双核中的Cortex-M0/M0+核一般不开放给用户使用，对于开发者来说，整个系统就像是一个单核MCU，因此可以更专注于在Cortex-M3/M4主处理器上的应用开发，整个系统的开发工作也就得以简化了——而如果是单核架构的无线SoC，则既需要处理应用程序，又需要处理协议栈，设计流程更为复杂。所以，如果不是有特殊的要求，双核架构的无线SoC无疑是更好的选择。

安全特性

在物联网的应用中，“安全问题具有一票否决权”已经成为了大家的共识，因此安全特性也一定是无线SoC设计中的必选项。

无线SoC的安全性可以从以下几个方面来衡量，如：是否内置了安全性功能模块（如硬件加密加速器、真随机数发生器等）；是否采用了具有安全性的CPU内核（如支持Arm TrustZone的内核）；是否可以提供配套的软件资源等。有的无线SoC还会专门配置一个安全协处理器去运行网络安全相关协议，提供更强的安全性能支持。

更为重要的一点是，无线SoC厂商是否可以将上述这些安全机制，整合成一个完整的解决方案，满足实际应用中的安全策略所需，这样就可以大大减少用户在安全方面的资源投入。而且这样的解决方案，如果能够获得行业权威的安全认证，就更是能够让用户吃下一粒“定心丸”。

低功耗

大多数的无线物联网设备都是功耗敏感型的，尤其像Sub-GHz这样的应用，覆盖范围广，维护难度大，当然需要更强的续航能力，更突出的低功耗特性。

应对功耗挑战，无线SoC常用的策略有两点。一是更精细的功耗分级管理，即芯片可以根据实际应用需求来激活/关闭相应的功能模块，减少无谓的电能消耗；二是将主处理器的工作卸载到专门的协处理器和外设硬件上，尽可能减少主处理器这个能耗大户的工作时间。当然，采用更先进的工艺、低功耗的处理器架构等，也都是在优化低功耗特性上可以发力的地方，进而提升无线SoC整体的功耗表现。

外设功能

既然叫无线“SoC”，也就意味着除了核心的处理器内核、存储器等计算控制资源外，还会集成丰富的外围功能模块。这些外围模块中，重点要观察的有模拟、电源管理、接口、时序管理等几个方面，这些外设资源也是能够体现出SoC产品差异化的地方，需要根据设计要求进行细致地评估。比如，在对信号链处理有较高要求的应用中（如传感器系统），就要仔细查看模拟功能的规格；如果对数据交互和可扩展性方面要求更多，则要重点观察接口资源的配置。有经验的无线SoC供应商，通常会根据市场的需要和自己的经验，在这些外设资源和成本等要素之间做很好的平衡，定义出相应的产品，获得尽可能大的用户价值。

上面说了这么多，具体到实际工作中，应该怎样选择一颗满意的无线SoC？下面我们就通过一个实例进行说明。 Sub-GHz单芯片方案Silicon Labs公司推出的EFR32FG23Flex Gecko SoC，是一款专为网络化智能家居、安防、照明、楼宇自动化和智能表计等应用而设计的Sub-GHz单芯片方案，如果按照上文所述几个无线SoC要素来衡量，EFR32FG23在各个方面的表现都是可圈可点的。

图1：EFR32FG23 Flex Gecko无线SoC（图源：Silicon Labs）

从芯片架构上看，EFR32FG23采用了主流的双核架构：一颗Cortex-M0+内核专司射频子系统的工作；主控处理器则采用了一颗主频达80MHz、带有DSP指令和浮点单元的Cortex-M33内核，可以满足常规的物联应用设计需求。

图2：EFR32FG23无线SoC系统框图（图源：Silicon Labs）

从无线和射频功能上看，基于Sub-GHz频段的EFR32FG23的传输距离能够覆盖1英里以上的范围。其经过专门优化的射频功率放大器兼具高发射功率、低功耗、高接收灵敏度的特性。 在灵敏度方面，EFR32FG23的表现出众，从表1中我们可以看到在不同工作条件下其灵敏度的数值，与市面上其他同类无线SoC相比优势非常明显。这也意味着，EFR32FG23在各种应用场景下，可以为用户提供更稳定可靠的射频功能。

表1：EFR32FG23接收器的灵敏度特性（图源：Silicon Labs）

EFR32FG23还可支持多种调制方案（如2/4 （G）FSK、OQPSK DSSS、（G）MSK、OOK等），以及多种Sub-GHz的无线协议，包括Amazon Sidewalk、mioty、无线M-Bus、Z-Wave和其他专有物联网络，为开发者提供了一个灵活的、多协议的Sub-GHz解决方案。

从射频系统的功耗表现来看，EFR32FG23的发射功率可高达+20dBm，而对应的TX电流为85.5mA；在868MHz时10dBm功率下TX电流仅为13.2mA，RX电流仅为3.7mA。这也为无线SoC整体功耗的控制提供了保障。

表2：EFR32FG23射频系统的低功耗特性（图源：Silicon Labs）
在器件整体的低功耗特性方面，除了前面提到的经过优化的低功耗射频子系统之外，从图2中可以看出，EFR32FG23支持的功率管理级别多达5级（E0至E4），这也就意味着可以实施更为精细的按需供电管理，使得该器件可以很好地满足低功耗、长距离无线连接应用所需。以下是Silicon Labs提供的几个功率级别下的典型功耗数值：

EM0工作模式（39.0MHz）：26μA/MHz

EM2深度睡眠模式（64kB RAM保留并从LFXO运行RTC）：1.5μA

EM2深度睡眠模式（16kB RAM保留并从LFRCO运行RTC）：1.2μA

此外，在外设方面，EFR32FG23提供的资源也极为丰富，从模拟、定时器/计数器，到通信接口一应俱全，还包括低功耗LCD控制器、键盘扫描仪 （KEYSCAN）、芯片温度传感器等很“贴心”的功能模块，为应用开发带来了极大的便利性和可扩展性。

EFR32FG23丰富的外设资源

数转换器 （ADC）

- 12位 @1Msps- 16位 @76.9ksps

2× 模拟比较器 （ACMP）

2× 数模转换器 （VDAC）

低能耗传感器接口 （LESENSE）

多达31个带输出状态保持和异步中断功能的通用I/O引脚

8通道DMA控制器

12通道周边反射系统 （PRS）

4个16位定时器/计数器，带3个比较/捕获/PWM 通道

1个32 位定时器/计数器，带3个比较/捕获/PWM 通道

32位实时计数器

用于波形生成的24位低能耗定时器

16位脉冲计数器（异步操作）（PCNT）

2× 看门狗定时器

3× 升级版通用同步/异步接收器/发射器 （EUSART）

1× 通用同步/异步接收器/发射器 （UART/SPI/SmartCard（ISO7816）/IrDA/I2S）

2个支持SMBus的I2C接口

集成低功耗LCD控制器，支持多达80个分段

键盘扫描仪支持高达6x8矩阵 （KEYSCAN）

芯片温度传感器，在整个温度范围内具有+TBD/-TBD°C 的精度

经过PSA认证的安全特性

在EFR32FG23诸多特性中，其出色的安全特性尤其让人印象深刻。

从EFR32FG23的系统框图中可以看到，其具有一系列安全特性，包括支持主流加密标准的硬件加密加速、真随机数发生器 （TRNG）、基于硬件信任根的安全启动、安全调试、物理篡改、安全认证身份，以及物理不可克隆功能（PUF）密钥管理技术，尽可能地降低物联网安全漏洞和知识产权受损的风险。同时，EFR32FG23所采用的Cortex-M33内核还支持Arm TrustZone安全特性，也是下一代安全敏感型MCU的标配。

Silicon Labs将上述这些安全特性统合在一起，形成了一个完整的Secure Vault解决方案，并获得了来自Arm的PSA认证项目和ioXt 联盟（ioXt Alliance）等第三方物联网的安全认证。不夸张地讲，SecureVault技术是当今物联网无线SoC先进硬件和软件安全保护功能的集大成者，可以简化开发、加快产品上市时间并帮助设备制造商开发面向未来的产品。

图3：Secure Vault技术获得了Arm的PSA 3级认证（图源：Silicon Labs）

Secure Vault的安全功能包括：

安全设备标识

Silicon Labs的工厂信任部署服务带有可选的安全编程服务，可为每个单独的硅芯片在IC制造期间提供类似于出生证明的安全设备标识证书，从而支持部署后的安全性、真实性和基于证明的健康检查。设备证书可确保芯片在其使用寿命内的可靠性。

安全密钥管理和存储

设备和数据访问安全方案的有效性直接依赖于密钥的保密性。使用Secure Vault，可以对密钥进行加密并将其与应用程序代码隔离。由于使用PUF生成的主加密密钥对所有密钥进行加密，因此提供了几乎无限制的安全密钥存储。每一个设备的开机签名都是独一无二的，并且主密钥在开机阶段创建，从而无需主密钥存储，进一步减少了攻击途径。

先进的篡改检测

此特性支持从易于实现的产品外壳防篡改功能到通过电压、频率和温度操作对硅芯片进行复杂的篡改检测。可配置的篡改响应功能使得开发人员可以设置适当的响应动作，包括中断、复位或在极端情况下删除密钥。

可见，有了Secure Vault安全功能的加持，不仅能够满足现今物联网应用的安全所需，也完全可以应对未来的安全监管措施和法规的要求，为Sub-GHz无线设备提供一道稳固的安全防线。

设计生态已就绪

总结一下，作为Silicon Labs公司Series2平台系列产品中的一员，EFR32FG23提供了远距离互连和低功耗的特性，以及丰富的外设功能，且通过了Arm PSA 3级安全认证，可以说是电池供电的高性能Sub-GHz无线解决方案的理想选择。同时，EFR32FG23在射频方面支持多种调制方案和无线协议，为开发人员提供了灵活、多协议的Sub-GHz连接选择，在全球范围内的市场适应性和可扩展性也很强，是一款各方面综合表现都很优秀的无线SoC产品。

值得一提的是，得益于Series2平台资源的支持，与EFR32FG23配套的设计生态也已经就绪。比如在开发工具方面，目前就已经有一系列的产品可以提供。比如下面这款FG23 868MHz至915MHz +14dBm开发套件，就是一款外形紧凑、功能丰富的开发平台，支持FG23的板载分段LCD控制器以及LESENSE和脉冲计数器等关键特性，能够加速开发者的器件评估和原型开发进程。

图4：FG23 868MHz至915MHz +14dBm开发套件（图源：Silicon Labs）

图5：FG23 868MHz至915MHz +14dBm开发套件系统框图（图源：Silicon Labs）

总之，EFR32FG23不仅是开发Sub-GHz长距离、低功耗无线物联应用的理想选择，从它身上你也能够看到一颗优秀无线SoC应该具备的能力和实力。有了这样的认知，面对未来千亿级的物联网设备市场，想必你一定是信心满满了吧！

审核编辑：彭菁