【導(dǎo)讀】工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展趨勢是在一個(gè)SoC而非多個(gè)離散器件中執(zhí)行更多功能，以精簡物料清單、降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)、減少占用空間。Wi-Fi? MCU即是一個(gè)典型，它將Wi-Fi連接與處理器及所需GPIO集成在一起，以滿足多種應(yīng)用的需求。在指定其中一個(gè)器件時(shí)，需要考慮多個(gè)因素，并需審慎進(jìn)行選擇，因此務(wù)必對這些器件有所了解。
工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展趨勢是在一個(gè)SoC而非多個(gè)離散器件中執(zhí)行更多功能，以精簡物料清單、降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)、減少占用空間。Wi-Fi? MCU即是一個(gè)典型，它將Wi-Fi連接與處理器及所需GPIO集成在一起，以滿足多種應(yīng)用的需求。在指定其中一個(gè)器件時(shí)，需要考慮多個(gè)因素，并需審慎進(jìn)行選擇，因此務(wù)必對這些器件有所了解。
當(dāng)今市場上存在低成本的Wi-Fi連接方案，但通常會(huì)以外設(shè)數(shù)量和整體性能為代價(jià)。這意味著選擇最佳Wi-Fi MCU充滿挑戰(zhàn)和風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)閃i-Fi MCU必須兼具穩(wěn)健的Wi-Fi連接和高性能MCU功能，二者缺一不可，否則會(huì)導(dǎo)致整個(gè)設(shè)計(jì)項(xiàng)目延遲甚至失敗。MCU是系統(tǒng)的核心，是Wi-Fi MCU中最關(guān)鍵的部分，因此需要在項(xiàng)目伊始對其性能進(jìn)行檢查，否則可能在后期發(fā)生需要更換器件的情況，通常需要重新設(shè)計(jì)所有軟件及配置配套電路。
ADC不容忽視
指定Wi-Fi MCU時(shí)，模數(shù)轉(zhuǎn)換是最易忽視的功能之一，盡管它是信號(hào)鏈中模擬輸入之后的第一個(gè)處理元件。這意味著它的性能將影響整個(gè)系統(tǒng)，因此務(wù)必掌握有關(guān)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的關(guān)鍵指標(biāo)以及Wi-Fi MCU制造商為達(dá)成指標(biāo)所應(yīng)采用的方式。
設(shè)計(jì)人員關(guān)注的首要規(guī)范之一是ADC的位數(shù)。這會(huì)讓人感到困惑，因?yàn)椋聦?shí)上，實(shí)際位數(shù)將少于（甚至遠(yuǎn)低于）數(shù)據(jù)手冊規(guī)范。ADC可用于執(zhí)行轉(zhuǎn)換的有效位數(shù)（ENOB）更為重要，ENOB始終小于數(shù)據(jù)手冊規(guī)范，但與數(shù)據(jù)手冊規(guī)范越接近越好，因?yàn)樵诓煌珹DC之間這一位數(shù)有著很大的差異。可用于執(zhí)行轉(zhuǎn)換的位數(shù)越少，SoC的輸入信號(hào)的精度就越低。
此外，與所有電子器件一樣，ADC會(huì)為信號(hào)“貢獻(xiàn)”一些對其功能產(chǎn)生負(fù)面影響的因素，包括量化和時(shí)序誤差以及失調(diào)、增益和線性度的變化。ADC還有一個(gè)眾所周知的缺點(diǎn)：易受諸多工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行環(huán)境中常見的大溫度波動(dòng)影響（見圖1）。Wi-Fi MCU制造商可以規(guī)避這種情況，因此務(wù)必聯(lián)系每個(gè)候選Wi-Fi MCU的制造商以確定其ENOB、性能隨溫度變化情況、線性度和精度。如果無法提供這些信息，則棄用。
Absolute Value of Gain Err (LSB count) | 增益誤差的絕對值（LSB計(jì)數(shù)） |
Unacceptable Gain Erron | 不可接受的增益誤差 |
Gain Error Increases with Temperature | 增益誤差隨溫度增大 |
Big average gain error | 平均增益誤差大 |
Temperature | 溫度 |
ADC Linearity Problem | ADC線性度問題 |
ADC Result | ADC結(jié)果 |
INL | INL |
Offset Error | 失調(diào)誤差 |
Voltage Input | 電壓輸入 |
圖1.低檔ADC的精度和線性度差，易受環(huán)境和溫度影響
外設(shè)支持
所有Wi-Fi MCU至少都支持少量接口標(biāo)準(zhǔn)，因此很容易認(rèn)為它們能達(dá)到要求。而當(dāng)工程師試圖在其他設(shè)計(jì)中使用相同的Wi-Fi MCU時(shí)，他們常常會(huì)為自己的草率后悔不已。這種情況在建立或修改工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)時(shí)越來越常見，因?yàn)榇蠖鄶?shù)生產(chǎn)設(shè)施均采用由不同制造商在不同時(shí)間制造的各種機(jī)器和控制器。
隨著系統(tǒng)的完善，可能會(huì)增加更多的接口，有時(shí)可能需要支持觸摸檢測和LCD等功能。如果SoC有備用GPIO，則可以在幾乎不共用引腳的情況下控制更多繼電器、開關(guān)和其他元件。為此，器件支持的接口應(yīng)包括以太網(wǎng)MAC、USB、CAN、CAN-FD、SPI、I2C、SQI、UART和JTAG（可能還包括觸摸發(fā)送和顯示支持），以確保能夠在現(xiàn)在和可預(yù)見的未來適應(yīng)幾乎所有情況。
安全始于內(nèi)部
安全性對于每個(gè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用都至關(guān)重要，但工業(yè)環(huán)境具有任務(wù)關(guān)鍵性特征，一旦有威脅進(jìn)入工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)，就會(huì)在整個(gè)設(shè)施乃至整個(gè)公司擴(kuò)散。第一級所需安全性位于MCU的集成加密引擎中，在這里，將順序執(zhí)行或并行執(zhí)行加密和身份驗(yàn)證。密碼應(yīng)包括AES加密（密鑰大小最高256位）、DES和TDES，身份驗(yàn)證應(yīng)包括SHA-1和SHA-256以及MD-5。
由于每個(gè)云服務(wù)提供商都有自己的認(rèn)證和密鑰，為其置備器件是一個(gè)復(fù)雜的過程，需掌握大量與加密相關(guān)的知識(shí)，是設(shè)計(jì)人員針對云服務(wù)置備產(chǎn)品時(shí)最具挑戰(zhàn)性的任務(wù)之一。幸運(yùn)的是，包括Microchip Technology在內(nèi)的一些制造商簡化了這一過程，從而節(jié)省了大量的時(shí)間和金錢。這種方法能夠極大地縮短時(shí)間，減少混亂；可以將設(shè)計(jì)過程縮短數(shù)周或更長時(shí)間，同時(shí)憑借行之有效的可驗(yàn)證方法確保滿足所有安全和置備要求。
務(wù)必注意，大多數(shù)Wi-Fi MCU將憑證存儲(chǔ)在閃存中，其中的數(shù)據(jù)可訪問且容易受到軟件和物理攻擊。如果將此類信息存儲(chǔ)在硬編碼的安全元件中，則無法通過任何外部軟件讀取其中的數(shù)據(jù)，因而可以達(dá)到最高的安全性。例如，WFI32等Microchip Wi-Fi MCU（圖2）在公司的Trust&GO平臺(tái)中采用這種方法安全地置備其MCU，以連接到AWS IoT、Google Cloud、Microsoft? Azure和第三方TLS網(wǎng)絡(luò)。
PIC32MZ-W1 | PIC32MZ-W1 |
Antenna | 天線 |
FEM and Antenna Circuit | FEM和天線電路 |
40 MHz Crystal | 40 MHz晶振 |
Decoupling Capacitors | 去耦電容 |
MIPS32? microAptiv? M-Class Core 200 MHz | MIPS32? microAptiv? M-Class內(nèi)核（200 MHz） |
1 MB Embedded Flash | 1 MB嵌入式閃存 |
320 KB RAM | 320 KB RAM |
256 KB Data | 256 KB數(shù)據(jù) |
64 KB Wi-Fi? Buffer | 64 KB Wi-Fi?緩沖器 |
Encryption Engine | 加密引擎 |
Data Crypto-AES, TDES | 數(shù)據(jù)加密AES和TDES |
Public Key-ECC, CEHD, ECDSA, Curve25519, Ed25519 | 公鑰ECC、CEHD、ECDSA、Curve25519和Ed25519 |
Wi-Fi IEEE? 802.11 b/g/n | Wi-Fi IEEE? 802.11 b/g/n |
Peripherals and Interfaces | 外設(shè)和接口 |
8 MHz Internal Oscillator | 8 MHz內(nèi)部振蕩器 |
LPRC, REFO | LPRC和REFO |
12-bit ADC, 12 Channels, 2 Msps | 12位ADC，12通道，2 Msps |
Supports 6 Touch Inputs | 支持6個(gè)觸摸輸入 |
3x32-bit, 7x16 bit Timers | 3x32位和7x16位定時(shí)器 |
4x Capture/Compare/PWM | 4x捕捉/比較/PWM |
USB 2.0 Full Speed | USB 2.0全速 |
10/100 Ethernet (RMII, IEEE 1588) | 10/100以太網(wǎng)（RMII和IEEE 1588） |
3x UARTs, 2xSPI/I2C/SQI, 2xI2S? | 3 x UART、2 x SPI/I2C/SQI和2 x I2S? |
1xCAN, 1xCAN-FD | 1 x CAN和1 x CAN-FD |
37 GPIOs | 37個(gè)GPIO |
Trust＆GO Secure Element | Trust＆GO安全元件 |
Hardware Crypto Accelerator | 硬件加密加速器 |
Pre-Provisioned for AWS, Azure Cloud, GCP and Any Other TLS Networks | 針對AWS、Azure Cloud、GCP和任何其他TLS網(wǎng)絡(luò)預(yù)先置備 |
JIL "High”-Rated Secure Key Storage | JIL“高”評級安全密鑰存儲(chǔ) |
ECC-P256, AES-128 and SHA-256 | ECC-P256、AES-128和SHA-256 |
High-Quality Random Number Generator | 高質(zhì)量隨機(jī)數(shù)發(fā)生器 |
圖2.WFI32 Wi-Fi?模塊將憑證存儲(chǔ)在硬件中加以隔離，使其幾乎不會(huì)遭受黑客攻擊
預(yù)置備、預(yù)配置或自定義的安全元件在制造時(shí)即會(huì)存儲(chǔ)于器件的硬件安全模塊（HSM）內(nèi)生成的憑證，防止憑證在生產(chǎn)期間和之后公開。Trust&Go平臺(tái)只需一款成本低廉的Microchip開發(fā)工具包，設(shè)計(jì)人員可使用隨附設(shè)計(jì)套件中的教程和代碼示例創(chuàng)建所需的清單文件。一旦安全元件的C代碼在應(yīng)用程序中運(yùn)行，就可以從設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)入生產(chǎn)。
所需安全性的另一種形式是Wi-Fi聯(lián)盟認(rèn)證的最新Wi-Fi安全。最新版本的WPA3基于上一代WPA2構(gòu)建，但增加了一些功能，可簡化Wi-Fi安全、實(shí)現(xiàn)更穩(wěn)健的身份驗(yàn)證、提供更高的加密強(qiáng)度并保持網(wǎng)絡(luò)彈性。所有新器件均須通過WPA3認(rèn)證才能使用Wi-Fi聯(lián)盟標(biāo)志，因此應(yīng)對每個(gè)Wi-Fi芯片和Wi-Fi MCU進(jìn)行認(rèn)證，以實(shí)現(xiàn)最高安全性。不過，仍需進(jìn)行核實(shí)以確保候選Wi-Fi MCU已通過WPA3認(rèn)證。
確保互操作性
由于射頻不匹配、軟件和其他一些因素，Wi-Fi MCU始終有可能無法與市場上的部分接入點(diǎn)通信。無法連接到常用的接入點(diǎn)有損公司聲譽(yù)。盡管我們無法保證Wi-Fi MCU能與全球每個(gè)接入點(diǎn)（AP）搭配使用，但可確保Wi-Fi MCU通過了與市場上最常用AP的互操作性測試，從而能最大程度地減少問題。此信息通常可從制造商網(wǎng)站獲取，但若網(wǎng)站未提供相關(guān)信息，可致電制造商獲取信息，如果仍未能獲取信息，請選擇其他供應(yīng)商。
需要得到幫助
最后但同樣重要的是需要設(shè)計(jì)支持。如果沒有一個(gè)全面的集成開發(fā)環(huán)境（IDE）平臺(tái)，設(shè)計(jì)人員只能將一些不確定是否有用、簡單或可靠的Web資源拼湊在一起。例如，少數(shù)Wi-Fi MCU制造商提供了有關(guān)產(chǎn)品的基本詳情和原型設(shè)計(jì)說明，但就此止步，不提供將其從當(dāng)前階段轉(zhuǎn)入生產(chǎn)階段所需的信息。
真正有用的是，制造商應(yīng)提供一個(gè)全面的IDE（圖3），其中包括Wi-Fi MCU執(zhí)行的每一個(gè)模擬和數(shù)字功能以及要在特定應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)所需要的全部外部元件。應(yīng)提供一種方法將設(shè)計(jì)變更對整體性能的影響可視化，還應(yīng)具備評估設(shè)計(jì)的RF性能和合規(guī)性的能力。一些基本工具可免費(fèi)使用，另一些工具則以適中的成本提供，包括設(shè)計(jì)用于制造商的Wi-Fi MCU系列的評估板。
Prototyping | 原型設(shè)計(jì) |
Example applications | 示例應(yīng)用程序 |
Peripheral drivers | 外設(shè)驅(qū)動(dòng)程序 |
Programming and debugging | 編程和調(diào)試 |
Performance | 性能 |
Register depth debugging tools | 寄存器深度調(diào)試工具 |
Peripherals tuning tools | 外設(shè)調(diào)整工具 |
Product Development | 產(chǎn)品開發(fā) |
Prototype | 原型設(shè)計(jì) |
Reliability Performance, Regulation | 可靠性、性能和合規(guī)性 |
Finished Product | 成品 |
Cloud application development | 云應(yīng)用開發(fā) |
Application example with cloud connection | 采用云連接的應(yīng)用示例 |
Voice control function enabled | 支持語音控制功能 |
Cell phone apps support | 手機(jī)應(yīng)用支持 |
Regulatory | 合規(guī)性 |
Testing tools for regulatory compliance | 合規(guī)性測試工具 |
RF signal quality | 射頻信號(hào)質(zhì)量 |
圖3.從原型設(shè)計(jì)階段到成品，此類集成開發(fā)環(huán)境均能為設(shè)計(jì)人員提供調(diào)試工具和其他工具來降低風(fēng)險(xiǎn)
總結(jié)
物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展趨勢是將更多的處理能力轉(zhuǎn)向網(wǎng)絡(luò)邊緣，而不是只集中于基于云的數(shù)據(jù)中心。為此，需要在最少的空間和元件中集成盡可能多的功能。Wi-Fi MCU是眾多SoC中的一種，它將多個(gè)功能集成在一個(gè)器件中，而不是分布于功能特定的離散元件，從而實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)。
如果Wi-Fi MCU制造商可提供足夠的資源，則將這些器件集成到嵌入式IoT子系統(tǒng)中可能相對簡單。這些資源包括高度安全性（通過一種簡單的置備方法來滿足云服務(wù)提供商的需求）和全面的IDE（引導(dǎo)設(shè)計(jì)人員從原型設(shè)計(jì)階段轉(zhuǎn)向生產(chǎn)階段）。
（來源：Microchip Technology，作者：無線解決方案產(chǎn)品部 資深市場營銷工程師Alex Li）
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