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无线网通模块整合微控制器 加速开发时程

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微控制器应用多元,面对需网通连结应用,整合RF收发器成为设计新瓶颈。NXP Semiconductors
微控制器应用多元,面对需网通连结应用,整合RF收发器成为设计新瓶颈。NXP Semiconductors

微控制器已深入生活应用,但随着市场与使用者需求增加,传统微控制器已不再仅担负控制处理应用,而是还需整合无线网通技术,结合新颖的云端应用延伸与扩展更高的服务价值,不仅是物联网需高度整合无线收发功能,连汽车电子应用都需要结合无线通讯技术,让微控制器符合新功能开发用途。

微控制器具低功耗、低成本优势

MCU搭配Wi-Fi应用功能,可因应智能家庭、M2M通讯应用产品开发需求。Microchip

MCU搭配Wi-Fi应用功能,可因应智能家庭、M2M通讯应用产品开发需求。Microchip

微控制器基本上需要具备低功耗、简洁的系统架构、高效能的系统反应时间等,尤其是低功耗的产品特性表现,让微控制器的应用领域大幅扩展,尤其是近年热门的智能装置、物联网IoT(Internet of Things)产品,微控制器更是关键的核心设计。

尤其是在物联网应用越来越热门,也进一步推进微控制器整合RF射频收?发器应用的产品发展,为了考量装置增网际网络联网应用功能,必须同时考量增RF无线网络连结功能外、也需在有限成本内进行功能组构,而在低成本、低功耗看似冲突的两大要求下,又必须把微控制器与RF射频收?发应用整合,整合难度相当高。

物联网应用发烧  微控制器搭配RF应用需求增

若是分别采用微控制器、RF射频收?发两个方案以相关元件进行软?硬件整合,虽然可以完成系统设计目标,但实际上成本、体积与功耗表现并未能达到物联网的应用需求,即便能积极微缩、压低功耗表现,在微控制器的整合成本也会因此暴增,增加IoT应用的部署成本。

在以往若要在智能装置增联网功能,最简单的方式就是额外增加一个RF射频收?发器进行功能整合,即可让终端装置也能具备无线连结传输功能,但实际上在热门的物联网应用环境,必须将硬件成本压低才能达到万物皆能联网的无线网络部署要求,否则不只成本增加,RF元件的功耗也会影响整体物联网装置的使用效益,微控制器业者必须构思能兼顾物联网需求、减少成本、降低功耗满足市场趋势的微控制器方案。

无线收发功能整合  增加系统设计复杂度

综观微处理器、RF无线通讯收?发器等相关方案,若要真达到IoT物联网的使用要求,则必须是积极整合的SiP(System in Package)系统级封装形式的产品,才较有可能达到IoT应用所需的功能整合需求,透过SiP系统级封装将微控制器与RF射频收?发器整合,不仅可以节省功能载板的占位面积,在相关整合连接电路均以集成电路制程包装在一起,也可以加速IoT物联网产品或服务的终端载板电路布局与功能验证,开发者可更专注IoT产品的服务的应用开发。

以物联网的应用终极目标,为在所有装置均具备网际网络联网能力,并藉由物联网的整合建构庞大的智能网络,从而提供使用者便利的应用环境,其中能在IoT使用的射频网络技术,就必须满足上述提供便捷的网络连接能力。

目前IoT可用的RF无线射频收?发技术相当多,有ZigBee、Bluetooth、Wi-Fi等,在众多RF无线传输技术中,以ZigBee在物联网中为主流短距离无线通讯技术,微控制器业者也推出以整合ZigBee短距离无线通讯技术模块的SoC系统单芯片产品,因应需RF收?发需求的微控制器物联网应用需求。

ZigBee无线收发结合MCU  SiP设计导入应用更便利

有别于一般使用微控制器再自行搭配ZigBee解决方案建构物联网需求的设计型态,整合ZigBee的微控制器SoC,由于在硬件线路已用系统芯片整合RF网通元件与电子电路,因此可以使用更小的体积与占位面积,实现整合RF收?发器的微控制器应用方案,同时ZigBee网通功能开发工具也随SoC提供,可以减省服务开发者相关应用整合的研发资源。

此外,ZigBee无线网通技术虽具备低功耗优势,但实际上ZigBee的通讯协议(Protocol)相对更为复杂,这对没有RF射频技术资源的开发业者来说,可能会造成系统整合的开发瓶颈,而透过SoC制程将微控制器与ZigBee网通功能整合,不仅可节省微控制器与ZigBee的硬件整合开发成本,两者衔接的软件系统整合也可使用解决方案提供的开发资源进行整改,大幅加速产品开发时程,加上硬件整合的SoC方案在产品出货即完成功能验证,在产品整合即可预先排除硬件线路可能的故障或是错误问题,开发者可更专注于功能与应用内容开发。

汽车电子MCU也有结合RF需求

除了物联网应用外,无线网通技术结合微控制器的整合方案用途也相当多元,例如,针对汽车电子应用开发设计的微控制器,就有越来越多结合RF无线收?发器的整合型产品推出,尤其针对汽车电子应用的线上无钥匙进入(Remote Keyless Entry;RKE)、Passive Entry Go(PEG)、遥控启动(Remote Start;RS)、胎压传感系统(Tire Pressure Monitoring Systems;TPMS)等车用功能开发,绝大部分都需要搭配RF射频收发应用进行整合,而选用RF收?发器整合微控制器的解决方案,还可以简化功能开发的复杂度。

尤其是这类汽车电子的无线应用开发,在信号发射端基本上必须是使用电池的低功耗发射端,例如无线启动的需藉由具发射器的钥匙发射启动信号,而TPMS胎压侦测系统,也必须由内置于4个轮圈的胎压传感器透过RF发送4轮胎压数据至汽车电脑中进行显示与处理,相同的条件均是发射端仅能利用电池电力进行RF信号发射,传输距离约在1?3m左右即可满足使用需求,因此选用的RF方案也须满足低功耗的传输要求。

针对车用无线收发与微控制器整合方案,微控制器的需求并不高,基本上8位元搭配有限的RAM与ROM就能完成基本的应用配置,由于结合针对低功耗、短距离RF传输优化的收?发器整合方案,可以在即低成本条件下建构相对实用的无线收发搭配微控制器的应用方案,同时针对汽车RF独特的汽车安全应用需求,相关解决方案也提供完整个开发工具、参考设计、软硬件开发资源,同时解决方案亦可透过韧体扩充额外所需的软件功能支持,选用对应的汽车RF收发、微控制器可以减少产品开发时程与工作量,加速设计完成时间。

Wi-Fi、Bluetooth需求不同 MCU整合方向差异大

除了车用电子使用的RF收发频段与物联网应用需求不同外,在主流RF无线数据传输应用仍有Wi-Fi、Bluetooth等无线传输方案,Wi-Fi应用目标为取代实线网络而出现的应用技术,应用目标为提高传输速度与连接距离,对RF收?发器的使用功耗也会较ZigBee甚至是Bluetooh更高,在与微控制器SiP整合上的功耗节约效用有限,但由于Wi-Fi网通技术已深入3C与生活应用,整合产品可以轻易与PC/NB或是网际网络结合联网,适用于智能家庭的Machine to Machine(M2M)功能设计应用。

至于Bluetooth或是低功耗Bluetooth网通技术,在3C与资通讯应用中原本是用来取代有线缆线近距离传输无线化用途,因此在传输效能表现相较Wi-Fi会慢许多,但Bluetooth在智能手机、平板电脑的装载量大,因应穿戴式产品市场热潮,也有越来越多微控制器选择整合Bluetooth RF收?发器推出解决方案,以因应穿戴式智能手环、智能手表的产品开发需求。