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无线互连新玩法?多协议RF蓝牙芯片来袭

2018-10-18
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物联网界各种无线互连技术相互之间的竞争由来已久,大家你来我往、互有攻守,在市场割据的过程中好不热闹。


不过时至今日,人们也越来越看清楚,在碎片化的物联网市场,“一家通吃”是一个不可完成的任务,这时锁定一些应用场景,寻找彼此共存的机会应该是更好的选择。这样的“合作”已经开始,而且这两年在蓝牙无线MCU芯片中尤为明显:越来越多的厂商开始推出支持多协议RF——如BLE + 805.14.5——的单芯片产品。



这样的多协议、单芯片产品的优势很好理解:由于不同的RF协议可以共用芯片中处理器、存储器等硬件资源,肯定比多芯片方案更具成本优势,这是其一;而且,由此可以给开发者带来更大的想象空间,为用户带来无缝的连接体验——比如在智能门锁中使用支持BLE和Thread的双协议芯片,既可以支持带有BLE的手机直接开锁,也可以作为智能家庭Thread网络节点,通过云端进行控制和管理,大大提高用户使用的便利性。



图1,在智能门锁中使用BLE+Thread多协议芯片(图片来源:NXP)


当然这种多协议RF蓝牙芯片在设计和应用上也会带来新的挑战。比如说,如何配置芯片的硬件资源,去同时支持不同协议的运行;再比如,如何在芯片复杂性增加的前提下,依然保持低功耗的特性——毕竟低功耗是物联网产品的硬指标——这些都是在多协议RF芯片硬件设计时需要考虑的问题。而从软件的角度考虑,是否能为开发者提供一个支持多协议应用的可靠、易用的开发工具,包括各种无线通信协议栈,都可能会影响到用户最终的技术决策。


今天我们就选取几家芯片公司“旗舰”产品,和大家一起来探究一下当今多协议RF蓝牙芯片的技术趋势。


nRF52840


nRF52840是Nordic Semiconductor公司推出的多协议蓝牙芯片,它支持Bluetooth 5以及基于802.15.4的诸多无线协议,如Thread、ANT和私有2.4GHz协议。今年4月,Nordic还宣布推出了基于nRF52840的ZigBee解决方案,将该产品应用进一步延伸到智能家居、企业和工业的Mesh网络产品中。



nRF52840内置一个带有FPU浮点单元的ARM Cortex-M4F内核,配置了1MB flash和256kB RAM,存储器资源比以前的产品有了大幅提升,完全可以支持无线协议运行以及功能性比较复杂的应用代码。在RF功能和外设上,由于采用了EasyDMA直接内存访问支持数据打包等操作,可以自动减少CPU的工作负荷,实现有效的功耗控制。


Nordic的nRF5 SDK为nRF52840多协议的应用开发提供了全面的支持,包括驱动、库和nRF52840用例等资源。nRF52840 发布的同时,Nordic还发布了S140 SoftDevice,这是Nordic RF软件协议栈的最新产品,符合蓝牙5规范,全面支持蓝牙5的远距离和高数据处理能力,可以说从软件到硬件Nordic为开发者提供了非常完整的资源支持。


图片来源:EEWORLD

K32W0x


今年2月,恩智浦半导体(NXP)也发布了其最新一代的无线MCU产品K32W0x。K32W0x 支持最多8个Bluetooth 5无线连接,以及基于802.15.4的Thread  Mesh和ZigBee 3.0 Mesh网络,可在单芯片上同时分时运行多个协议,从而降低系统的复杂性、外形尺寸和成本。


之所以说K32W0x是NXP的新一代无线MCU产品,一个重要的原因是其采用了全新的双核架构:芯片内部包括一颗用于运行自定义应用程序代码的 Arm Cortex-M4F内核,和一颗用于运行无线通信协议以及功率敏感型任务的Cortex-M0+内核。芯片的内存资源包括1.25MB的Flash和384kB SRAM,确保协议栈和应用程序运行有足够的空间。K32W0x还具有无线电唤醒功能,支持在RF功能模块中处理数据包,无需MCU参与,让MCU能够保持更长时间的休眠以降低能耗。


图2,恩智浦半导体的K32W0x无线MCU系统框图(图片来源:NXP)


恩智浦的上一代多协议RF蓝牙芯片KW41Z采用的是单核架构,集成了一个ARM Cortex-M0+处理器,以及512KB Flash和128KB SRAM,相比之下K32W0x硬件配置要“豪华”许多。未来想必恩智浦会用两颗芯片去应对不同的市场之需:KW41Z主攻低功耗、低成本市场,而K32W0x会去覆盖功能性要求更复杂的应用。


CC2650


德州仪器(TI)的无线MCU产品一直是基于其特有的SimpleLink双核结构,CC2650多协议RF芯片也不例外。CC2650是一款面向BLE、ZigBee和6LoWPAN,以及ZigBee RF4CE等应用的无线 MCU。该芯片中一颗ARM Cortex-M3处理器内核作为主控,BLE控制器和802.15.4 MAC嵌入在ROM中,并在另一颗ARM Cortex-M0 处理器内核上单独运行。


TI认为这样的架构可改善整体系统性能和功耗,有助于为应用释放更多的闪存空间。加上芯片中集成的丰富的外设功能,使得该芯片可以适用于工业、消费电子和医疗产品等各类应用。

图3,TI CC2650多协议RF芯片系统框图(图片来源:TI)


在TI的官网上,我们还可以查到另外一颗预发布的多协议RF芯片CC2652R,它同样支持蓝牙和基于802.15.4的诸多无线协议,不过对蓝牙版本的支持升级到了Bluetooth 5。从芯片硬件资源上看,其主控处理器内核采用的是ARM Cortex-M4F,内存容量和CC2650相比也有明显的提升。显然这可以看做是CC2650的升级版,也是很值得期待的一款多协议RF蓝牙芯片。


图4,TI CC2652R多协议RF芯片系统框图(图片来源:TI)


STM32WB55


提到无线MCU,意法半导体(ST)肯定不能缺席。在多协议RF的趋势下,ST也推出了STM32WB多协议芯片。


STM32WB也采用了双核架构,包括一颗用作应用处理的工作频率为64MHz的Arm Cortex-M4内核,以及一颗做网络处理器的32 MHz的Cortex-M0+内核,这样的架构有助于产品在实时性、资源使用灵活性、电源管理和BOM成本优化方面获得优势。



STM32WB平台是在ST的超低功耗STM32L4系列MCU的基础上发展而来。它继承了STM32L4系列丰富的数字与模拟外设以及低功耗的特性,又加入了安全功能,使其能够应对很多物联网应用场景所需。


作为STM32WB平台的首款产品,STM32WB55支持Bluetooth 5及Mesh 1.0协议,内嵌通用MAC允许使用IEEE 802.15.4专有协议栈(如ZigBee)或其它专有协议,更进一步扩展了自己的应用版图。



很显然,支持多协议RF已经成为蓝牙无线MCU的一个趋势。由于目前各个芯片公司的产品开发都是基于一个平台化的硬件架构进行——比如Nordic的nRF5、NXP的Kinetis W、TI的SimpleLink、ST的STM32WB55——所以未来随着市场的发展,各家厂商还会不断推出新版本的产品,应对细分市场的需求。


在无线MCU芯片走向多协议化的背后,其实还有一个更深层次的动因,那就是物联网无线通信的IP化——WiFi本身具备IP能力,BLE 4.2版本增加了对IP网络的支持,而基于802.15.4的Thread也是基于IP的网络协议——这样的“共性”将如何推动物联网无线互连技术的走向,值得我们去关注和思考。


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