פשטו את התכנון של התקנים חכמים מאובטחים מוזני-רשת-החשמל עם SoCs‏ רבי-פרוטוקולים בהספק-נמוך לאלחוט

התקני אינטרנט של דברים (IoT) עבור תאורה חכמה ואוטומציה בבניינים מתפתחים במהירות מצומתי בקרה פשוטים ועד מערכות מחוברות עתירות-מאפיינים, החייבות לתמוך בדרישות מחשוב גבוהות יותר, אבטחה חסונה וביצועי תדר רדיו (RF) משופרים. מתכנני התקנים אלה מתמודדים עם לחץ גובר לאזן בין דרישות מגוונות, כולל חיבוריות רבת-פרוטוקולים, מאפייני אבטחה מתקדמים ונצילות הספק, תוך מזעור עלויות מפרט החומרים (BOM) ומורכבות המערכת. מה שדרוש הם התקני מערכת-על-שבב (SoC) מתקדמים לאלחוט אשר יתנו מענה לדרישות המתפתחות של IoT‏.

מאמר זה מתאר את האתגרים העומדים בפני מתכנני התקני IoT מתפתחים. לאחר מכן המאמר מציג ומראה כיצד SoCs‏ לאלחוט של הדור-הבא של Silicon Labs יכולים לעמוד באתגרים אלה באמצעות ארכיטקטורה בהספק אולטרה-נמוךהמשלבת מעבד עם ביצועים עיליים עם מספר תת-מערכות מיוחדות.

כיצד דרישות מגוונות דוחפות את המעבר לאינטגרציה גבוהה יותר

התקנים חכמים מוזני-רשת-החשמל המשמשים ביישומים כגון תאורת LED, תקעים חכמים ומתגים צפויים יותר ויותר להעניק פונקציונליות רבה יותר במחזורי פיתוח קצרים יותר. מתכנני התקנים אלה עומדים בפני דרישות תובעניות לשילוב יכולות עיבוד גבוהות יותר, מספר תקני אלחוט ואבטחה חסונה, תוך שמירה על יעדי BOM הדוקים והתנהגות צפויה בסביבות פועלות-תמיד.

מורכבות החיבוריות האלחוטית מחריפה את הלחצים הללו. Bluetooth Low-Energy‏ (BLE‏), Zigbee‏, Thread‏ ו-Matter‏ מתקיימים יותר ויותר זה-לצד-זה, ובכך מסבכים פתרונות המבוססים על פרוטוקולים אינדיבידואליים או ארכיטקטורות רבות-שבבים. תמיכה במספר פרוטוקולים הטרוגניים באמצעות רכיבים חיצוניים עלולה להאט את הפיתוח ולהביא לחוסר יעילות. כתוצאה מכך, תכני IoT‏ פנו לכיוון של SoCs‏ מונוליטיים לאלחוט, כגון SoCs‏ לאלחוט סדרה 3‏ SiMG301/SiBG301 של Silicon Labs‏ (איור 1‏), המאחדים עיבוד יישומים, פונקציות אבטחה ופעולות רדיו בתוך התקן יחיד.

איור 1: SoCs‏ IoT‏ מתקדמים לאלחוט משלבים את כל חבילת הפונקציונליות, ומאפשרים יעילות תכן גבוהה יותר בהשוואה לפתרונות רבי-שבבים קודמים. (מקור התמונה: Silicon Labs)

SoCs‏ אלו מאפשרים למתכננים להגיב בצורה יעילה יותר לדרישות המשתנות במהירות עבור התקנים חכמים, עם ארכיטקטורה מתקדמת המעניקה ביצועים עיליים, אבטחה חסונה וחיבוריות גמישה.

ארכיטקטורה משולבת עונה על הדרישות הרבות של יישומי IoT מתפתחים

משפחת SixG301 משלבת את מלוא חבילת היכולות הנדרשת בהתקנים חכמים מוזני-רשת-החשמל. כדי לעמוד בדרישות מחשוב מורכבות יותר ויותר, SoCs‏ דגם SixG301 בנויים על ליבת מעבד Cortex-M33‏ Arm‏ בתדר 150 מגה-הרץ (MHz) עם פקודות עיבוד אותות דיגיטליים (DSP) ויחידת נקודה צפה (FPU) (איור 2). תת-מערכת המעבד משלבת ליבה זו עם זיכרון גישה אקראית (RAM) על-השבב, זיכרון Flash‏ באותו-מארז, בקר גישה ישירה לזיכרון (DMA‏), וממשקי ניפוי-באגים. הארכיטקטורה משלימה את התמיכה הרחבה שלה בהתקנים חכמים עם בלוקי חומרה ייעודיים עבור חיבוריות, אבטחה, ניהול אנרגיה, שעונים, טיימרים ורכיבים היקפיים, כולל תכונות מיוחדות עבור תאורת LED.

איור 2: ארכיטקטורת SoC לאלחוט SixG301 מאחדת עיבוד יישומים, חיבוריות אלחוטית ואבטחה כדי להעניק ביצועים מידרגיים ומורכבות מערכת מופחתת בהתקנים חכמים מוזני-רשת-החשמל. (מקור התמונה: Silicon Labs)

עבור המתכננים, משפחת SixG301 מעניקה פתרון מידרגי העונה על מגוון רחב של דרישות. עבור תכני התקנים חכמים המיועדים עבור חיבוריות Bluetooth, סדרת SoC‏ Bluetooth‏ SiBG301‏ תומכת ביישומי BLE‏, Bluetooth Mesh‏, ויישומי 2.4 גיגה-הרץ (GHz‏) קנייניים. סדרת SoC‏ רבי-פרוטוקולים SiMG301‏ תומכת באותן אפשרויות Bluetooth תוך הוספת תמיכה בשכבות IEEE 802.15.4 פיזיות (PHY) ובקרת גישה למדיה (MAC) עבור רשתות אלחוט בעלות קצב נתונים נמוך, כולל Zigbee, Matter over Thread ו-OpenThread. בתוך כל משפחה, חלקים אינדיבידואליים מציעים אפשרויות תצורה נוספות, עם עד 512 קילו-בייט (Kbytes) של זיכרון RAM ועד 4 מגה-בייט (Mbytes) של זיכרון Flash‏ מאובטח Execute-In-Place‏ (XIP)‏ Quad‏ ממשק היקפי טורי (QSPI‏). ללא קשר לאפשרות התצורה, כל רכיבי משפחת SoC‏ SixG301 חולקים את אותן יכולות הנדרשות עבור התקני IoT של הדור-הבא.

יישומי IoT מתקדמים מסתמכים על חיבוריות חסונה, ומשפחת SixG301 מתוכננת לפעול באופן אמין גם בסביבות צפופות ומועדות-להפרעות האופייניות ליישומים אלה. משפחת התקני הרדיו Low-Power Wireless‏ (LPW‏) (איור 3) משלבת ליבת מעבד רדיו, זיכרון RAM ונתיבי אותות שידור וקליטה ייעודיים, ומספקת תת-מערכת חיבוריות שלמה.

איור 3: תת-מערכת רדיו LPW המשולבת של SixG301 SoC תומכת בחיבוריות חסונה באמצעות נתיבי שידור וקליטה ייעודיים. (מקור התמונה: Silicon Labs)

תת-מערכת LPW נועדה לספק את עוצמת השידור ורגישות המקלט הדרושות לשמירה על חיבוריות אמינה. תת-המערכת תומכת בהספק יציאה של עד 10 דציבלים (dB) בייחוס ל-1 מילי-וואט (mW‏) (dBm‏), מה שמאפשר שולי חיבוריות אמינים בהתקנות מוזנות-רשת-החשמל שבהם מיקום האנטנה ומגבלות המארז עלולים להיות מאתגרים. בצד הקליטה, הרדיו מספק את הרגישות הנדרשת עבור תכני IoT רבי-פרוטוקולים ממוקדי-Bluetooth‏. עבור אפנון Gaussian Frequency-Shift Keying‏ (GFSK‏) של 125 קילו-ביט לשנייה (kbits/s) המשמש ב-Bluetooth/BLE בכל התקני SixG301, רגישות הקליטה היא 106.8-‏ dBm‏. עבור אפנון Offset Quadrature Phase-Shift Keying‏ (O-QPSK‏) של 250 קילו-ביט לשנייה, המשמש ב-802.15.4 בהתקני SiMG301, רגישות הקליטה היא 106.3-‏ dBm‏.

חתירה בלתי פוסקת אחר אבטחה ונצילות אנרגטית

אפשרויות חיבוריות אלחוטית גמישות הן בסיסיות עבור יישומי IoT מתקדמים. עם זאת, אבטחת החיבורים של התקני IoT‏ אלו תלויה בחתירה המתמידה אחר יכולות אבטחה חסונות מבוססות-חומרה. התקני SixG301 משלבים ארכיטקטורת אבטחה מבוססת-חומרה הבנויה על Secure Vault High של Silicon Labs, הרמה הגבוהה ביותר של טכנולוגיית האבטחה הרב-שכבתית Secure Vault של החברה. הם מורשים ל-PSA Certified Level 4, הרמה הגבוהה ביותר של מסגרת-העבודה של הרשאת ארכיטקטורת אבטחת פלטפורמה. כדי לקבל הרשאה זו, על ההתקן להעניק הגנה חסונה מפני התקפות תוכנה וחומרה מתוחכמות, כולל התקפות ערוץ-צד מידרגיות והתקפות הזרקת-תקלות, שכולן כלולות ברמה הגבוהה של Secure Vault.

ארכיטקטורת אבטחה זו יוצרת Root of Trust‏ (RoT‏) בחומרה באמצעות מנוע אבטחה ייעודי עם מעבד משלו, ובכך מבודדת פונקציות קריפטוגרפיות ונתונים רגישים מליבת האפליקציה הראשית של ה-M33‏-Cortex‏. בידוד זה מבטיח שגם אם תוכנת היישום נפגעת, מפתחות קריפטוגרפיים ופעולות קריטיות לאבטחה יישארו מוגנים. Arm TrustZone אוכף הפרדה ברמת החומרה בין הרצת קוד מאובטח ללא-מאובטח, בעוד שניהול מפתחות מאובטח משתמש בטכנולוגיית PUF‏ (Physical Unclonable Function‏) כדי ליצור מפתח ייחודי בעת ההפעלה. כדי להבטיח שלא ניתן לחלץ או לשכפל מפתח זה, הוא גלוי רק למנוע ההצפנה ונשאר פעיל רק עד שההתקן מאבד את הספקת-הכוח.

אתחול מאובטח עם RoT ו-Secure Loader‏ (RTSL) מבטיח שניתן להריץ רק קושחה מאומתת, בעוד ש-Authenticated Execution-In-Place‏ (AXiP‏) מרחיב הגנה זו עבור אימות קוד בזמן הריצה. מאיץ קריפטוגרפי אוטונומי בחומרה מסיר את נטל העומס של צפנים ופרוטוקולים מהמעבד הראשי. יחד עם תכונות הגנת החדירה של SixG301, יכולות אלו עוזרות למתכננים לבנות התקנים מאובטחים עם ביצועים עיליים המאמתים עדכוני קושחה, מגנים על הרשאות ושומרים על אמון ביישומי IoT.

ניהול אנרגיה לקראת צריכת הספק מינימלית ממלא תפקיד חשוב לא פחות בתמיכה בפעולה-כל-הזמן מוזנת-רשת-החשמל. יחד עם גישה לשעון ו-Gating‏ של הספקת-הכוח לרכיבים היקפיים, התקני SixG301 מעניקים מספר אופני ריצה המאפשרים למתכננים לאזן דינמית ביצועים וצריכת הספק. באופן פעיל (EM0‏), המעבד המארח מריץ קוד עם כל ההתקנים ההיקפיים ומקורות המתנד הזמינים, בדרך כלל עם צריכה של 47 מיקרו-אמפר למגה-הרץ (µA/MHz) בתדר של MHz‏ 150‏ בחוג While‏, או µA/MHz‏ 62‏ בהרצת CoreMark‏. אופן שינה (EM1‏) שומר על כל הרכיבים ההיקפיים זמינים בזמן שהמעבד נשאר לא-פעיל אך מוכן עבור יקיצה מהירה במקרה של אירועי מערכת. באופן זה, הצריכה הטיפוסית יורדת ל-µA/MHz‏ 33‏ או פחות, בהתאם לתצורת השעון.

עבור פרקי-זמן הדורשים פעילות מינימלית, אופן כבוי (EM4‏) משבית את מרבית ההתקן, ומפחית את הצריכה ל-0.26 מיקרו-אמפר בלבד ללא מונה זמן-אמת לגיבוי (BURTC‏) או 0.75 מיקרו-אמפר כאשר ה-BURTC מופעל ממתנד בתדר נמוך.

הודות לשימוש באופנים אלו יחד עם שעון גמיש ו-Gating‏ היקפי, המתכננים יכולים להשיג את האיזון הספציפי בין ההספק לביצועים הנדרש עבור היישומים שלהם.

כיצד מאפיינים אנלוגיים משולבים מפשט את התכן של התקני תאורה חכמים

יחד עם הפונקציונליות הנדרשת יותר ויותר על פני מגוון רחב של יישומי IoT, התקני SixG301 משלבים מאפיינים אנלוגיים ושל הספקת-כוח המתאימים במפורש עבור יישומי תאורה חכמה. מתוכננים לספק פתרון עם נצילות-הספק טובה ביישומי נורות אגס LED‏ לבן מתכווננות, תת-מערכת קדם-דוחף LED‏ על-השבב (LEDDRV‏) (איור 4‏) משלבת Charge Pump‏ ושני ערוצים של דוחפי שער כדי להזין ישירות טרנזיסטורי אפקט-שדה (FETs‏), המחליפים שבבי דוחף ייעודיים עבור בקרת מחרוזות LED‏ לבן חם ולבן קר.

איור 4: תת-מערכת LEDDRV מעניקה את מערך היכולות השלם הנדרש עבור ייצוב זרם LED יעיל. (מקור התמונה: Silicon Labs)

ה-LEDDRV ההיקפי מספק אותות בקרה ופונקציות ניטור, כולל ניטור זרם והגנה מפני זרם-יתר, מה שמפשט את ייצוב זרם ה-LED. ביישום תאורת LED ערוץ-יחיד טיפוסי, לדוגמה, המתכנן פשוט מחבר את יציאת ה-LEDDRV ל-FET חיצוני הדוחף את מחרוזת ה-LED (איור 5), באמצעות נקודות-חיבור כניסה/יציאה לשימוש-כללי (GPIO) עבור חישת מתח AC, מתח מרזב (Drain‏) וזרם שיא.

איור 5: ממשקים היקפיים משולבים של LEDDRV עם מעגלי FET חיצוניים ומעגלי חישה עבור ייצוב זרם ה-LED ביישומי תאורה לבנה מתכווננת. (מקור התמונה: Silicon Labs)

עבור בקרת תוכנה, המעבד מתממשק עם בלוק LEDDRV באמצעות שני ערוצי אפנון רוחב פולס (PWM) הנוצרים על ידי בלוקי טיימר, ומאפשרים עמעום מדויק וערבוב טמפרטורת צבע. גישה זו מאפשרת למתכננים ליישם עקומות עמעום חלקות ומעברים מלבן חם לקר באמצעות קושחה. כדי להגן מפני פעולה בטמפרטורה גבוהה מדי, המתכננים יכולים גם להשתמש בבקרת תוכנה כדי להשבית את בלוק ה-LEDDRV בהתבסס על מדידות מחיישן הטמפרטורה המשולב של יחידת ניהול האנרגיה או מחיישן חיצוני.

בלוק ה-LEDDRV תומך גם בתצורות של דוחף כפול ודחיפה-ישירה, מה שמאפשר למתכננים להרחיב מעבר להגדרה הבסיסית של שני ערוצים או להסתגל לטופולוגיות שונות של דרגות הספקת-הכוח. על ידי שיבוץ פונקציות מוכוונות-תאורה אלו ישירות לתוך ה-SoC, התקני SixG301 משיגים אינטגרציה צפופה יותר, עלות BOM נמוכה יותר ותכנים קומפקטיים יותר עבור מערכות תאורה מוזנות-רשת-החשמל.

האצת הפיתוח בעזרת משאבי הערכה ואב-טיפוס

Silicon Labs‏ תומכת בפיתוח SixG301 עם משאבי חומרה ותוכנה שנועדו להאיץ הערכה ובניית אב-טיפוס.

ערכת הפיתוח SixG301 Explorer Kit‏ (SIXG301-EK2719A‏) (איור 6) מוזנת-USB‏ ומספקת למתכננים נקודת כניסה קומפקטית בעלות נמוכה. לוח זה, הבנוי סביב מודול SiMG301 עם 4 מגה-בייט של זיכרון Flash‏ ו-512 קילו-בייט של זיכרון RAM, מספק שקעים ומחברים עבור חיישנים ורכיבים היקפיים נוספים. מנפה-באגים J-Link עם נקודת-חיבור COM וירטואלית וממשק Packet Trace‏ על-הלוח מאפשרים למתכננים לבצע פיתוח קושחה והערכת רדיו ללא ציוד נוסף.

איור 6: ה-SIXG301-EK2719A מספק פלטפורמת פיתוח קומפקטית מוזנת-USB‏ עם מחברים ומנפה-באגים J-Link על-הלוח עבור בניית אב-טיפוס מהירה. (מקור התמונה: Silicon Labs)

עבור פיתוח מתקדם יותר ואפיון ביצועים מפורט, ערכת SixG301 Flash Pro Kit‏ (SIXG301-PK6037A) (איור 7) משלבת את BRD4002A Wireless Pro Kit Mainboard‏ SI-MB4002A‏ עם לוח רדיו נתקע SIXG301-RB4407A‏ עם זיכרון Flash‏ של 4‏ מגה-בייט, או לוח רדיו נתקע SIXG301-RB4408A‏ עם זיכרון Flash‏ של 8‏ מגה-בייט. לוח האם מספק ניפוי-באגים משולב, ניטור אנרגיה מתקדם, ופילוג (Breakout‏) היקפי מקיף עבור בדיקות אינטגרציה ברמת-המערכת, בעוד ששני לוחות הרדיו הנתקעים כוללים SiMG301 עם 512 קילו-בייט של זיכרון RAM, רשת תואמת ואנטנת לוח מעגלים מודפסים (לוח PCB‏).

איור 7: ערכת SixG301 Flash Pro משלבת לוח אם עתיר-מאפיינים עם לוח רדיו נתקע ונקודות-חיבור עבור ניפוי-באגים ואפיון ביצועים. (מקור התמונה: Silicon Labs)

ערכת SixG301 Explorer Kit וערכת SixG301 Flash Pro Kit פועלות שתיהן עם סביבת הפיתוח Simplicity Studio‏ של Silicon Labs, המספקות אשפי הגדרת-תצורה, פרויקטים לדוגמה וגישה לערכת פיתוח התוכנה (SDK‏) Simplicity‏. ביחד, משאבים אלה עוזרים למתכננים לעבור ביעילות משלב ההערכה הראשונית, דרך אב-הטיפוס ועד לתכנים מוכנים-לייצור.

סיכום

מתכנני התקנים חכמים מוזני-רשת-החשמל עבור תאורת LED, תקעים חכמים ומתגים מתמודדים עם לחץ הולך וגובר להעניק ביצועים עיליים, אמינות, חיבוריות רבת-פרוטוקולים, אבטחה חסונה ונצילות אנרגיה בעלות מינימלית. ה-SoCs‏ לאלחוט של הדור-הבא SiMG301‏ ו-SiBG301‏ בסדרה 3 של Silicon Labs‏, ביחד עם כלי הפיתוח הנלווים שלהם, תומכים בדרישות אלו ומספקים בסיס מידרגי עבור פיתוח מהיר.