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通过将标准计算组件集成到单个单元中来简化产品开发。
专为长期使用而设计,为嵌入式和 IPC 系统提供可靠性,适用于各种应用。
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为什么选择无线SOC进行物联网硬件开发?系统芯片怎么选?

发表时间:2023-05-17 10:42

  SoC提供了传统模式所缺乏的灵活性、定制性和划分性。此外,虽然SiP、MCM和分立芯片实施可以很好地管理复杂的操作需求,但SoC的构建是为了在节省资金和能源的同时做到这一点,特别是当物联网设备像物联网网关被大规模部署。

  了解基于SoC的物联网硬件的优势,解决工程师在为物联网设计选择无线SoC时应该考虑的一些最重要的因素,以及一些最大的挑战和权衡。


  什么是SoC?

  SoC是“系统级芯片”的缩写,是一种集成电路,为了节省空间和提高效率,它将电子设备的大部分硬件和软件组件集成在单个半导体衬底上。例如,SoC可以包括:

  ·微控制器单元(MCU):产品的主要控制模块

  ·射频模块:负责无线通信的组件

  ·非易失性存储器:存储程序代码和其他非易失性系统信息的内部单元

  ·易失存储器:用于存储临时代码和数据的另一个存储单元

  ·数字信号处理器(DSP):帮助接收和理解来自连接设备的信号并帮助MCU执行复杂编程的仪器

  ·外围端口:连接以太网电缆、USB驱动器和其他外部设备的物理点。可以物理地连接到设备并与之通信

  ·动力管理:管理和优化SoC不同工作模式功耗的专用电路

  SOC非常灵活,可以定制以满足应用程序自己的需求,因为它们不受特定开发标准的约束。

  为什么选择基于SoC的硬件进行物联网开发

  物联网开发人员如今寻求价格合理的高性能和功能。为了实现这一点,SoC方法与其他集成度较低的选项相比具有一些显著优势。例如,多芯片实现的结构要求需要大量的供应商采购,这使得制造成本高于SOC。为了确保所有的组件都正确地安排在一起工作,多芯片选项在研发阶段也需要更多的时间,这进一步延长了产品到达市场的时间。另一方面,基于SoC的器件从概念到完成的制造要简单得多,因为它们只需一个内核即可运行,从而显著缩短产品上市时间,并延长电池寿命,否则电池寿命会因多个IC之间的额外通信而耗尽。

  物联网网关设计如何选择SoC

  对于您的物联网网关或其他设备设计,选择无线片上系统(SoC)非常困难。功耗、尺寸和成本只是需要仔细考虑的几个变量。对于物联网应用和网络,SoC还需要支持适当的无线协议,这就需要考虑范围、延迟和吞吐量等因素。

  仔细考虑您选择的无线SOC是确保您的物联网网关或设备开发针对应用进行优化的一种方法。由于应用不同,性能也会有所折衷,因此还需要仔细评估关键设计要求,例如电池寿命、计算和内存资源以及尺寸。

  为产品选择无线SOC时,设计师需要考虑很多因素。

  就架构或设备而言,没有正确的选择,因为这完全取决于产品设计师愿意做出的工程权衡,以满足其目标市场的需求。

  根据行业共识,拥有全面支持工具和服务的强大开发生态系统至关重要。借助这些产品和原型制作工具和服务,设计师可以缩短上市时间,降低成本。

  因此,让我们来解决工程师在为物联网设计选择无线SOC时应该考虑的一些首要设计问题,以及一些最大的挑战和权衡。

  应用程序Dictate SoC选择

  大多数无线SoC生产商一致认为,无线SoC的选择受到应用需求的影响,这也有助于减少物联网设备的可能设计数量。许多其他因素也很重要,包括无线协议、性能、价格、尺寸、工具支持和易于集成,但功耗是最重要的因素之一。

  无线协议的选择取决于应用,尽管功耗是选择无线SOC的最重要因素之一。

  例如,如果是电池供电的设备,如具有单一蓝牙连接的可穿戴设备,他们可能会选择带ATM33E低能耗芯片的SoC,因为功耗、尺寸和重量非常重要,开发人员必须根据他们的上市战略做出决定。

  应用程序依赖性可以扩展到包括聚合点或物联网网关,是各种异构无线网络汇聚的地方。与蓝牙、Wi-Fi、Zigbee/Thread等的集成度更高。会对此有益。

  根据不同的应用,在为物联网设备选择无线SoC时,有许多重要的考虑因素。

  要考虑的前五个因素是无线协议、安全性、电池寿命、硬件和软件支持,包括外设、GPIOs、IDE支持、云支持和网络/无线堆栈集成,以及操作系统、网络堆栈和无线堆栈集成到无线SoC后应用可访问的计算和内存资源。

  接下来,我们将讨论一些其他因素,这些因素有助于您为物联网项目开发选择基于SoC的硬件。

  建立工作关系网

  物联网设备必须支持多种协议,因此无线SOC提供了一种集成解决方案,通过集成这些协议并在内部处理同一ISM频段上多种协议之间的共存问题来简化设计。无线SOC还消除了管理和担心多器件RF设计的需要。

  应用程序吞吐量、延迟、网络节点数量和无线协议范围都是要求。

  通过向物联网设备添加无线设备,复杂性大大增加。物联网设备使用各种无线协议,包括Wi-Fi、BT、BLE、Zigbee、Thread、Z-Wave和蜂窝。特定设备的无线通信协议的选择取决于应用、尺寸、成本、功率和其他几个因素

  例如,BLE是用于家庭温度传感器的良好协议,因为它功耗低,成本比其他一些协议低,并且在典型的家庭环境中提供必要的范围。

  NFC最适合类似非接触式支付的应用,因为它的范围最小,吞吐量最低。对于包括安全摄像头在内的许多应用,Wi-Fi可提供所需的更高应用吞吐量。

  多种通信技术可供选择, 东胜为您提供多种连接硬件解决方案,配备多种无线协议,可以灵活切换,以满足开发人员的不同需求,您可以根据自己的需求进行选择。


蓝牙连接

Zigbee连接

蓝牙连接

Lora连接

Sub-GHZ连接

WiFi连接

  • 路由器网关
  • Wi-Fi模块


  软件架构和操作系统

  选择无线SoC时需要考虑的另一个重要因素是软件架构。这些SoC的软件工具和环境与硬件一样重要,无论产品架构是集成无线SoC还是分立式。即使不考虑从众多可用选项中选择使用哪种RTOS的复杂性,设备是基于Linux、基于Android还是基于RTOS也会对最终结果产生重大影响。操作系统的选择将促使设计人员要么使用更大、更可扩展的基于Linux的处理器,要么使用更便宜的基于RTOS的微控制器。

  基于 东胜 SoC的物联网硬件平台性能由低到高,不同架构系列的芯片MIPS,ARM,X86,ARM+GPU (AI计算能力)。工作环境级别满足消费者级别、工业级别和车辆级别的需求。


  支持多种开源系统SDK,OpenWRT,Linux,Debian,Buildroot,Android和多种语言开发环境,C,C++,Java。

  功率消耗

  无论使用分立解决方案还是集成解决方案,功耗仍然是一个至关重要的考虑因素,它受到系统架构和使用案例的影响。因此,包含独立无线电和处理器芯片的多芯片解决方案有时可能更容易优化。对于某些应用和使用案例,无线处理器可能在其他情况下提供所需的所有灵活性。

  例如,当将集成无线SoC用于传感器或执行器等简单终端应用时,设计人员会注意到功耗最低,这些终端应用具有较低的通信占空比,并且不执行任何辅助网络功能,如路由。

  然而,对于更复杂的设备,例如恒温器,分立解决方案的功耗可能会更低,因为数据包路由是终端设备和目标生态系统整体用户体验的重要组成部分。

  由于我们有限的能源,这有时会是一个严重的问题。众多因素影响权力。速度较快的处理器往往比速度较慢的处理器消耗更多的能量。我们可以使用睡眠模式来尽可能少地使用电力。实际上,睡眠模式可能会让您在切换回低功耗睡眠之前,使用更快的处理器来快速完成任务。

  处理器速度

  这一点至关重要,因为我们考虑的因素之一是处理器速度。处理器的时钟速度,也称为处理器速度,表示它可以多快地执行当前正在运行的程序的机器码中包含的每条指令。当处理器很快时,它实际上可以更快地执行指令。

  如果代码需要大量复杂的数学计算,一个有硬件浮点支持的处理器可能比一个性能稍高的处理器快。这是因为有些处理器可能没有浮点计算的硬件支持。

  与工作在数百MHz或GHz的COC相反,微控制器通常以几十MHz的速度工作。

  因此,您可以根据自己的需求选择平台。如果您的项目不需要重量级处理,那么某种SOC将具有足够的速度。

  随机存取存储器(random access memory的缩写)?随机访问内存(random-access memory的缩写)

  另一个重要因素是RAM。对于系统来说,RAM充当工作存储器。因为这取决于您的需求,所以提供精确的内存建议是一项挑战。每个项目都会有所不同。

  如果你有更多的内存,你可以选择更广泛的编码算法。如果我们在设备上处理大型数据集,这将决定您需要多少空间。在编写嵌入式代码时,我们会遇到内存限制。请记住,RAM是最重要的组件。

  微控制器上的RAM以千字节计量,即小于一千字节。SOC上的RAM从兆字节到千兆字节不等。如果Linux将是操作系统,建议使用SOC。

  传感器和其他电路接口

  为了与传感器、执行器和其他组件通信,设备需要一些接口。您可以使用外围总线连接到电路,最常用的是SPI和I2C。为了读取或写入不同的电压,我们可以使用ADC和DAC模块。开启或关闭的数字输入或输出由器件的通用GPIO引脚提供。

  每个SoC以不同的数量提供这些接口的不同组合。

  支持和可用性

  除了性能考虑之外,许多物联网设计师还优先考虑供应链连续性、开发和设计支持等问题。

  产品及其开发生态系统减少上市时间和成本的有效性,产品和原型工具的可访问性,以及产品的长期可访问性都是主要问题。

  设计师还需要问几个问题,例如,是否保证只要他们的产品在市场上,SoC就可以使用,SoC的路线图是什么,它是否符合他们的产品开发计划,以及是否有足够的支持可用性,包括文档、生态系统和联系人,以确保成功

  权衡公式包括对寿命的需求。

  一旦产品发货,硬件本身是不变的;但是,最终客户希望产品在购买后的一段时间内继续得到支持和更新

  一个越来越重要的标准是选择一种设备和产品架构,使产品设计师能够在产品的整个过程中提供更新。

  物理尺寸和外形:

  如今,尺寸取决于它必须与PCB的相邻元件连接多少。制造工艺的能力和容差将限制每个连接的尺寸。一些表面贴装设计可以手工焊接,并且足够大,适合家庭蚀刻PCB。其他人需要专业制作的PCB和精确的拾取和放置设备才能正确定位。

  由于尺寸和制造复杂性之间的权衡,许多芯片设计采用各种不同的封装或形状因素。通过这样做,电路设计者能够选择最适合其特定应用的形状。

  由于集成无线SOC的物理和潜在成本优势,最终产品设计师可以生产更小的产品或更具创意的产品。

  结论

  根据使用案例及其支持的无线协议数量,无线SoC集成可能会很困难。

  硬件集成(天线放置、射频设计等。)是许多困难中的一个,软件开发(无线堆栈、网络堆栈、云连接、应用程序开发)、RF测试(包括极端条件)、互操作性测试(与它应该连接的其他设备)、无线共存(多种协议需要共存)、生产测试(最小化测试时间和产量)、监管认证(针对要支持的国家)、协议合规性(针对设备中集成的协议)、功率优化(基于电池要求)、系统安全性(确保设备和数据安全)以及解决方案成本(基于目标)。

  设计师需要在每一步做出权衡,以优化各种参数,所有这些权衡最终都是由应用用例驱动的

  最大的挑战之一是找出并选择最适合应用和市场需求的适当技术。另一个挑战是选择合适的硬件(天线、路由、BOM选择)和匹配的软件,这可能因技术而异,同时还要理解所选的无线电协议。


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  东胜基于各种SoC技术设计了各种物联网硬件,包括系统级模块、物联网网关和主板。如今, 东胜IoT面向物联网硬件的多协议物联网片上系统已经扩展到包括Rockchip片上系统、MTK片上系统、恩智浦片上系统、ESP32片上系统等,以实现经济、最新、低能耗的无线连接。

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