Akıllı aydınlatma ve bina otomasyonu için kullanılan Nesnelerin İnterneti (IoT) cihazları, rollerinin basit kontrol düğümlerinden zengin özellikli birbirine bağlı sistemlere değişmesiyle hızlı bir evrim geçiriyor. Bu sistemlerin daha yüksek bilgi işlem gereksinimlerini, sağlam güvenlik performansını ve daha yüksek radyo frekansı (RF) performansını desteklemesi gerekir. Bu trendle karşı karşıya kalan tasarımcılar, çoklu protokol bağlantısı, gelişmiş güvenlik özellikleri ve güç verimliliği gibi çeşitli gereksinimleri dengelemek ve aynı zamanda malzeme listesi (BOM) maliyetlerini ve sistem karmaşıklığını azaltmaya çalışmak için artan bir baskı altındadır. Ortaya çıkan bu IoT uygulamalarının taleplerini karşılamanın anahtarı, gelişmiş kablosuz Çip Üzerinde Sistem (SoC) cihazlarının benimsenmesinde yatmaktadır.
Bu makale, yeni ortaya çıkan IoT cihaz ve sistem tasarımcılarının karşılaştığı zorlukları detaylandırmayı ve ardından Silicon Labs'ın yeni nesil kablosuz IoT SoC'sinin, ultra düşük güç mimarisi aracılığıyla bu zorluklara nasıl çözüm getirdiğini tanıtmayı amaçlıyor. Bu mimari, yüksek performanslı işlemcileri birden fazla özel alt sistemle birleştirerek uygun bir çözüm sunar.
Çeşitlenen talepler cihazların evrimini daha yüksek entegrasyona doğru nasıl yönlendiriyor?
LED aydınlatma, akıllı prizler ve anahtarlar gibi uygulamalarda kullanılan hattan güç alan akıllı cihazların, daha kısa geliştirme döngülerinde daha zengin işlevsellik sağlaması giderek daha fazla bekleniyor. Bu cihazların tasarımcıları bir dizi katı gereksinimle karşı karşıyadır: BOM maliyetlerini sıkı bir şekilde kontrol ederken ve sürekli bir çalışma ortamında cihazların öngörülebilir davranışını sağlarken daha yüksek işleme yeteneklerini, çoklu kablosuz standartlarını ve güçlü güvenlik performansını entegre etmeleri gerekir.
Kablosuz bağlantıların karmaşıklığı bu baskıları artırıyor. Düşük enerjili Bluetooth (BLE), Zigbee, Thread ve Matter protokolleri giderek daha fazla bir arada mevcut olup, tek bir protokole veya çoklu yonga mimarisi kompleksine dayalı çözümler üretmektedir. Birden fazla heterojen protokolün harici bileşenler aracılığıyla desteklenmesi, geliştirme sürecini yavaşlatabilir ve verimliliğin düşmesine neden olabilir. Bu nedenle IoT tasarımı, Silicon Labs'ın SiMG301/SibG301 3 serisi kablosuz SoC'si gibi tek çipli kablosuz SoC'leri kullanmaya doğru kaydı (Şekil 1). Bu çip türü uygulama işlemeyi, güvenlik işlevlerini ve kablosuz işlemleri tek bir cihazda birleştirir.
Gelişmiş kablosuz IoT SoC, tüm işlevsel yığın şematik diyagramını entegre eder
Şekil 1: Gelişmiş kablosuz IoT SoC, tüm işlevsel yığını entegre ederek eski çoklu çip çözümlerine kıyasla daha yüksek tasarım verimliliği sağlıyor. (Resim kaynağı: Silicon Labs)
Bu SoC'ler, gelişmiş mimarileriyle yüksek performans, sağlam güvenlik ve esnek bağlantı yetenekleri sunarak tasarımcıların akıllı cihazların hızla değişen taleplerine daha etkili bir şekilde yanıt vermesini sağlar.
Entegre mimari, ortaya çıkan IoT uygulamalarının çeşitli ihtiyaçlarını karşılayabilir
SixG301 serisi, hatla çalışan akıllı cihazlar için gereken tüm fonksiyonları entegre eder. Giderek daha karmaşık hale gelen bilgi işlem gereksinimlerini karşılamak için SixG301 SoC, dijital sinyal işleme (DSP) talimatlarına ve kayan nokta aritmetik birimlerine (FPU'lar) sahip 150 MHz Arm Cortex-M33 işlemci çekirdeğini temel alır (Şekil 2). İşlemci alt sistemi, çekirdeği çip üzerinde rastgele erişim belleği (RAM), ortak paketlenmiş flash bellek, doğrudan bellek erişimi (DMA) denetleyicisi ve hata ayıklama arayüzü ile birleştirir. Bu mimari aynı zamanda bağlantı, güvenlik, enerji yönetimi, saatler, zamanlayıcılar ve çevre birimleri (LED aydınlatma için özel işlevler dahil) için özel donanım modülleri aracılığıyla akıllı cihazlar için kapsamlı destek sağlar.
Silicon Labs'tan EFR32BG22 SoC mimarisinin şematik diyagramı (büyütmek için tıklayın)
Şekil 2: SixG301 kablosuz SoC mimarisi, uygulama işlemeyi, kablosuz bağlantıyı ve güvenliği entegre ederek, hatla çalışan akıllı cihazlar için ölçeklenebilir performans sağlar ve sistem karmaşıklığını azaltır. (Resim kaynağı: Silicon Labs)
Tasarımcılar için SixG301 serisi, çok çeşitli gereksinimleri karşılayabilecek ölçeklenebilir bir çözüm sunuyor. Hedef olarak Bluetooth bağlantısıyla akıllı cihaz tasarımına ulaşmak için SiBG301 Bluetooth SoC serisi, BLE, Bluetooth ağ ağlarını ve tescilli 2,4 gigahertz (GHz) uygulamalarını destekler. SiMG301 çoklu protokol SoC serisi yalnızca aynı Bluetooth seçeneklerini desteklemekle kalmaz, aynı zamanda Zigbee, Matter over Thread ve OpenThread gibi düşük veri hızlı kablosuz ağlar için uygun olan IEEE 802.15.4 fiziksel katman (PHY) ve medya erişim kontrol katmanı (MAC) desteğini de ekler. Her seride farklı modeller, 512 KB'ye kadar RAM ve 4 MB güvenli çip üzerinde yürütme (XIP) dört kanallı seri çevre birimi arayüzü (QSPI) flash belleği sağlayan ek yapılandırma seçenekleri de sunar. Seçilen konfigürasyondan bağımsız olarak SixG301 SoC serisinin tüm üyeleri, yeni nesil IoT cihazları için gerekli olan aynı temel yeteneklere sahiptir.
Gelişmiş IoT uygulamaları güçlü bağlantıya dayanır ve SixG301 serisi, bu uygulamalara özgü yüksek yoğunluklu, parazite açık ortamlarda bile güvenilir şekilde çalışacak şekilde tasarlanmıştır. Bu düşük güçlü kablosuz (LPW) radyo serisi (Şekil 3), bir radyo işlemci çekirdeğini, RAM'i ve özel gönderme ve alma sinyal yollarını entegre ederek eksiksiz bir bağlantı alt sistemi sağlar.