整合無線通訊的MCU相關產品與市場應用
- DIGITIMES企劃
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微控制器(MCU)已廣泛應用在各種電子產品，而MCU搭配RF(射頻元件)來設計出可透過無線通訊方式的應用產品，在市場上也很普遍。隨著穿戴式裝置與物聯網的興起，無線通訊元件的需求激增，在低功耗、超小體積的市場需求的驅使之下，使得整合RF功能的MCU也紛紛被開發出來，以一顆抵兩顆的訴求，進軍多功能的微控制器市場…
智慧行動裝置的流行，推動了多屏一雲的市場應用方向。如今智慧裝置的應用亦深入到一般的家庭、工業、商業、公共等領域，以發展更多元的智慧產品，使得M2M(機器對機器)的互連需求激增，掀起物聯網(IoT)的風潮。
由於物聯網的應用極為廣泛，例如車用電子、醫療電子、穿戴式電子、家電、感測網路(WSN)等領域。其中，穿戴式(Wearable)產品因為是On Body(佩戴在人體上)的特性，必須注重低發熱、低功耗、產品體積小、低電磁波等需求，使得MCU產品在設計上，不僅要注重上述需求，而在RF元件搭配上，也最好使用同一家的產品，以達到功耗最佳化設計的目的。
為提升系統整體表現，除了兩顆(MCU和RF) IC的產品設計之外，廠商也積極開發出單顆MCU+RF的Wireless MCU產品或模組，這類整合通訊功能的MCU產品，以體積更小、功耗更低、效能更高，能減少BOM Cost(物料成本)等訴求，來吸引系統廠商的導入使用。
刻「話」入微的RF MCU產品介紹
這些Wireless MCU，有搭配初階(8位元)或中、高階(16/32位元)的MCU產品，並搭配Sub 1GHz頻段(主打單純單次無線遙控？感應？簡易監測)或2.4GHz頻段(主打遙控控制？感測？監控？WSN？資料傳輸)的設計。應用在家庭自動化、各式遙控器、燈控、工控、玩具、消費電子產品、胎壓監測系統(TPMS)、低功耗WSN等領域。
Atmel(愛特梅爾)推出的ATA874x AVR微控制器家族，就是整合自家ATtiny24/44/84低功耗8位元MCU，以及自家RF元件的產品，MCU具備1MIPs (每秒百萬指令)的效能，搭配128/256/512 Bytes的EEPROM，與128/256/512 Bytes的SRAM。在RF方面則採用Sub 1GHz (315/433/868？915MHz)頻段，搭配ASK(幅移鍵控)？FSK(頻移鍵控)的調變技術。適合簡單的無線遙控應用。
另外，Atmel也提供ATmegaxxxRFx的Wireless AVR微控制器系列，以ATmega256RFR2、ATmega128RFR2、ATmega64RFR2產品為例，便採用先進RISC架構的8位元MCU 16MHz，具備256K/128K/64K的Flash，8K/4K/2K的EEPROM，32K/16K/8K的RAM。
其RF架構採IEEE 802.15.4的規範，可支援ZigBee、RF4CE、SP100、WirelessHART以及6LoWPAN等網路協定。在產品應用部分，如Pinoccio的WSN Start Kit套件，就包括兩個開發模組，採用Atmel RF MCU，並搭配鋰電池組、與各式感測器，與WiFi Backpack，售價197美元。
Microchip nanoWatt LXP系列的無線晶片，包含：PIC12F529T48A/T39A和PIC12LF1840T48A/T39A等產品。其MCU端採8bit架構，支援7K的Flash、256Bytes的RAM與256Bytes的EEPROM，其整合RF發射器端採310？928MHz (Sub 1GHz)的頻段，支援FSK運作達100Kbps與OOK(開？關鍵控)運作達10Kbps的傳送速度。
ST(意法半導體)的STM32W Wireless MCU家族，以STM32W108產品為例，便是採用ARM Cortex-M3 24MHz處理器，內建64~256KB Flash與8/16K SRAM。RF部分採用2.4GHz頻段，支援IEEE 802.15.4、ZigBee與6LoWPAN協定，並具備AES-128硬體加密功能，以保障資料傳輸安全。
Freescale(飛思卡爾)Kinetis W系列，如Kinetis KW2x無線MCU，採用ARM Cortex-M4的CPU核心，具備512KB的快閃記憶體、64KB的RAM與高達64KB的自家專利FlexMemory，並整合了2.4GHz RF收發器，提供安全且低功耗的IEEE 802.15.4無線通訊解決方案，能夠支援雙Zigbee PAN(個人區網)，以抑制空氣中過多的無線訊號。
另外低階的KW01則是採Cortex M0+ 48MHz微處理器核心，具備128KB Flash、16KB RAM，搭配Sub 1GHz的RF收發器，可支援GFSK/MSK/GMSK/OOK調變技術，達到600Kbps傳輸速度。加上擁有自家完整的軟硬體開發平台，適合用來開發WSN(無線感測網路)的相關產品。
NXP(恩智浦)的JN516x系列，具備低功耗、高效能的特性。整合了32bit RISC CPU架構，提供1~32MHz的運算處理速度，並整合了128-bie AES編碼處理器。主要針對802.15.4架構的無線通訊而設計，提供JenNet-IP、ZigBee SE/Light Link與RF4CE等網路通訊協定
。
TI(德儀)的SimpleLink系列，也是強調性價比高、功耗低的Wireless MCU產品，例如CC430系列，就是整合自家MSP430的MCU和CC1101的低功耗RF核心的無線MCU產品，採16位元RISC微控制器20MHz，內建8/16/32KB Flash、2/4KB RAM、並整合Sub-1GHz的FSK/GFSK/MSK/ASK/OOK RF收發器，支援AES128編解碼功能與通訊方式，速率達1.2？500Kbps，可應用在低運算需求的無線產品。
而CC2538內建ARM Cortex-M3 32MHz CPU，最高512KB Flash、32KB RAM、4KB ROM，提供AES 128/256、ECC RSA-284等安全設計，並整合802.15.4的無線通訊功能，支援ZigBee Pro/IP Mesh、RF4CE、6LoWPAN等通訊協定。
另外，CC3000平台，則是支援802.11的Wi-Fi標準、CC2540為支援低耗電藍牙(BLE)無線標準、CC2570/CC2571則是支援ANT通訊協定標準，提供各式無線通訊解決方案。
Infineon (英飛凌)的SmartLEWIS MCU系列，包含PMA 71xx/51xx產品，主打初階無線控制傳輸市場。內建8051微控制器，具備6KB Flash與10的GPIO埠，RF採用315/434/868/915MHz等頻段，支援ASK/FSK等無線調變技術，可應用在無線控制？感應？監測等領域。
Silicon Labs (芯科實驗室)推出的Si10xx系列，則號稱是最低功耗的Wireless MCU產品，採25MHz，Single-cycle的8051相容性CPU，搭配128/64/32/16KB Flash，同時整合自家EZRadioPRO的<1GHz(240？960MHz) FSK/GFSK/OOK RF收發器，可支援到最低0.9V的電壓運作。可應用在RFID標籤、水表？瓦斯表、感應介面、警鈴系統、煙幕？火災偵測器、可攜式健康照護產品等。
另外，Silicon Labs推出高階Ember套件，則採用EM35x系列SoC。以EM351/EM357高效能SoC為例，其內建32-bit ARM Cortex-M3 CPU 6？24MHz，含128？192KB Flash，搭配12KB RAM備讀取保護、具AES-128硬體加密功能。可以應用在家庭自動化、安全監測、建築控制、能源採集和WSN等領域。
「芯」內有「話」的高速RF MCU、SoC模組介紹
相較於上述低耗電、低頻段、低傳輸率的無線應用產品來說，藍牙、IEEE 802.11 Wi-Fi仍是當今最被廣泛應用的無線通訊標準，在需要傳輸大量資料、與雲端做連結的物聯網應用中，使用藍牙或Wi-Fi來設計產品仍有不小的需求。廠商也推出各式整合MCU功能的藍牙或Wi-Fi的SoC或模組，來進軍物聯網市場。
以TI的CC3000 Wi-Fi家族，便克服了上述困難，其CC3200就是業界首顆Wi-Fi單晶片，整合了ARM Cortex-M4 MCU與Wi-Fi 802.11b/g/n無線傳輸功能，具備低功耗、高效率的設計，是針對物聯網應用所量身打造的產品，而CC2540則是MCU整合低耗電藍牙(BLE)無線標準。上述這些產品可以應用在家庭自動化、家電、安全監控產品、智慧能源等領域。
若要應用在其他嵌入式系統，也只要另外搭配任何一款低成本、低功耗的MCU，即可實現。TI也提供對應的開發模組與設計參考平台，讓系統設計業者選購。
Qualcomm (高通)推出的高階QCA4002/4004低功耗Wi-Fi單晶片，採用內建CPU與Wi-Fi 802.11n (2.4GHz和5GHz頻段)收發器的設計，提供40Mbps的傳輸速度，可應用在各式家電、消費性電子、家庭自動化、照明、感應器網路，甚至及智慧插座等應用。像是海爾(Haier)便在自家洗衣乾衣機與空調產品中內建QCA4004，讓用戶透過Wi-Fi來控制家電。
Broadcom (博通)的BCM20732 WICED Smart低耗電藍牙模組，則是整合了Cortex-M4 MCU、RF收發器、藍牙BLE的堆疊層於單顆晶片上，能夠應用在玩具、家庭自動化、健康監測、運動儀器等產品，若另外搭配MCU，則可應用在穿戴式產品。
至於其他未整合的物聯網無線處理器解決方案部分，有Marvell (美滿)的88MC200 (MCU 200MHz) + 88W8801 (Wi-Fi 802.11n)雙顆SoC的模組產品，其應用產品有海華(Azurewave)的AW-CU282A，採用Marvell 88MC200 + 88W8782 (802.11bgn)，搭配天線而成的一個模組解決方案。
而其他像是Microchip的PIC32 (MCU) + Wi-Fi 802.11b/g的RF與MRF的模組家族、NXP的MCU + GS1xxx系列Wi-Fi 模組，以及Redpine Signals的Wi-Fi家族開發套件 (採Renesas瑞薩電子的MCU + Wi-Fi模組)都還是採用兩顆的方案，來滿足物聯網的無線連接需求。
