Simplifier la conception de dispositifs intelligents à alimentation secteur grâce à des SoC sans fil multiprotocoles basse consommation

Les dispositifs Internet des objets (IoT) pour l'éclairage intelligent et l'immotique évoluent rapidement, passant de simples nœuds de contrôle à des systèmes connectés riches en fonctionnalités qui doivent prendre en charge des exigences de calcul plus élevées, une sécurité robuste et des performances radiofréquences (RF) améliorées. Les concepteurs de ces dispositifs sont soumis à une pression croissante pour concilier diverses exigences, telles que la connectivité multiprotocole, les fonctionnalités de sécurité avancées et le rendement énergétique, tout en minimisant le coût des nomenclatures (BOM) et la complexité des systèmes. Des systèmes sur puce (SoC) sans fil avancés sont nécessaires pour répondre aux besoins IoT émergents.

Cet article décrit les défis auxquels sont confrontés les concepteurs de dispositifs et de systèmes IoT émergents. Il présente ensuite les SoC IoT sans fil de nouvelle génération de Silicon Labs et montre comment ils peuvent relever ces défis grâce à une architecture ultrabasse consommation qui combine un processeur hautes performances avec plusieurs sous-systèmes spécialisés.

Comment différentes exigences favorisent la transition vers une plus haute intégration

Les dispositifs intelligents à alimentation secteur, utilisés dans des applications telles que l'éclairage LED, les prises connectées et les interrupteurs, doivent offrir de plus en plus de fonctionnalités dans des cycles de développement plus courts. Les concepteurs de ces dispositifs doivent faire face à des exigences élevées en matière d'intégration de capacité de traitement supérieure, de multiples normes sans fil et d'une sécurité robuste, tout en limitant la nomenclature et en garantissant un comportement prévisible dans les environnements toujours actifs.

La complexité de la connectivité sans fil accentue ces pressions. Les technologies Bluetooth Low Energy (BLE), Zigbee, Thread et Matter coexistent de plus en plus, ce qui complique les solutions basées sur des protocoles individuels ou des architectures multi-puces. La prise en charge de plusieurs protocoles hétérogènes via des composants externes peut ralentir le développement et engendrer des inefficacités. De ce fait, la conception IoT s'est orientée vers des SoC sans fil monolithiques, tels que les SoC sans fil SiMG301/SiBG301 série 3 de Silicon Labs (Figure 1), qui consolident le traitement des applications, les fonctions de sécurité et le fonctionnement radio dans un seul dispositif.

Figure 1 : Les SoC IoT sans fil avancés intègrent la pile fonctionnelle complète, offrant une plus grande efficacité de conception par rapport aux solutions multi-puces précédentes. (Source de l'image : Silicon Labs)

Ces SoC permettent aux concepteurs de répondre plus efficacement aux exigences en constante évolution des dispositifs intelligents, grâce à une architecture avancée offrant des performances élevées, une sécurité robuste et une connectivité flexible.

Architecture intégrée répondant aux multiples exigences des applications IoT émergentes

La gamme SixG301 intègre toutes les fonctionnalités nécessaires aux dispositifs intelligents à alimentation secteur. Pour répondre aux exigences de calcul de plus en plus complexes, les SoC SixG301 s'appuient sur un cœur de processeur Arm Cortex-M33 150 MHz avec des instructions de traitement des signaux numériques (DSP) et une unité en virgule flottante (FPU) (Figure 2). Le sous-système de processeur combine ce cœur avec une mémoire vive (RAM) sur puce, une mémoire Flash intégrée, un contrôleur d'accès direct à la mémoire (DMA) et des interfaces de débogage. L'architecture complète sa large prise en charge des dispositifs intelligents par des blocs matériels dédiés pour la connectivité, la sécurité, la gestion de l'énergie, les horloges, les temporisateurs et les périphériques, y compris des fonctionnalités spécialisées pour l'éclairage LED.

Figure 2 : L'architecture SoC sans fil SixG301 consolide le traitement des applications, la connectivité sans fil et la sécurité afin d'offrir des performances évolutives et une complexité système réduite dans les dispositifs intelligents à alimentation secteur. (Source de l'image : Silicon Labs)

Pour les concepteurs, la gamme SixG301 offre une solution évolutive qui répond à un large éventail d'exigences. Pour les conceptions de dispositifs intelligents ciblant la connectivité Bluetooth, la série de SoC Bluetooth SiBG301 prend en charge BLE, Bluetooth Mesh et les applications 2,4 GHz propriétaires. La série de SoC multiprotocoles SiMG301 prend en charge les mêmes options Bluetooth tout en ajoutant la prise en charge des couches MAC (Media Access Control) et PHY IEEE 802.15.4 pour les réseaux sans fil à bas débit de données, y compris Zigbee, Matter over Thread et OpenThread. Dans chaque gamme, les différents modèles offrent des options de configuration supplémentaires, avec jusqu'à 512 Ko de RAM et jusqu'à 4 Mo de mémoire Flash QSPI XIP sécurisée. Quelle que soit l'option de configuration, tous les modèles de la gamme de SoC SixG301 partagent les mêmes capacités requises pour les dispositifs IoT de nouvelle génération.

Les applications IoT avancées dépendent d'une connectivité robuste, et la gamme SixG301 est conçue pour fonctionner de manière fiable même dans les environnements denses et sujets aux interférences typiques de ces applications. La radio sans fil basse consommation (LPW) de la gamme (Figure 3) intègre un cœur de processeur radio, une mémoire RAM et des trajets de signaux d'émission et de réception dédiés, fournissant un sous-système de connectivité complet.

Figure 3 : Le sous-système radio LPW intégré du SoC SixG301 prend en charge une connectivité robuste grâce à des trajets d'émission et de réception dédiés. (Source de l'image : Silicon Labs)

Le sous-système LPW est conçu pour fournir la puissance d'émission et la sensibilité de réception nécessaires au maintien d'une connectivité fiable. Le sous-système prend en charge une puissance de sortie jusqu'à +10 dBm, permettant des marges de liaison fiables dans les installations à alimentation secteur où le placement de l'antenne et les contraintes de boîtier peuvent constituer un défi. Côté réception, la radio fournit la sensibilité requise pour les conceptions IoT axées Bluetooth et multiprotocoles. Pour la modulation GFSK (Gaussian Frequency-Shift Keying) à 125 kbps utilisée pour Bluetooth/BLE sur tous les dispositifs SixG301, la sensibilité de réception est de -106,8 dBm. Pour la modulation O-QPSK (Offset Quadrature Phase Shift Keying) à 250 kbps utilisée dans la norme 802.15.4 sur les dispositifs SiMG301, la sensibilité de réception est de -106,3 dBm.

Quête constante de sécurité et de rendement énergétique

Des options de connectivité sans fil flexibles sont fondamentales pour les applications IoT avancées. Toutefois, la sécurité de ces connexions et de ces dispositifs IoT dépend de la recherche constante de capacités de sécurité matérielles robustes. Les dispositifs SixG301 intègrent une architecture de sécurité matérielle basée sur « Secure Vault High » de Silicon Labs, le niveau le plus élevé de la technologie de sécurité « Secure Vault » à plusieurs niveaux de l'entreprise. Ils sont certifiés PSA niveau 4, le plus haut niveau du cadre de certification Platform Security Architecture. Pour obtenir cette certification, un dispositif doit offrir une protection robuste contre les attaques logicielles et matérielles sophistiquées, y compris les attaques évolutives par canal auxiliaire et par injection de fautes, qui sont toutes incluses dans le niveau Secure Vault High.

Cette architecture de sécurité établit une racine de confiance (RoT) matérielle utilisant un moteur de sécurité dédié avec son propre processeur, isolant ainsi les fonctions cryptographiques et les données sensibles du cœur d'application Cortex-M33 principal. Cette isolation garantit que même si le logiciel d'application est compromis, les clés cryptographiques et les opérations critiques pour la sécurité restent protégées. Arm TrustZone impose une séparation au niveau matériel entre l'exécution du code sécurisé et non sécurisé, tandis que la gestion sécurisée des clés utilise la technologie de fonction physique inclonable (PUF) pour générer une clé unique à la mise sous tension. Afin d'empêcher toute extraction ou tout clonage de cette clé, celle-ci n'est visible que par le moteur de chiffrement et n'est conservée que jusqu'à la mise hors tension du dispositif.

Le démarrage sécurisé avec RTSL (RoT and Secure Loader) garantit que seul le micrologiciel authentifié peut s'exécuter, tandis que la fonctionnalité AXiP (Authenticated eXecute in Place) étend cette protection à la vérification du code d'exécution. Un accélérateur cryptographique matériel autonome décharge le processeur principal des tâches de chiffrement et des protocoles. Associées aux fonctionnalités de protection contre les intrusions du SixG301, ces capacités aident les concepteurs à créer des dispositifs hautes performances sécurisés qui authentifient les mises à jour micrologicielles, protègent les identifiants et maintiennent la confiance dans les applications IoT.

La gestion de l'énergie visant à minimiser la consommation électrique joue un rôle tout aussi important dans la prise en charge d'un fonctionnement continu sur secteur. Outre la gestion de l'horloge et de l'alimentation des périphériques, les dispositifs SixG301 offrent plusieurs modes d'exécution qui permettent aux concepteurs d'équilibrer dynamiquement les performances et la consommation d'énergie. En mode actif (EM0), le processeur hôte exécute le code avec tous les périphériques et sources d'oscillateur disponibles, consommant typiquement 47 µA/MHz à 150 MHz dans une boucle While, ou 62 µA/MHz avec CoreMark. Le mode veille (EM1) maintient tous les périphériques disponibles tandis que le processeur reste inactif mais prêt à se réactiver rapidement en cas d'événements système. Dans ce mode, la consommation typique chute à 33 µA/MHz ou moins, selon la configuration d'horloge.

Pour les périodes où seule une activité minimale est requise, le mode d'arrêt (EM4) désactive la plupart des dispositifs, réduisant la consommation à seulement 0,26 µA sans le compteur en temps réel de secours (BURTC) ou à 0,75 µA avec le BURTC fonctionnant à partir d'un oscillateur basse fréquence.

En utilisant ces modes avec une gestion flexible de l'horloge et des périphériques, les concepteurs peuvent atteindre l'équilibre spécifique entre consommation et performances requis pour leurs applications.

Comment les fonctionnalités analogiques intégrées simplifient la conception de dispositifs d'éclairage intelligents

Outre les fonctionnalités de plus en plus requises dans une large catégorie d'applications IoT, les dispositifs SixG301 intègrent des fonctionnalités analogiques et d'alimentation spécifiquement adaptées aux applications d'éclairage intelligent. Conçu pour fournir une solution écoénergétique dans les applications d'ampoules LED monochromes et blanches réglables, le sous-système de pré-attaque LED (LEDDRV) intégré (Figure 4) inclut une pompe à charge et deux canaux de circuits d'attaque de grille pour alimenter directement les transistors à effet de champ (FET), remplaçant les puces de circuit d'attaque dédiées pour contrôler les chaînes de LED blanc chaud et blanc froid.

Figure 4 : Le sous-système LEDDRV offre toutes les fonctionnalités nécessaires à une régulation efficace du courant LED. (Source de l'image : Silicon Labs)

Le périphérique LEDDRV fournit des signaux de commande et des fonctions de surveillance, notamment la surveillance du courant et la protection contre les surintensités, simplifiant ainsi la régulation du courant des LED. Dans une application d'éclairage LED à un canal typique, par exemple, le concepteur connecte simplement la sortie LEDDRV à un FET de puissance externe commandant la chaîne de LED (Figure 5), en utilisant les ports d'entrée/sortie à usage général (GPIO) pour détecter la tension CA, la tension de drain et le courant de crête.

Figure 5 : Le périphérique LEDDRV intégré fonctionne avec les circuits de détection et les FET de puissance externes pour réguler le courant LED dans les applications d'éclairage blanc réglable. (Source de l'image : Silicon Labs)

Pour le contrôle logiciel, le processeur communique avec le bloc LEDDRV via deux canaux à modulation de largeur d'impulsion (PWM) générés par des blocs de temporisateurs, permettant une gradation précise et un mélange de températures de couleur. Cette approche permet aux concepteurs de mettre en œuvre des courbes de gradation douces et des transitions de blanc chaud à blanc froid via le micrologiciel. Pour la protection contre les surchauffes, les concepteurs peuvent également utiliser une commande logicielle pour désactiver le bloc LEDDRV en fonction des mesures provenant du capteur de température intégré de l'unité de gestion de l'énergie ou d'un capteur externe.

Le bloc LEDDRV prend également en charge les configurations à double circuit d'attaque et à commande directe, permettant aux concepteurs d'aller au-delà de la configuration de base à deux canaux ou de s'adapter à différentes topologies d'étage de puissance. En intégrant ces fonctions d'éclairage directement dans le SoC, les dispositifs SixG301 permettent une intégration plus étroite, des coûts de nomenclature plus faibles et des conceptions plus compactes pour les systèmes d'éclairage à alimentation secteur.

Accélérer le développement avec des ressources d'évaluation et de prototypage

Silicon Labs soutient le développement du SixG301 avec des ressources matérielles et logicielles conçues pour accélérer l'évaluation et le prototypage.

Le kit d'exploration SixG301 Explorer Kit (SIXG301-EK2719A) (Figure 6) est une plateforme de développement alimentée par USB offrant aux concepteurs un point d'entrée compact et économique. Basée sur un module SiMG301 avec 4 Mo de mémoire Flash et 512 Ko de RAM, cette carte fournit des prises et des connecteurs pour des capteurs et des périphériques supplémentaires. Un débogueur J-Link embarqué, doté d'un port COM virtuel et d'une interface Packet Trace, permet aux concepteurs d'effectuer le développement micrologiciel et l'évaluation radio sans équipement supplémentaire.

Figure 6 : La carte SIXG301-EK2719A fournit une plateforme de développement alimentée par USB compacte, avec des connecteurs et un débogueur J-Link embarqué pour le prototypage rapide. (Source de l'image : Silicon Labs)

Pour un développement plus avancé et une caractérisation détaillée des performances, le kit SixG301 Flash Pro (SIXG301-PK6037A) (Figure 7) combine la carte mère BRD4002A Wireless Pro Kit SI-MB4002A avec une carte radio enfichable SIXG301-RB4407A avec 4 Mo de mémoire Flash, ou une carte radio enfichable SIXG301-RB4408A avec 8 Mo de mémoire Flash. La carte mère offre un débogage intégré, une surveillance énergétique avancée et une dérivation périphérique complète pour les tests d'intégration au niveau du système, tandis que les deux cartes radio enfichables incluent un SiMG301 avec 512 Ko de RAM, un réseau d'adaptation et une antenne de carte.

Figure 7 : Le kit SixG301 Flash Pro combine une carte mère riche en fonctionnalités avec une carte radio enfichable et des ports pour le débogage et la caractérisation des performances. (Source de l'image : Silicon Labs)

Les kits SixG301 Explorer et SixG301 Flash Pro fonctionnent tous les deux avec l'environnement de développement Simplicity Studio de Silicon Labs, qui fournit des assistants de configuration, des projets d'exemple et un accès au kit de développement logiciel (SDK) Simplicity. Ensemble, ces ressources aident les concepteurs à passer efficacement de l'évaluation initiale au prototypage et aux conceptions prêtes pour la production.

Conclusion

Les concepteurs de dispositifs intelligents à alimentation secteur pour l'éclairage LED, les prises connectées et les interrupteurs sont soumis à la pression croissante de fournir hautes performances, fiabilité, connectivité multiprotocole, sécurité robuste et rendement énergétique à un coût minimal. Les SoC sans fil SiMG301 et SiBG301 série 3 nouvelle génération de Silicon Labs, ainsi que leurs outils de développement associés, répondent à ces exigences et fournissent une base évolutive pour un développement rapide.