Semplificare la progettazione di dispositivi intelligenti alimentati dalla rete sicuri con SoC wireless multiprotocollo a bassa potenza

I dispositivi di Internet delle cose (IoT) per l'illuminazione intelligente e l'automazione degli edifici stanno rapidamente evolvendo da semplici nodi di controllo a sistemi connessi ricchi di funzionalità che devono supportare requisiti di calcolo più elevati, una sicurezza robusta e migliori prestazioni in radiofrequenza (RF). I progettisti di questi dispositivi devono affrontare una pressione crescente per bilanciare vari requisiti, come la connettività multiprotocollo, le funzioni di sicurezza avanzate e l'efficienza energetica, al contempo riducendo al minimo i costi in distinta base e la complessità del sistema. Sono necessari dispositivi System-on-Chip (SoC) wireless avanzati che rispondano alle esigenze emergenti dell'IoT.

Questo articolo descrive le sfide che devono affrontare i progettisti di dispositivi e sistemi IoT emergenti. Quindi passa a illustrare in che modo i SoC IoT wireless di prossima generazione di Silicon Labs possano vincere queste sfide grazie a un'architettura a bassissima potenza che combina un processore ad alte prestazioni con molteplici sottosistemi specializzati.

Come i diversi requisiti guidano la transizione verso una maggiore integrazione

Dai dispositivi intelligenti alimentati dalla rete elettrica utilizzati in applicazioni quali l'illuminazione a LED, le spine intelligenti e gli interruttori di si aspetta che siano sempre più in grado di offrire maggiori funzionalità in cicli di sviluppo più brevi. I progettisti di questi dispositivi devono affrontare requisiti impegnativi per l'integrazione di una maggiore capacità di elaborazione, di molteplici standard wireless e di una robusta sicurezza, contenendo al contempo la distinta base e mantenendo un comportamento prevedibile in ambienti sempre attivi.

La complessità della connettività wireless aggrava queste pressioni. Bluetooth Low Energy (BLE), Zigbee, Thread e Matter coesistono sempre più spesso, complicando le soluzioni basate su singoli protocolli o architetture multi-chip. Il supporto di più protocolli eterogenei attraverso componenti esterni può rallentare lo sviluppo e introdurre inefficienze. Di conseguenza, la progettazione IoT si è spostata verso SoC wireless monolitici, come i SoC wireless SiMG301/SiBG301 serie 3 di Silicon Labs (Figura 1), che consolidano l'elaborazione, le funzioni di sicurezza e il funzionamento della radio dell'applicazione in un unico dispositivo.

Figura 1: I SoC IoT wireless avanzati integrano l'intero stack funzionale, consentendo una maggiore efficienza di progettazione rispetto alle precedenti soluzioni multi-chip. (Immagine per gentile concessione di Silicon Labs)

Questi SoC consentono ai progettisti di rispondere in modo più efficace ai requisiti in rapida evoluzione dei dispositivi intelligenti, grazie a un'architettura avanzata che offre alte prestazioni, sicurezza robusta e connettività flessibile.

L'architettura integrata soddisfa le molteplici esigenze delle applicazioni IoT emergenti

La famiglia SixG301 integra l'intero stack di funzionalità necessarie nei dispositivi intelligenti alimentati dalla rete elettrica. Per soddisfare requisiti di calcolo sempre più complessi, i SoC SixG301 si basano su un core di processore Arm Cortex-M33 da 150 MHz con istruzioni di elaborazione di segnali digitali (DSP) e unità a virgola mobile (FPU) (Figura 2). Il sottosistema del processore combina questo core con la memoria ad accesso casuale (RAM) su chip, la memoria Flash integrata, un controller di accesso diretto alla memoria (DMA) e le interfacce di debug. L'architettura completa il suo ampio supporto per i dispositivi intelligenti con blocchi hardware dedicati per la connettività, la sicurezza, la gestione dell'energia, i clock, i timer e le periferiche, comprese le funzioni specializzate per l'illuminazione a LED.

Figura 2: L'architettura del SoC wireless SixG301 consolida l'elaborazione, la connettività wireless e la sicurezza dell'applicazione per fornire prestazioni scalabili e ridurre la complessità del sistema nei dispositivi intelligenti alimentati dalla rete elettrica. (Immagine per gentile concessione di Silicon Labs)

Per i progettisti, la famiglia SixG301 offre una soluzione scalabile che soddisfa un'ampia gamma di requisiti. Per i progetti di dispositivi intelligenti che puntano alla connettività Bluetooth, la serie di SoC Bluetooth SiBG301 supporta applicazioni BLE, Bluetooth Mesh e proprietarie a 2,4 GHz. La serie di SoC multiprotocollo SiMG301 supporta le stesse opzioni Bluetooth e aggiunge il supporto per lo strato fisico (PHY) e MAC (Media Access Control) IEEE 802.15.4 per reti wireless a bassa velocità dati, quali Zigbee, Matter over Thread e OpenThread. All'interno di ciascuna famiglia, i singoli membri offrono ulteriori opzioni di configurazione, con un massimo di 512 kB di RAM e 4 MB di Flash QSPI con eXecute-in-Place (XiP) sicura. Indipendentemente dall'opzione di configurazione, tutti i membri della famiglia di SoC SixG301 condividono le stesse funzionalità richieste per i dispositivi IoT di prossima generazione.

Le applicazioni IoT avanzate dipendono da una connettività robusta e la famiglia SixG301 è progettata per funzionare in modo affidabile anche negli ambienti densi e soggetti a interferenze tipici di queste applicazioni. La radio wireless a bassa potenza (LPW) della famiglia (Figura 3) integra un core di processore radio, una RAM e percorsi di segnale di trasmissione e ricezione dedicati, fornendo un sottosistema di connettività completo.

Figura 3: Il sottosistema radio LPW integrato del SoC SixG301 supporta una connettività robusta attraverso percorsi di trasmissione e ricezione dedicati. (Immagine per gentile concessione di Silicon Labs)

Il sottosistema LPW è progettato per fornire la potenza di trasmissione e la sensibilità del ricevitore necessarie per mantenere una connettività affidabile. Il sottosistema supporta una potenza di uscita fino a +10 dB riferita a 1 mW (dBm), consentendo margini di collegamento affidabili in installazioni alimentate dalla rete elettrica dove il posizionamento dell'antenna e i vincoli dell'involucro possono rappresentare una sfida. Sul lato della ricezione, la radio offre la sensibilità necessaria per i progetti IoT multiprotocollo e incentrati sul Bluetooth. Per la modulazione GFSK (modulazione digitale di frequenza gaussiana) a 125 kbit/s utilizzata in Bluetooth/BLE su tutti i dispositivi SixG301, la sensibilità di ricezione è -106,8 dBm. Per la modulazione digitale di fase in quadratura di offset (O-QPSK) a 250 kbit/s utilizzata in 802.15.4 sui dispositivi SiMG301, la sensibilità di ricezione è -106,3 dBm.

Ricerca incessante della sicurezza e dell'efficienza energetica

È fondamentale che le applicazioni IoT avanzate dispongano di opzioni di connettività wireless flessibili. Tuttavia, la sicurezza di queste connessioni e dei dispositivi IoT dipende dall'incessante ricerca di solide funzionalità di sicurezza basate sull'hardware. I dispositivi SixG301 incorporano un'architettura di sicurezza basata su hardware costruita su Secure Vault High di Silicon Labs, il livello più alto della tecnologia di sicurezza multilivello dell'azienda Secure Vault. Sono certificati PSA Level 4, il livello più alto del framework di certificazione Platform Security Architecture. Per ottenere questa certificazione, un dispositivo deve fornire una solida protezione contro sofisticati attacchi software e hardware, compresi gli attacchi scalabili al canale laterale e con iniezione di errori, tutti inclusi nel livello Secure Vault High.

Questa architettura di sicurezza stabilisce una radice di attendibilità (RoT) hardware utilizzando un motore di sicurezza dedicato con un proprio processore, isolando così le funzioni crittografiche e i dati sensibili dal core Cortex-M33 principale dell'applicazione. Questo isolamento garantisce che se anche il software applicativo viene compromesso, le chiavi crittografiche e le operazioni critiche per la sicurezza rimangono protette. Arm TrustZone impone una separazione a livello hardware tra l'esecuzione di codice sicuro e non sicuro, mentre la gestione sicura delle chiavi utilizza la tecnologia PUF (Physical Unclonable Function) per generare una chiave unica all'accensione. Per garantire che questa chiave non possa essere estratta o clonata in altro modo, è visibile solo al motore di crittografia e persiste solo fino alla perdita di alimentazione del dispositivo.

L'avvio sicuro con RTSL (Root of Trust and Secure Loader) garantisce che solo il firmware autenticato possa essere eseguito, mentre la tecnologia AXiP (Authenticated eXecute-in-Place) estende questa protezione alla verifica del codice in runtime. Un acceleratore crittografico hardware autonomo scarica cifrari e protocolli dal processore principale. Insieme alle funzioni di protezione dalla penetrazione di SixG301, queste funzionalità aiutano i progettisti a realizzare dispositivi sicuri e ad alte prestazioni che autenticano gli aggiornamenti del firmware, proteggono le credenziali e mantengono l'attendibilità nelle applicazioni IoT.

La gestione dell'energia per ridurre al minimo il consumo energetico svolge un ruolo altrettanto importante nel supportare il funzionamento sempre attivo e alimentato dalla rete. Oltre al clock e al power gating delle periferiche, i dispositivi SixG301 offrono diverse modalità di esecuzione che consentono ai progettisti di bilanciare in modo dinamico prestazioni e consumo energetico. In modalità attiva (EM0), il processore host esegue il codice con tutte le periferiche e le sorgenti di oscillatore disponibili, con un consumo tipico di 47 µA/MHz a 150 MHz in un ciclo While o 62 µA/MHz con CoreMark. La modalità di sospensione (EM1) mantiene tutte le periferiche disponibili mentre il processore rimane inattivo, ma pronto per una rapida riattivazione in caso di eventi di sistema. In questa modalità, il consumo tipico scende a 33 µA/MHz o meno, a seconda della configurazione del clock.

Per i periodi che richiedono un'attività minima, la modalità di spegnimento (EM4) spegne la maggior parte dei dispositivi, riducendo il consumo ad appena 0,26 µA senza contatore in tempo reale di backup (BURTC) o a 0,75 µA con BURTC alimentato da un oscillatore a bassa frequenza.

Utilizzando queste modalità, insieme alla temporizzazione flessibile e al gating delle periferiche, i progettisti possono ottenere il bilanciamento specifico di consumo e prestazioni richiesto dalle loro applicazioni.

Come le funzioni analogiche integrate semplificano la progettazione di dispositivi di illuminazione intelligenti

Oltre alle funzionalità sempre più richieste in un'ampia gamma di applicazioni IoT, i dispositivi SixG301 integrano funzioni analogiche e di alimentazione particolarmente adatte alle applicazioni di illuminazione intelligente. Progettato per fornire una soluzione efficiente dal punto di vista energetico nelle applicazioni con lampadine LED monocolore e bianche sintonizzabili, il sottosistema pre-driver LED (LEDDRV) su chip (Figura 4) integra una pompa di carica e due canali di gate driver per alimentare direttamente i transistor a effetto campo (FET), sostituendo i chip per driver dedicati per controllare le stringhe di LED di colore bianco caldo e bianco freddo.

Figura 4: Il sottosistema LEDDRV fornisce il set completo di funzionalità necessarie per una regolazione efficiente della corrente dei LED. (Immagine per gentile concessione di Silicon Labs)

La periferica LEDDRV fornisce segnali di controllo e funzioni di monitoraggio, inclusi il monitoraggio della corrente e la protezione da sovracorrenti, semplificando la regolazione della corrente dei LED. In una tipica applicazione di illuminazione a LED a canale singolo, ad esempio, il progettista collega semplicemente l'uscita LEDDRV a un FET di potenza esterno che pilota la stringa di LED (Figura 5), utilizzando le porte di ingresso/uscita per uso generale (GPIO) per il rilevamento della tensione c.a., della tensione di drain e della corrente di picco.

Figura 5: La periferica LEDDRV integrata si interfaccia con i FET di potenza esterni e i circuiti di rilevamento per regolare la corrente dei LED nelle applicazioni di illuminazione bianca sintonizzabile. (Immagine per gentile concessione di Silicon Labs)

Per il controllo software, il processore si interfaccia con il blocco LEDDRV tramite due canali a modulazione di larghezza di impulso (PWM) generati da blocchi di timer, consentendo la miscelazione colore-temperatura e il dimmeraggio precisi. Questo approccio consente ai progettisti di implementare curve di dimmeraggio omogenee e transizioni caldo-freddo del bianco tramite il firmware. Per proteggere dal funzionamento in caso di sovratemperatura, i progettisti possono anche utilizzare il controllo software per disabilitare il blocco LEDDRV in base alle misurazioni del sensore di temperatura integrato nell'unità di gestione dell'energia o di un sensore esterno.

Il blocco LEDDRV supporta anche configurazioni a doppio driver e a pilotaggio diretto, consentendo ai progettisti di espandersi oltre la configurazione base a due canali o di adattarsi a differenti topologie di stadi di potenza. Grazie all'integrazione di queste funzioni orientate all'illuminazione direttamente nel SoC, i dispositivi SixG301 consentono di ottenere un'integrazione più stretta, con costi in distinta base inferiori e progetti più compatti per i sistemi di illuminazione alimentati dalla rete elettrica.

Accelerare lo sviluppo con risorse di valutazione e prototipazione

Silicon Labs supporta lo sviluppo di dispositivi SixG301 con risorse hardware e software progettate per accelerare la valutazione e la prototipazione.

La piattaforma di sviluppo alimentata tramite USB del kit di esplorazione SixG301 (SIXG301-EK2719A) (Figura 6) offre ai progettisti un punto di ingresso compatto ed economico. Costruita attorno a un modulo SiMG301 con 4 MB di Flash e 512 kB di RAM, questa scheda offre prese e connettori per periferiche e sensori add-on. Un debugger J-Link integrato con una porta COM virtuale e un'interfaccia di tracciamento dei pacchetti consente ai progettisti di eseguire lo sviluppo del firmware e la valutazione della radio senza apparecchiature aggiuntive.

Figura 6: SIXG301-EK2719A è una piattaforma di sviluppo alimentata tramite USB compatta, dotata di connettori e di un debugger J-Link integrato per la prototipazione rapida. (Immagine per gentile concessione di Silicon Labs)

Per uno sviluppo più avanzato e una caratterizzazione dettagliata delle prestazioni, il kit Pro SixG301 Flash (SIXG301-PK6037A) (Figura 7) combina la scheda madre del kit Pro wireless BRD4002A SI-MB4002A con una scheda radio plug-in SIXG301-RB4407A con 4 MB di Flash, o una scheda radio plug-in SIXG301-RB4408A con 8 MB di Flash. La scheda madre offre debug integrato, monitoraggio avanzato dell'energia e breakout completo per le periferiche per i test di integrazione a livello di sistema, mentre entrambe le schede radio plug-in includono un modulo SiMG301 con 512 kB di RAM, una rete di adattamento e un'antenna PCB.

Figura 7: Il kit Pro SixG301 Flash combina una scheda madre ricca di funzionalità con una scheda radio plug-in e porte per il debug e la caratterizzazione delle prestazioni. (Immagine per gentile concessione di Silicon Labs)

Il kit di esplorazione SixG301 e il kit Pro SixG301 Flash funzionano entrambi con l'ambiente di sviluppo Simplicity Studio di Silicon Labs, che fornisce procedure guidate di configurazione, progetti di esempio e accesso al Simplicity Software Development Kit. Insieme, queste risorse aiutano i progettisti a passare in modo efficiente dalla valutazione iniziale alla prototipazione, fino ai progetti pronti per la produzione.

Conclusione

I progettisti di dispositivi intelligenti alimentati dalla rete elettrica per l'illuminazione a LED, le spine intelligenti e gli interruttori devono far fronte a una crescente pressione per offrire alte prestazioni, affidabilità, connettività multiprotocollo, sicurezza robusta ed efficienza energetica a costi minimi. I SoC wireless SiMG301 e SiBG301 serie 3 di prossima generazione di Silicon Labs, insieme agli strumenti di sviluppo associati, supportano questi requisiti e forniscono una base scalabile per uno sviluppo rapido.