整合射頻/感測器　MCU猛攻嵌入式聯網市場

微控制器(MCU)功能整合浪潮再起。嵌入式系統(Embedded System)涵蓋範圍相當廣泛，但共同的發展趨勢即為內建更多元的功能，提升使用便利性。因此身為嵌入式系統的主要核心元件--微控制器，也須具備十八般武藝，才能滿足市場需求。

為達此一目的，微控制器廠商開始針對熱門的嵌入式應用，「改造」微控制器。第一波即為觸控控制器及液晶顯示器(LCD)驅動IC與微控制器的結合；近期則因物聯網(IoT)、無線感測網路(WSN)大行其道，加上小尺寸與低成本需求不斷高漲，衍生微控制器與射頻(RF)控制器或感測器的整合。

圖1　芯科實驗室微控制器產品行銷總監Keith Odland表示，該公司可在微控制器市場脫穎而出，混合訊號技術為關鍵。

物聯網帶動的萬物皆須聯網概念的興起，是近期微控制器擴大整合各種功能的最大驅動因素。芯科實驗室(Silicon Labs)微控制器產品行銷總監Keith Odland(圖1)表示，對於高度整合的微控制器系統單晶片(SoC)解決方案而言，爆炸性成長的物聯網裝置可說是凌駕一切的市場驅動力。

物聯網驅動　微控制器整合加足馬力

根據IHS iSuppli的預測，至2015年時，聯網裝置節點的數量將超過一百五十億個，到2020年則會達到五百億個。Odland認為，這些聯網裝置大部分都將具有低功耗的微控制器、無線收發器、各種感測器，甚至是薄膜電池(Thin-film Batteries)及太陽能電池(Photovoltaic Cells)等能源收集(Energy Harvesting)技術。

對於家庭聯網及保全系統中的無線感測節點此類聯網裝置而言，特別是使用電池做為供電來源的裝置，最主要的要求包括極小的外形尺寸、超低功耗；而對於成本敏感的聯網裝置，最低的物料清單成本(BOM Cost)則是關鍵所在。

為解決聯網裝置的應用需求，目前半導體供應商正開發高度整合微控制器解決方案及無線微控制器，進一步將許多關鍵應用組件及功能區塊整合至單晶片解決方案。因此包括芯科實驗室、意法半導體(ST)、愛特梅爾(Atmel)、飛思卡爾(Freescale)與德州儀器(TI)等微控制器大廠，皆已投入整合射頻、聯網功能的微控制器單晶片開發。其中意法半導體更推出支援多模收發器的方案，做為該公司32位元微控制器拓展物聯網市場的利器。

強化微控制器聯網能力　多模收發器登場

物聯網龐大的架構中，各種有線與無線通訊技術皆扮演重要角色，因此未來每種裝置可能皆須支援多種通訊技術，才能符合市場需求，並有效傳遞資訊。有鑑於此，在德州儀器率先推出整合無線區域網路(Wi-Fi)與ZigBee收發器的微控制器後，意法半導體也將推出整合藍牙低功耗(Bluetooth Low Energy)、ZigBee與ANT、ANT+收發器的微控制器。

圖2　意法半導體產品行銷經理楊正廉表示，持續利用微控制器整合更多元、符合市場所需的技術，將是該公司未來微控制器發展的重要方向。

意法半導體產品行銷經理楊正廉(圖2)表示，物聯網市場逐漸開展，未來所有的裝置皆須具備聯網能力，換句話說，所有須要被控制的裝置或是節點，都須擁有聯網的功能。

另一方面，考量物聯網並非採用單一無線通訊技術，各種射頻技術皆將共存，因此未來物聯網受控裝置需內建多元無線技術，才能應用於各種物聯網應用中，亦為多模收發器發展的驅動力。換句話說，如同現今智慧型手機與平板裝置(Tablet Device)內建多元通訊技術，以符合各種應用需求，物聯網裝置未來也須融合各種無線通訊技術，才可在龐大的物聯網中發揮功能，因此多模收發器將為勢在必行。

有鑑於此，先前意法半導體積極在微控制器中加入有線技術，如乙太網路(Ethernet)、通用序列匯流排(USB)等。而看準無線通訊技術在機器對機器(M2M)與無線感測網路的重要性日增，因此意法半導體也為微控制器增加無線通訊能力，新的多模收發器即為此打造，未來意法半導體將可提供市場完整的多元通訊功能微控制器。

據了解，意法半導體預計2013年第一季發布整合多模收發器的新微控制器產品，為雙晶片架構，採用系統封裝(SiP)整合成單晶片。楊正廉認為，未來SiP封裝技術不僅對應用處理器(Application Processor)相當重要，對微控制器增加新的技術亦有助益，透過SiP，不僅可使微控制器結合無線通訊技術，還可預先將無線通訊技術的規格與通訊協定(Protocol)寫入微控制器，提供客戶最簡易的無線通訊設計架構。

值得注意的是，新的收發器不但支援藍牙低功耗、ZigBee與ANT、ANT+等2.4GHz射頻技術，且無訊號干擾的問題。楊正廉解釋，該收發器並非同時執行所有的通訊技術，而是以開關切換各種無線通訊技術的使用模式，因此毋須擔心訊號間的相互干擾。

新的收發器搭配STM32微控器系列產品後，未來意法半導體微控制器將可提供客戶最完整的有線與無線通訊功能，除滿足各種聯網裝置應用需求外，也可無限擴展微控制器的應用市場，增添新市場商機。

避免責任歸屬問題　微控制器業者齊備RF技術能量

ZigBee技術發展日益成熟，以及在物聯網及嵌入式市場占有一席之地，因此整合ZigBee收發器成為微控制器業者的首要目標，目前市面上也已出現許多ZigBee+微控制器的系統單晶片。

近期芯科實驗室即推出該公司首款ZigBee系統單晶片。Odland表示，購併Ember後，芯科實驗室取得完整的2.4GHz技術研發能力，進而可提供整合度高且功能豐富的ZigBee解決方案，以滿足結合2.4GHz無線網路的物聯網應用所需。該公司第一款ZigBee系統單晶片，整合2.4GHz IEEE 802.15.4收發器及功率放大器、Cortex-M3處理器、192kB的快閃記憶體和12kB的隨機存取記憶體(RAM)。

不僅整合2.4GHz射頻技術，芯科實驗室以安謀國際Cortex-M3處理器為基礎的Precision32混合訊號微控制器，整合各種類比及數位周邊元件、USB與LCD控制器、電容式觸控感應以及各種省電功能，例如低壓差穩壓器(LDO)與直流對(DC-DC)直流降壓轉換器等，亦為微控制器整合風潮下的先驅產品。

除ZigBee技術在物聯網扮演重要角色，其他無線通訊技術如藍牙、Wi-Fi，以及有線通訊技術如電力線通訊(PLC)、乙太網路、USB等，也不可忽略其重要性。為掌握嵌入式聯網系統與物聯網商機，多數微控制器業者皆戮力厚實射頻技術研發能力，並與微控制器產品整合。

愛特梅爾與飛思卡爾則認為，有線與無線通訊對物聯網應用市場而言不可或缺，也是現階段微控制器進行整合的主要技術，因此對於微控制器廠商來說，若能擁有有線或射頻通訊技術研發能力，將可更易於發展高整合且具備聯網功能的微控制器，也可毋須受制於其他晶片供應商，影響產品研發計畫與時程。

目前德州儀器、愛特梅爾、芯科實驗室、意法半導體與微芯等皆已推出2.4GHz通訊收發器晶片，未投入研發的通訊技術則是與其他無線通訊晶片大廠合作。楊正廉認為，ZigBee等2.4GHz技術進入門檻不高，微控制器業者皆有能力跨入，因此意法半導體32位元微控制器系列產品也一路從整合乙太網路與USB等技術，進展至支援PLC、2.4GHz射頻技術。

此外，微控制器業者具備射頻技術與元件發展能力，也可避免整合元件與微控制器不相容的問題，甚至在整合微控制器發生問題時，也可快速法找到確切的解決之道。

不過，考量Wi-Fi技術與市場的成熟度，以及有許多知名大廠卡位，因此意法半導體未投入Wi-Fi技術的研發，而是選擇與博通(Broadcom)等Wi-Fi大廠合作。事實上，市面上具備競爭力的Wi-Fi晶片種類繁多，可輕易選擇最符合聯網功能微控制器所需的Wi-Fi元件，也可進一步節省自行投入研發的成本。否則毅然投入市場與技術已臻成熟的Wi-Fi晶片產品研發，反而將面臨產品市場接收度，以及技術競爭力不足的問題。

微控制器業者積極發展Sensor Hub

圖3　富士通市場部經理彭懷賢表示，針對整合ZigBee或其他射頻技術的微控制器單晶片市場，該公司將視需求情況調整產品研發策略。

另一方面，由於物聯網的興起，無線感測器網路的市場潛力和發展契機亦受到重視。富士通(Fujitsu)市場部經理彭懷賢(圖3)表示，由於各種技術改進，感測器可具備感應、無線通訊和處理資訊的能力，並能在大量便宜的感測器節點中形成一個多重中繼站(Multi-hop)的自我組織無線感測器網路，其中的感測器不但能夠感應和偵測環境的目標物，並可從無線感測網路中收集數據並進行處理，再將處理過的資料以無線傳輸的方式送回收集者，進行分析。

無線感測器網路包括感測器、目標物的感測和觀察設備三項主要元素。這可廣泛促進許多微機電系統(MEMS)感測器技術和無線網路技術應用的可能性。這些應用可歸類為軍事、航空、反恐怖活動、爆炸、災難救援、環境監測、健康監護、智慧家庭、工業和商業應用等更多範疇。

值得注意的是，在嵌入式系統中增添感測器，將導致嵌入式處理器的工作負擔，因此Sensor Hub概念崛起。Sensor Hub為系統外掛的一顆32位元微控制器，負責所有感測器的資料運算，並簡化感測器與處理器間的溝通介面，為微控制器新的應用商機。

根據微軟(Microsoft)最新的Windows 8作業系統定義，未來無論個人電腦、平板裝置或智慧型手機，皆必須導入基本的MEMS元件與感測器，雖然此舉可提升Windows 8裝置的功能與特性，但相對地也將造成應用處理器(Application Processor)的工作負擔。

為解決此問題，微控制器業者積極推廣Sensor Hub，透過額外的32位元微控制器作為各種感測器的中樞，負責管理、運算感測器偵測的數值，並扮演感測器與應用處理器溝通的橋樑，進一步減輕處理器的工作負擔。

圖4　愛特梅爾整合Sensor Hub與觸控技術的新產品，採用SiP技術進行整合。

目前包括意法半導體、愛特梅爾皆已推出相對應的產品。日前愛特梅爾更發表業界第一個觸控和Sensor Hub功能整合的單晶片解決方案(圖4)。

愛特梅爾亞太區策略行銷總監曹介龍表示，將觸控與支援各種感測器的Sensor Hub進一步整合，可將人機介面解決方案擴展到超越觸控功能的等級，且單晶片解決方案也可提供更佳的性能和能源效益。未來愛特梅爾的客戶可經由組合多個運動感測器、其他感測器系統，以及觸控技術，開發更多新功能，進一步打造創新使用者介面。

據了解，新解決方案以愛特梅爾maXTouch控制器為基礎，整合該公司專利maXFusion感測器融合技術，並匯合多個運動檢測感測器的輸入，包括加速度計、磁力計和陀螺儀，提供即時方向、方位和傾斜度數據，為包括遊戲、導航和擴增實境(AR)的一系列應用提升性能。

曹介龍指出，在Sensor Hub或是高整合微控制器的發展上，愛特梅爾皆率先嘗試各種新的發展方向，無論是先前已成功發布整合溫度感測器、觸控控制器的微控制器系列產品，或是ZigBee單晶片。看好Windows 8將促使觸控與感測器技術發展更上層樓，愛特梅爾也率先發表整合Sensor Hub與觸控技術的新單晶片方案，不但可讓愛特梅爾搶先分食市場大餅，也可鞏固微控制器市場地位。

曹介龍強調，採用maXFusion技術的新型解決方案包含先進的感測算法，與在應用處理器上的管理感測器相比，可以提升三倍的性能。與競爭解決方案相比，可降低達50%的功耗，而與在應用處理器上實施感測器管理的架構相較，甚至可節省更多的用電量，進一步滿足嵌入式系統低功耗與成本的要求。

意法半導體則計畫在推出採用Cortex-M3的Sensor Hub之後，再發布導入Cortex-M4核心的Sensor Hub微控制器，借助Cortex-M4核心所整合的浮點運算功能，強化Sensor Hub的運算能力。楊正廉表示，未來智慧聯網裝置內建的感測器不會僅有Windows 8直接在系統規格中定義的加速度計、陀螺儀、磁力計等，勢必增添更多的感測器。此時，Sensor Hub須更為強大，才能應付龐大的感測器資料運算。

擁有各種感測器產線的飛思卡爾(Freescale)亦發布Sensor Hub產品，且與愛特梅爾同為已通過微軟Windows 8的微控制器業者。

飛思卡爾資深全球產品經理陳麗華表示，該公司早於2年前即投入Sensor Hub產品的發展，且已獲美、日、韓等Windows 8行動裝置大廠導入設計。憑藉率先投入產品研發所累積的技術基礎，飛思卡爾順利於2012年中，領先其他微控制器廠商，率先取得微軟Windows 8認證。

8位元微控制器整合軌跡如同32位元

除利用32位元微控制器發展各種嵌入式系統與物聯網系統單晶片解決方案外，亦擁有8位元微控制器的業者，也陸續發布高整合8位元微控制器。Odland表示，物聯網市場中，現有低功耗32位元微控制器產品實無法完全滿足節點裝置對超低功耗的需求，因此芯科實驗室的8位元混合訊號微控制器，以高效能管線式8051核心為基礎，並內建sub-GHz無線通訊收發器，可適用於無線感應節點應用及電池供電智慧電表(Smart Meter)。

隨著嵌入式聯網系統與無線感測網路的發展，以及相關裝置內建的功能越來越多元，微控制器業者為站穩嵌入式市場，已於微控制器產品中加入更多滿足市場需求的功能，期可在滿足市場發展趨勢的同時，也可兼顧嵌入式系統對低成本與低功耗的嚴苛要求。