支援多重無線電標準協定　無線MCU加速智慧感測設計

由於無線通訊是智慧感測應用中的核心要素，因此設計人員以往在設計流程的初期就必須先決定要採用何種無線標準。傳統上，製造商會遵循該標準來選擇無線元件，完成周邊的建置。一旦決定後，許多設計工作便就此定下，像是收發器技術、PCB配置、軟體堆疊，以及存取無線電的API。

以某一家製造商為例，他們一開始便選擇在應用中採用ZigBee技術。但設計過程中，可能出現來自市場的新資料，顯示改用Bluetooth低功耗技術後可大幅擴展該應用的目標市場。此時，要在後期更換無線技術並非易事。舉例而言，藍牙低功耗無線技術可能需要另尋其它廠商。圍繞原本無線通訊所作的一切設計工作，都可能必須重頭來過。此外，應用本身也必須調整改用新的堆疊與API。事實上，製造商幾乎要徹底重新進行設計，才能更換無線技術。

即使藍牙低功耗無線技術可從原本ZigBee的廠商取得，但通常無線通訊採用的基礎技術卻大有不同。其中的差異對於能否將現有設計轉移到新無線通訊，可能造成極大的限制。但無論如何，這些更動都會嚴重延誤到完成設計和產品上市的時間。此外，也要考慮隨之提高的工程成本。

物聯網發展帶動無線MCU需求

要下定決心改變設計的基本層面，向來需要經過複雜考量。製造商必須抉擇，看是要準時推出不夠完美的產品，還是重新設計正確的產品，但錯過關鍵的上市時機。欠缺靈活性可能使產品在進入市場後以失敗收場，而若要讓產品成功，就要提供適當的可彈性配置功能。為了滿足製造商的需求，讓他們在選擇無線技術時能更有靈活性，有廠商發展低功耗無線微控制器平台。以ARM Cortex-M3為基礎，提供從32KB至128KB的快閃記憶體配置。該架構具備充足的處理能力，可在各種智慧感測應用中作為獨立MCU使用。 該平台的獨特之處在於其能擴充採用各種不同的無線技術。裝置支援多種不同的無線技術，提供接腳對接腳的相容封裝選項，包含藍牙低功耗、Sub-1GHz、ZigBee、6LoWPAN、IEEE 802.15.4、RF4CE，還有可在最高5Mbit/s下運作的專用模式。

從硬體層面來看，此架構可直覺化地更換所使用的無線電標準，所有的2.4GHz與Sub-1GHz技術均為接腳對接腳相容。此外，該平台裝置的所有其它周邊設備都相同，因此製造商能在設計流程後期靈活地選用不同的無線標準。

該平台亦可跨越各項支援的標準，提供程式碼相容性。但是，切換無線電仍會對應用軟體設計造成某些程度的影響，主要是因為無線堆疊有所差異，只能由應用來處理。最好的作法是，製造商能夠設計出模組化無線介面；無線API不讓應用程式直接存取無線電，而是讓應用傳送資料至無線電功能，達到抽象化，接著無線功能可視需要透過適當的API，來處理要發射或接收的資料。如此一來，在設計流程後期要變更無線標準時，只會有此無線功能需要移植。

提供高度擴充性的設計架構

該架構稱為SimpleLink，讓製造商能到設計流程後期再來選擇無線連接通訊協定。其實，開發人員可同時設計使用多種無線技術，而且在將第一種無線通訊部署至架構後，要再換成其它無線技術並不需要花太多時間。由於設計採用的無線技術可輕易切換，製造商也能選擇以同一基板設計來支援多種無線標準。如此一來，製造商就不用將所有籌碼都押在市場偏好的無線技術上，還能以符合成本效益的方式提供多重選項。

SimpleLink低功耗平台於2015年推出的首批裝置分別是支援藍牙低功耗的無線MCU、支援6LoWPAN與ZigBee的裝置，以及支援Sub-1GHz的無線MCU。到了2016年，最新解決方案包括支援ZigBee RF4CE的語音遠端控制解決方案無線MCU(圖1)。上述各款裝置都已針對超低功耗設計最佳化，只需要一顆鈕扣電池即可持續運作數年，甚至可透過能源採集技術免用電池，讓製造商能以靈活性且創新的方式連接多個感測器。

圖1 SimpleLink低功耗無線MCU平台，為具備智慧感測應用無線擴充能力的裝置系列。每項技術產品均針對成本與電源加以最佳化，讓製造商在應用零件上享有設計靈活性。

可支援多重標準的MCU是「超級組合(Superset)」裝置，可同時從硬體及軟體內動態設定，以支援多種2.4GHz無線標準。不必固定選擇結果就能開始運作，而且可於現場安裝時設定。製造商可等到最後一刻再決定要實作何種無線標準，且不需更動天線設計。再加上採用無線MCU的裝置可變更所支援的無線電，因此透過單一晶片便能支援多種無線技術。該模組於現場重新設定後，就能同時與ZigBee及藍牙裝置進行通訊。

Sub-1GHz無線MCU，可於315MHz、433MHz、470MHz、500MHz、868MHz、915MHz和920MHz的ISM頻帶下運作，電池使用壽命長達20年，適合建築與工廠自動化、警報與保全、智慧電網、無線感測網路等應用。

另一款雙頻無線MCU，在單一晶片整合了長距離Sub-1GHz與藍牙低功耗。是一款支援2.4GHz和Sub-1GHz兩個不同無線頻帶的量產裝置。無線MCU在Sub-1GHz下運作時使用與CISM頻帶，而且經過特殊設計，以透過藍牙低功耗技術的實作(像是微定位訊號發射器(信標)、無線更新、智慧功能驗證、遠端顯示器等)擴充Sub-1GHz網路功能。經由不同產品線的搭配，SimpleLink平台將滿足任何設計的需求。

多處理器達成高效能低功耗要求

許多智慧感測應用僅靠一顆鈕扣電池，持續運作數年不間斷。有些其它設計甚至沒有電池，必須利用能源採集技術取得有限的電量以維持運作。尤其是穿戴式裝置應用，對耗電量更是錙銖必較。

SimpleLink平台的創新功能之一，就是整合多個處理器，提供不同等級的運算能力，讓智慧感測應用平台能夠執行各種類型的工作。SimpleLink無線MCU利用適當的處理器來執行待處理的工作，進而能夠以最低功耗來運作。

．應用處理器

ARM Cortex-M3是SimpleLink平台的處理器核心，提供了可智慧管理感測器系統之獨立MCU運作時的所需效能。Cortex-M3具備充足的處理能力，可處理應用與高階堆疊功能，擁有48MIPS處理能力，同時又極為節能。

．無線處理器

SimpleLink平台亦整合Cortex-M0，專門用來管理系統所有的低階無線工作，讓主要CPU不必再處理時間緊迫的工作。

．感測控制器

這個整合式MCU能快速且有效地處理感測器的監控工作，處理能力足夠用於資料取樣和做出簡單的感測器判斷。此外，其記憶體容量有限，也沒有額外的周邊設備，因此節能效率相當優異，適合定期抽查感測器及判斷是否發生閾值事件，還能避免在非必要時喚醒主要CPU。

供應商提供操作及連接無線所需要的軟體，透過SimpleLink無線MCU簡化了設計。此種簡化的無線設計讓開發人員只需要裝入合適的SimpleLink裝置，不需大量配置或調整，便能馬上開始使用無線功能。為此，無線控制器內建了最佳化的執行程式碼，可讓無線運作達到最高效率。

感測控制器的工作包括監控感應器、作出判斷，並依照特定應用採取行動，因此開發人員必須要能對控制器的運作進行配置設定。軟體開發工具Sensor Controller Studio，讓使用者用以設定感測控制器。不需要編寫任何程式碼，便能設定讓感測控制器執行常見工作；而針對需要自訂程式碼的應用，也可透過類似C語言的腳本程式語言來支援。Sensor Controller Studio為加快開發速度，直接使用感測控制器執行測試及除錯功能，進而即時以視覺圖像方式呈現感應器資料與演算法驗證內容。

感測控制器另一項重要優勢是，其已整合於主要CPU。感測控制器的實作傳統上會使用效能較弱的次要MCU，以便卸除主要應用處理器的工作負載。其主要電源優勢來自應用處理器可立刻進入休眠模式，而改由能源效率較高的控制器來監控及管理感測器。

但這些次要MCU外接於應用處理器，因此開發人員必須針對兩個處理器之間的通訊進行設計並管理。還必須執行中斷功能，才能讓控制器具備喚醒應用處理器的功能。

SimpleLink平台的獨特性在於其整合感測控制器的方式(圖2)，使其具備電源效率方面的所有優勢，但又不會提高設計複雜度。整合感測控制器、無線MCU與應用處理器於同一晶片後，軟硬體的設計得以大幅簡化，也能進一步提升電源效率。

圖2 將感測器控制器、無線電與MCU整合到同一封裝內，大幅簡化硬體設計，更進一步提升電源效率。

供應商的長遠目標是創造方便編程的無線MCU，避免嘗試整合PHY與堆疊時常見的難題。在ARM Cortex-M3上執行應用程式碼，而ARM Cortex-M3正是許多設計人員已經熟悉的標準MCU。簡化RF與天線的設計，同時兼顧可靠性和效能。內建安全功能，隨時可供執行的通訊協定堆疊。

若要搭配開發工具與第三方生態系統，開發人員可選擇使用Code Composer Studio整合式開發環境或IAR Embedded Workbench等設計環境。還有為平台設計的評估套件，能加速推動設計。

(Karl Torvmark任職德州儀器無線連接解決方案策略行銷部，Jeanna Copley為德州儀器無線連接解決