地表最强无线MCU诞生!Dialog究竟是怎么做到的?

来源:华强电子网 作者: 时间:2019-03-01 10:33

无线 mcu DIALOG

  或许是偶然与时运的巧妙结合,BLE(Bluetooth Low Energy)技术的发展在过去多年里成功为我们解决了一系列低功耗、无屏幕设备与智能手机端的连接与交互等问题。时至今日,随着蓝牙技术在各行各业的应用普及,BLE技术也逐渐从幕后转向台前,在各类应用场景中发挥着更强、更广、更大的作用。


  这也使得BLE芯片从原来仅负责完成BLE功能,逐步发展为如今的向多核MCU内部进行集成的趋势,这为越来越多的MCU以及单片机厂商贡献了更多的市场机遇。作为全球连接技术领域多年以来的创新主导者和市场引领者,Dialog公司近年来在BLE市场也斩获颇丰,据记者获悉,公司目前对外公布的蓝牙低功耗SoC出货量已达到2.5亿套,年增长达到50%,并在全球市场份额占据第二名的高位。而今,为进一步巩固Dialog在全球BLE领域的市场地位,为客户提供更先进的蓝牙低功耗技术,Dialog于2月25日在北京正式举办了产品发布会,一并发布了DA1469X系列的四款产品,分别为DA14691、DA14695、DA14697和DA14699。

从2017到2021:IoT与汽车是BLE技术应用主场

  众所周知,蓝牙低功耗技术专注于一些不同的拓扑,其中包括点对点,一对多和mesh结构,主要针对低功耗和低数据传输率应用。据Gartner 2018年的市场报告显示,2017到2021年间,IoT(包括联网消费类应用、联网医疗设备、智能家居家电)以及汽车市场BLE应用的CAGR(年复合增长率)达到17%的水平,市场增长潜力巨大。

  Dialog半导体公司低功耗连接业务部总监Mark de clercq

  蓝牙低功耗产品领域,Dialog公司的产品组合也非常广泛,Dialog半导体公司低功耗连接业务部总监Mark de clercq告诉记者:“Dialog的产品不仅支持最新的蓝牙5.1标准,同时也能够支持通过蓝牙低功耗技术来传输高保真的(Hi-Fi)音频。我们的产品组合不仅包括针对简单应用的小型前端低功耗产品,也提供针对高端产品的集成度更高且更高端的产品系列。”

  Dialog公司BLE产品路线图

  从Dialog公司的产品路线图(如上)中可以看出,在2018年以前也就是BLE4.2的阶段,公司就已经拥有了分属于DA146xx和DA145xx系列的14680/1和14580/3两款支线产品;2018年,也就是BLE5.0时代,DA14680/1的基础上发展出了DA14682/3,而DA14580/3的基础上则发展出了DA14584/6;而今,在BLE5.1的赋能下,Dialog的全新多核系列DA1469x也得以正式发布,成为目前全球范围内最强大且最先进的无线MCU系列产品!

 从架构层剖析DA1469x 何以成全球最先进的无线MCU?

  如今,消费者对联网设备的需求正随着每个新产品的周期不断提高。而对于芯片厂商来说,为此不仅要及时跟上节奏,而且需要尽可能的预测到下一步市场的需求方向,并提早做好技术布局,Dialog半导体公司高级副总裁兼连接技术业务部总经理Sean McGrath表示:“我们的SmartBond无线微控制器在市场上不仅可以满足当今用户的需求,还能预测市场的发展方向,并为我们的客户在其下一个产品周期提供发展机会。与之前的产品相比,DA1469x系列的处理能力提高了一倍,可用资源增加了四倍,电池续航能力增加了一倍,成为迄今为止我们开发的最先进,功能最丰富的蓝牙产品之一。”

  更具体来讲,从芯片架构层面看,Dialog的设计在很多地方无疑都是独具匠心。Mark de clercq表示:“当看IoT产品基础的时候,我们发现客户在IoT相关产品上面主要寻求三项功能,分别是传感,处理和通信。为此我们选择了三颗处理器,每颗处理器能够分别以最优的方式来实现其相应的功能。”

  比如传感方面,Mark进一步解释到:“我们选择了可编程的DSP来处理传感器之间的数据通信。而对于计算密集型的应用,我们选择了Arm Cortex M33应用处理器,它具备DSP扩展,浮点单元等,通过复杂的应用和算法处理应用。在通信方面,我们有软件可编程协议引擎,它是基于Arm Cortex M0+,并支持蓝牙5.1标准及专有协议。”

亮点1:集成Arm Cortex M33应用处理器

  从M33的结构上来看,里面包括了浮点单元、内存保护单元以及DSP扩展。由图中可见,与之前的M4和M3相比,M33是Arm M系列里面最新的产品,具备更强的处理能力和更优的性能。

  Mark告诉记者:“Arm Cortex M33的计算是在内存里执行,而且是内存可扩展的。这意味着客户如果想要更多内存的话,可以选择扩展。”而且,DA1469x是全球首款量产的基于Arm Cortex M33的无线微控制器,M33的特性和能力在该产品中能够得到充分的体现与发挥。

  亮点2:高安全性

  在IoT领域,安全性一直都是一个热点话题。在安全方面,芯片端首先就是要确保IP的安全,很重要的是外部数据要能够得到验证,以及安全的booting等。

  Mark表示:“我们通过在QSPI闪存控制器当中增加安全选项,可以执行来自外部闪存的验证并加密的镜像。为了防止不想要的密钥访问,我们也有专用的分开的OTP安全密钥存储。密钥管理是在硬件中进行,同时还可以阻止从处理器或外部端口进行访问。所有安全功能都是在硬件中加速的,实现AES、哈希函数、真随机数生成器。这些功能是专用于处理器的,独立实现端到端的蓝牙数据加密,用蓝牙处理器自有的加密引擎来加密数据链路,这些功能是专属于处理器的。”

  另外,对于物理层面的安全攻击,DA1469x也能够很好的做出应对,Mark表示:"我们将安全密钥保存在独立一次性可编程(OTP)Block中,即使有人发起物理攻击,尝试从串行电路板或处理器去访问密钥,密钥是被屏蔽保护的,加密内核与串行电路和处理器是完全隔离的。这个安全性能可以允许一些应用无需添加外部安全元件,但是像银行级应用还会再多加一层外部的安全元素,实现更高级的安全特性,避免更复杂的物理攻击,比如芯片去层。"

亮点3:独一无二的电源与功率管理

  无论从电源管理还是功率管理方面看,DA1469x都是独一无二。记者获悉,DA1469x芯片是原生支持可充电电池,包括锂聚合物电池,锂离子电池,纽扣电池以及镍氢电池和碱性电池等,所有的内部电源管理都在芯片内部完成。

  当然,对于一些复杂的系统而言,一些外部元件也是需要供电的,Mark表示:"所以我们通过DC/DC降压转换器,实现给外部器件进行供电。外部器件无论是外部传感器,显示器或是其他芯片,通过我们的芯片可以进行电源的供电和控制。对于可充电电池,我们也在一些型号上实现了硬件USB充电器,无论是锂离子还是锂聚合物电池,意味着都不需要外部充电器了。"

  功率管理方面,这款芯片也十分优秀,Mark进一步解释道:"芯片内部我们有七个独立的电源域,独立的电源域可以在你需要的时候才提供电,比如说在你要用蓝牙的时候,只有蓝牙相关的电源域才会供电。而当你需要传感器的时候,只有传感器节点控制器会供电。根据每项不同的功能,可以保证用电量是最低的。"

客户为什么会选择Da1469x系列?

  需要强调的是,DA1469x是一个产品系列,而不仅仅只是一个产品。其中一些型号有针对通用MCU领域的,比如14691和14695;也有针对特定应用的,包括14697和14699。

  该产品系列是真正的单芯片系统解决方案,Mark表示,“因为它是高度集成的,所以使终端应用开发变得非常简单。而且,它能够帮助客户减少系统成本和占板空间,同时因为元件数量少了,使得生产的可靠性也得到了提高。如果详细看节省的PCB占板空间和成本,DA1469x基本上可以节省超过1美元的成本,以及30到40平方毫米的占板空间。有些应用的空间受限比较严重,那么30到40平方毫米的占板空间的节省是非常可观的数量。”

  当然,这款全球最先进的无线MCU的优势不止于此,除了上述以外,该产品还支持最新发布的蓝牙5.1标准,典型的应用比如5.1标准特性中的利用到达角度(AOA)和离开角度(AOD)进行寻向定位的重磅功能,像室内定位、物品追踪、门禁、以及无钥开锁等应用都将受益于这种新的5.1标准特性,创造出巨大的市场价值。

 蓝牙5.1新的能力:多天线测向技术

  在过去的应用中,一般来说只有通过三角定位才能够估算方向、只有一个设备只能知道距离而无法知道方向。但现在,只有一台设备也可以通过天线阵列来测定方向了。据蓝牙5.1新规范中的描述,蓝牙测向功能支持两种确定方向的方法,两者都基于天线阵列的到达角(AoA)和出发角(AoD)。

  AoA和AoD测向原理图

AoA角度测量

  该测量技术用在例如“蓝牙定位标签”的方式中,会使用单天线发射机(标签)传输特殊的测向信号。蓝牙接收设备(蓝牙基站)具有以阵列排列的多个天线。当传输的信号穿过阵列时,由于与天线中的每个天线的距离不同,每个天线接收的信号存在相位差。基于相位差和天线的位置,可以计算出蓝牙标签的方向,再结合信号强度即可得出蓝牙标签所在的位置。

  AoD角度测量

  用在"手机接收ibeacon信号"的方式中,蓝牙信标使用多个天线发送多组特殊信号,手机就是普通手机,只需要具有单个天线。当来自蓝牙信标的多个信号穿过接收设备中的天线时,手机收到多个不同的信号,根据不同的信号来计算相对方向。

  为了给现场媒体更直观的展现DA1469X基于AoA和AoD的寻向定位功能,Dialog还专程带来了实际的Demo演示。从演示中可以很直观的看出,DA1469X的寻向定位真的是非常精准。

  针对蓝牙5.1的应用,到达角和发射角的阵列天线设计是比较独特的,Mark表示:"我们提供非常清晰的应用笔记,以及天线的参考设计,使得客户可以模仿这些设计,确保设计出来的性能是最优的。在今天的演示当中也有配套的RF天线,我们也会公布该RF天线设计。"

  当然,为了更进一步支持蓝牙5.1的技术应用,Dialog还跟合作伙伴开发了一个模块。”这个来自AzureWave的DA14691模块特别适合没有太多RF技术经验但想用我们无线多核微控制器系列产品的客户。这个模块是完全经过认证的,客户可以直接使用这个模块,不需要再进行额外的认证。这个模块现在正在开发中,计划在今年第二季度开始量产。”Mark告诉记者。

  至于本次发布的几款产品,Dialog公司也表示这几个型号的产品现在都已经开始量产供货了。样品和开发套件,也已经可以通过全球经销商伙伴获得。所有的软件工具,目前也都可以从官网上获得。欲购从速,您还等什么呢?



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