为设计选择无线片上系统(SoC)并不容易。这需要仔细考虑几个因素，包括功耗、尺寸和成本。SoC还需要为物联网应用和网络提供正确的无线协议，这就要考虑范围、延迟和吞吐量等因素。
为确保物联网设计针对应用而进行优化，一种方法是仔细考虑对无线SoC的选择。这还需要仔细评估设计的关键要求——包括电池寿命、计算和内存资源以及占用空间——因为根据应用的不同，会有性能权衡。
设计人员在为其产品选择无线SoC时需要考虑很多因素，恩智浦半导体公司(NXP)无线连接、安全连接边缘产品营销经理Max Palumbo表示。“就选择什么器件或架构而言，没有正确的答案，因为这取决于产品设计人员为满足最终客户需求所做出的一系列工程权衡。”他补充说。
恩智浦半导体无线连接、安全连接边缘产品营销经理Max Palumbo
业界还一致认为，具有全面支持工具和服务的强大开发生态系统至关重要。这些产品和原型设计工具及服务可以帮助设计人员缩短上市时间并降低成本。
因此，让我们来解决工程师在为其物联网设计选择无线SoC时所应考虑的一些首要设计问题，以及一些最大的挑战和权衡。
大多数无线SoC制造商都认为，应用需求决定了无线SoC的选择，并有助于缩小物联网设计的选择范围。他们认为，最关键的因素之一是功耗，其次是许多其他考虑因素，例如无线协议、性能、成本、尺寸、工具支持和易于集成。
虽然功耗被认为是选择无线SoC的最关键因素之一，但无线协议的选择取决于应用。
最终应用决定了优先级，Synaptics公司无线连接产品营销高级总监Brandon Bae表示。
他列举了几个应用示例，其中设计优先级决定了无线SoC的选择。
“例如，如果是电池供电的设备，例如具有单一蓝牙连接的可穿戴设备，则其可能会选用我们的SYN20703P单芯片蓝牙收发器和基带处理器。”Bae解释道，“如果是无人机，则其可能需要用我们的SYN43400 Wi-Fi SoC，因为功耗、尺寸和重量非常重要，开发人员必须根据其上市策略做出决定。”
“无人机可能还需要提供Wi-Fi和蓝牙，”他补充道，“到那时，该应用所需的无线接口数量就变得很重要，而集成了两者的SoC通常是最好的方法。我们的SYN43756——具有集成式蓝牙5.2的单芯片IEEE 802.11ax 2×2 MAC/基带/无线电——是种很好的解决方案。”
Bae还指出：“可以将应用依赖性推断为包括物联网的聚合点或网关，其中将多个异构无线网络聚集在一起。”这将受益于更高水平的集成，包括蓝牙、Wi-Fi和Zigbee/Thread(IEEE 802.15.4 PHY)，例如Triple Combo SYN4381无线SoC所提供的集成，他表示。
Silicon Labs公司无线产品营销高级总监Hiram Sogani对此表示赞同，他指出：“每种无线协议都扮演着不同的角色，而在为物联网设备选定一个或多个这些协议时，最终应用用例最为重要。”
Sogani表示，为物联网设备选择无线SoC有几项关键因素，具体因应用而异。他的前五项考虑因素对各种物联网设备都很重要，其中包括无线协议；安全；电池寿命；硬件和软件支持，包括外设、GPIO、IDE支持、云支持和网络/无线堆栈集成；在将操作系统、网络堆栈和无线堆栈集成到无线SoC之后，该应用可用的计算和内存资源。
对于无线协议，具体要求包括应用吞吐量、延迟、网络节点数量和范围。他表示：“随着将越来越多的功能集成到设备中，物联网设备每天都变得越来越复杂。向物联网设备添加无线功能会增加复杂性。物联网设备中使用了许多无线协议，包括Wi-Fi、蓝牙、BLE、Zigbee、Thread、Z-Wave和蜂窝网络。为特定设备选择无线通信协议取决于应用、尺寸、成本、功率和其他几个因素。”
Sogani举了几个例子，其中应用和性能要求是决策的关键。
“BLE是用于家庭温度传感器的一种很好的协议，因为它功耗低，成本低于其他一些协议，并且它在典型的家庭环境中提供了必要的范围。”他表示，“NFC提供最低的吞吐量和最短的距离，使其成为了非接触式支付类应用的理想选择。Wi-Fi提供了多种应用所需的更高的应用吞吐量，例如安防摄像头。”
大多数芯片制造商都认为，无线SoC可以通过集成不同的无线协议并处理多种协议之间的共存挑战来简化设计。它们还可以节省空间，这是许多物联网设计中的一个关键问题。但是，在某些用例中，分立式解决方案可以在性能和成本方面提供最佳价值。
“无线SoC的好处很多，包括可确保经过验证的设计、更短的上市时间、更小的整体占板面积、更低的物料清单(BOM)和库存管理成本。”Synaptics的Bae表示，“这些优势几乎适用于所有终端应用，但在某些情况下，如果客户有特定要求并且拥有相应的RF设计技能和资源，则分立式解决方案可能效果更好。”
NXP的Palumbo表示：“在确定如何设计包含无线连接的最终产品时，产品设计人员必须做出的首要决定之一是，他们是使用单一的集成式无线SoC还是将无线与处理器分开。需要做出的一个同样重要的决定是将使用哪种操作系统。操作系统的决定将使设计人员迅速转向成本更低、基于RTOS的MCU，或者转向更大、更具扩展性、基于Linux的处理器。”
集成式无线SoC体积更小，并且由于集成而可能成本更低，从而使最终产品设计人员能够提供更小的产品或更具创新性的外形，Palumbo表示。
“然而，集成式无线SoC的挑战在于，设计人员缺乏独立优化计算性能或无线性能的灵活性，而且无线SoC本身的功能是不变的，因此没有那么多的能力来优化产品中的单独元器件。”他表示。
无论是使用集成式解决方案还是分立式解决方案，功耗仍然是受系统架构和用例影响的关键因素。“这意味着在某些情况下，涉及独立无线电和处理器芯片的多芯片解决方案可能更容易优化。”Palumbo表示，“在其他情况下，无线处理器可能会为特定应用和用例提供所需的所有必要的灵活性。”
Palumbo提供了一些关键示例，用来说明功耗在其中起着关键作用。“例如，传感器或执行器等简单的终端应用具有较低的通信占空比并且不执行任何辅助网络功能，例如路由，设计人员在使用集成式无线SoC时会发现其功耗最低。”这种类型的应用可以通过NXP的K32W148无线MCU等器件来解决。
“然而，对于更复杂的设备——例如恒温器，其中数据包路由是终端设备和目标生态系统整体用户体验的重要特征——分立式解决方案则可能功耗更低，”他表示，“如果将网络协处理器(NCP)与主计算SoC一起包含在内，那么这就可以卸载掉网络堆栈，因此只需要协处理器本身即可唤醒路由数据包。”
在此示例中，可以将i.MX 8M Mini等恩智浦i.MX微处理器用作计算SoC，将恩智浦RW612无线MCU用作NCP，并将IW612三无线电解决方案用作无线电协处理器。“这有助于显著降低系统的功耗——特别是在将NCP与基于Linux的微处理器一起用作主要计算平台时。”Palumbo表示。
产品设计人员必须分析这些权衡，并对他们希望为客户带来的价值选择最有意义的架构，他补充说。
根据无线SoC制造商的说法，无线集成可能非常具有挑战性，特别是在与RF电路相关时，并且所有权衡取舍都取决于用例。
其挑战通常在于解决方案的无线电集成部分，以提供优质的产品性能并满足监管和协议认证要求，意法半导体公司(ST)无线产品线营销经理Nathalie Vallespin表示。
意法半导体无线产品线营销经理Nathalie Vallespin
“由于大多数首先转向无线解决方案的客户都不是RF专家，因此无线SoC简化了集成阶段，进而就简化并加速了他们的开发和生产。”她表示，“集成式的SoC解决方案也简化了最终客户的产品采购，并且可以使用包含整个参考设计在内的模块而进一步实现简化。”
此外，Vallespin表示：“SoC还可以确保无线电协议和应用的功率和性能水平更高效，而多芯片解决方案则会产生连接接口限制和软件管理的复杂性。为了保持主机和无线电运行以实现正常通信，分立式/多芯片方法也可能导致过度消耗。”
Synaptics的Bae表示RF存在许多挑战，但“可以通过仔细考虑电路板布局、接地、设计中其他数字IC的相对定位以避免干扰，以及天线布局和布线来解决这些挑战。除了布局之外，设计人员或开发人员还需要认识到电源开关、其他电磁干扰源和外壳材料选择对SoC的影响。”
无线SoC集成可能变得具有挑战性，具体取决于它所支持的无线协议数量和用例，Silicon Labs的Sogani表示。
他列举了几项挑战，包括硬件集成(天线放置、RF设计等)、软件开发(无线堆栈、网络堆栈、云连接、应用程序开发)、RF测试(包括极端条件)、互操作性测试(与其应该连接到的其他设备)、无线共存(多种协议需要共存)、生产测试(最小化测试时间和产量)、监管认证(对于要支持的国家)、协议合规性(对于集成在设备中的协议)、功率优化(基于电池要求)、系统安全(确保设备和数据安全)和解决方案成本(基于目标)。
设计人员需要在每一步都做出权衡，以在各种参数之间进行优化，而所有这些权衡最终都是由应用用例所驱动，Sogani表示。
“随着物联网设备需要支持多种协议，无线SoC通过将这些协议集成起来并在内部处理同一ISM频段上多种协议之间的共存挑战，提供了一种集成式解决方案来简化设计，并且不必担心管理和担心多种设备的射频设计。”他补充道，“这有助于实现更快的开发周期和各种协议之间更无缝的功能。终端应用确实发挥了作用，因为虽然可以对更简单的应用使用分立式芯片，但随着应用变得复杂，使用集成式解决方案就更有意义了。”
Vallespin表示，了解和选择最适合应用和市场需求的正确技术是一项关键挑战。另一项挑战是了解所选的无线电协议，然后选择正确的硬件(天线、路由、BOM选择)和匹配的软件，这可能取决于每种技术，她表示。
关键的权衡是在价格与功能之间实现平衡，以及进行架构选择——是采用主机+协处理器的方法还是采用单个应用处理器，Vallespin补充说。
除了性能问题之外，开发和设计支持以及持续可用性等供应链问题，也是许多物联网设计人员的首要任务。
关键问题包括产品及其开发生态系统是否能有效缩短上市时间和成本，以及产品和原型制作工具的可用性和产品的长期可用性，Vallespin表示。
设计人员还需要了解几个问题，例如是否可以保证只要其产品在售就可以买到该SoC，该SoC的路线图情况，以及它是否符合其产品开发计划，是否能提供足够的支持，包括文档、生态系统和联系人，以便确保成功，她补充说。
NXP的Palumbo认为寿命要求是权衡因素的一部分。
“一旦产品发货，硬件本身就不会改变，但是最终客户可能希望在购买到该产品后的一段时间内继续得到其支持和更新。”Palumbo表示，“选择器件和产品架构时，产品设计人员要能在产品生命周期内对其提供更新，是一个越来越重要的标准。”
软件架构也是选择无线SoC时的另一个关键考虑因素。Palumbo表示：“无论产品架构如何——无论是集成式无线SoC还是分立式——这些SoC的软件工具和环境都与硬件同等重要。无论该器件是基于Linux、基于Android还是基于RTOS——即使不考虑从无数可用解决方案中选择使用哪种RTOS的问题——都会对最终产品产生巨大影响。”
（原文刊登于EDN姊妹网站EE Times，参考链接：How to Select Wireless SoCs for Your IoT Designs，由Franklin Zhao编译。）
本文为《电子技术设计》2023年4月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里。
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