指定支持 Wi-Fi 的 MCU 时的注意事项

2021-09-11

指定支持 Wi-Fi 的 MCU 时的注意事项

在工业物(wù)联网的演进过程中，我们看到人们更喜欢执行更多(duō)功能(néng)的单个 SoC，而不是使用(yòng)多(duō)个分(fēn)立器件。这是因為(wèi)单个 SoC 具有(yǒu)多(duō)种优势，包括更小(xiǎo)的材料清单、更低的设计风险和更小(xiǎo)的占用(yòng)空间。让我们以 Wi-Fi MCU 為(wèi)例。它通过将 Wi-Fi 连接与处理(lǐ)器和 GPIO 集成在一起，支持多(duō)种应用(yòng)。在指定特定的 Wi-Fi MCU 之前，有(yǒu)几个因素需要考虑。在做出选择之前，了解不同的选项很(hěn)重要。

虽然市场上有(yǒu)低成本的 Wi-Fi 连接选项，但它们通常会在提供的外围设备数量上有(yǒu)所妥协。这使得选择变得困难，因為(wèi)强大的 Wi-Fi 连接和高性能(néng) MCU 功能(néng)既是必不可(kě)少的参数，又(yòu)会影响项目设计速度和有(yǒu)效性。

鉴于 MCU 是 Wi-Fi MCU 的核心，重要的是将项目的正确选择开始归零，以避免在软件重新(xīn)设计和中途更改配置方面进行不必要的返工。

模数转换 (ADC) 的作用(yòng)

尽管它是模拟输入之后信号链中的第一个处理(lǐ)组件，但大多(duō)数人在指定 Wi-Fi MCU 时往往会忽略模数转换的重要性。由于其性能(néng)会影响整个系统的功能(néng)，因此了解 ADC 的关键指标是关键。  

虽然设计人员通常关注 ADC 的位数，但可(kě)用(yòng)于执行转换的有(yǒu)效位数 (ENOB) 是一个更重要的指标。这是因為(wèi)在实践中，实际位数低于数据表规范，有(yǒu)时甚至低于数据表规范。ENOB 和数据表规格之间的匹配越接近越好。可(kě)用(yòng)于执行转换的位数越少，意味着 SoC 表示输入信号的精度越低。

此外，与所有(yǒu)電(diàn)子设备一样，ADC 可(kě)能(néng)会产生由量化和时序以及偏移、增益和線(xiàn)性度变化引起的误差。ADC 也是出了名的敏感温度波动，这在工业物(wù)联网操作环境中很(hěn)常见（见图 1）。如果可(kě)能(néng)，从 Wi-Fi MCU 制造商(shāng)那里收集有(yǒu)关 ENOB、温度性能(néng)、線(xiàn)性度和精度的详细信息是重要的一步。

图 1. 低级 ADC 的精度和線(xiàn)性度较差，并且对环境和温度敏感。

支持外设

通常情况下，Wi-Fi MCU 支持的接口标准数量可(kě)能(néng)不足，尤其是当工程师尝试使用(yòng)一个 Wi-Fi MCU 的不同设计时。

这个问题在物(wù)联网系统的情况下更為(wèi)明显，因為(wèi)它们涉及由不同制造商(shāng)在不同时间构建的各种机器和控制器。随着系统的增長(cháng)和添加更多(duō)的接口，这个问题会变得更糟。

如果 SoC 有(yǒu)空闲的 GPIO，则可(kě)以选择添加更多(duō)继電(diàn)器、开关和其他(tā)可(kě)以通过很(hěn)少或没有(yǒu)引脚共享进行控制的组件。為(wèi)确保现在和可(kě)预见的将来几乎可(kě)以适应所有(yǒu)场景，建议设备必须配备支持的接口，例如以太网 MAC、USB、CAN、CAN-FD、SPI、I 2 C、SQI、UART ，和 JTAG（以及可(kě)能(néng)的触摸发送和显示支持）。

安全从内部开始

虽然安全性对于每个 IoT 应用(yòng)程序都至关重要，但在工业场景中则更為(wèi)重要。这是因為(wèi)任何进入工业物(wù)联网网络的威胁都可(kě)能(néng)传播到整个设施甚至整个公司。因此，确保在 MCU 的集成加密引擎内实现所需的第一级安全性绝对至关重要。在这里，加密和认证可(kě)以顺序或并行执行。AES 加密的密码可(kě)以具有(yǒu)高达 256 位的密钥大小(xiǎo)、DES 和 TDES。身份验证应包括 SHA-1 和 SHA-256 以及 MD-5。

设计师最具挑战性的任務(wù)之一是為(wèi)云服務(wù)配置他(tā)们的产品。这是因為(wèi)每个云服務(wù)提供商(shāng)都有(yǒu)自己的认证和密钥。為(wèi)它们配置需要大量有(yǒu)关加密的知识。幸运的是，Microchip Technology 等制造商(shāng)可(kě)以帮助简化这一过程，从而节省大量时间和金钱。这使得安全和供应需求可(kě)以通过经过验证和验证的方法得到满足，并且混淆最小(xiǎo)，同时从设计过程中缩短数周或更長(cháng)时间。 

大多(duō)数 Wi-Fi MCU 将凭据存储在闪存中，数据可(kě)访问且容易受到软件和物(wù)理(lǐ)攻击。将此信息存储在硬编码的安全元素中可(kě)确保最高的安全性，因為(wèi)无法从任何外部软件读取其中的数据。一个很(hěn)好的例子是 Microchip 的 WFI32 Wi-Fi MCU（图 2），它在公司的 Trust&GO 平台中采用(yòng)了这种方法。它允许对其 MCU 进行安全配置，以连接到 AWS IoT、Google Cloud、Microsoft Azure 和第三方 TLS 网络。

图 2. WFI32 Wi-Fi 模块通过将凭据存储在硬件中来隔离凭据，使其几乎不受黑客攻击。

在预先配置、预先配置或自定义的安全元件中，凭证在制造期间在设备的硬件安全模块 (HSM) 内生成，从而防止它们在生产期间和之后暴露。Trust&Go 平台可(kě)以与廉价的 Microchip 开发套件一起使用(yòng)，该套件為(wèi)设计人员提供了一个设计套件，其中包含教程和代码示例，以创建所需的清单文(wén)件。一旦应用(yòng)程序中安全元件的 C 代码的工作得到确认，就可(kě)以将设计发送到生产阶段。

Wi-Fi 联盟认证的最新(xīn) Wi-Fi 安全性是另一个安全考虑。在最新(xīn)版本的 WPA3 中，它建立在其前身 WPA2 的基础上，增加了一些功能(néng)，可(kě)简化 Wi-Fi 安全性、实现更强大的身份验证、提供更高的加密强度并保持网络弹性。所有(yǒu)新(xīn)设备都必须通过 WPA3 认证才能(néng)使用(yòng) Wi-Fi 联盟徽标。因此，每个 Wi-Fi 芯片和 Wi-Fi MCU 都需要经过认证才能(néng)获得最大的安全性。因此，确保您的候选 Wi-Fi MCU 获得 WPA3 认证是重要的一步。

确保互操作性

RF 或软件不匹配等因素会阻碍 Wi-Fi MCU 与市场上某些接入点进行通信的能(néng)力。未能(néng)连接到流行的接入点可(kě)能(néng)会损害公司的声誉。虽然确保 Wi-Fi MCU 与地球上每个接入点 (AP) 的互操作性实际上是不可(kě)能(néng)的，但与市场上最流行的 AP 的互操作性测试很(hěn)重要。从制造商(shāng)的网站或通过明确要求获取信息是决策过程的重要组成部分(fēn)。  

你需要帮助

以综合集成开发环境 (IDE) 平台形式提供的设计支持是最后一块拼图。理(lǐ)想情况下，制造商(shāng)应该提供一个全面的 IDE图 3，其中列出了 Wi-Fi MCU 执行的每个模拟和数字功能(néng)，以及外部组件在特定应用(yòng)实现中的作用(yòng)。此外，它还应包括可(kě)视化设计更改对整體(tǐ)性能(néng)的影响以及评估设计的 RF 性能(néng)和法规遵从性的能(néng)力的方法

没有(yǒu)这个，设计师只能(néng)根据在線(xiàn)研究使用(yòng)次优资源即兴创作。例如，一些 Wi-Fi MCU 制造商(shāng)不再提供有(yǒu)关产品的基本细节和原型制作说明，而不是提供将其从这个阶段转移到生产阶段所需的信息。虽然一些基本工具是免费的，但其他(tā)一些工具（例如设计用(yòng)于服務(wù)于制造商(shāng) Wi-Fi MCU 系列的评估板）则以适中的成本提供。

图 3. 像这样的集成开发通过為(wèi)设计人员提供从原型阶段到成品的调试和其他(tā)工具来降低风险。

概括

随着物(wù)联网设备的激增将更多(duō)的处理(lǐ)能(néng)力转移到边缘，而不是仅限于基于云的数据中心，在最少的空间和组件中集成更多(duō)功能(néng)的能(néng)力变得很(hěn)重要。Wi-Fi MCU 在实现这一目标方面发挥着重要作用(yòng)，因為(wèi)它在单个设备中集成了多(duō)种功能(néng)，无需特定功能(néng)的分(fēn)立元件。

将这些设备集成到嵌入式物(wù)联网子系统中可(kě)能(néng)相当简单；尽管取决于是否有(yǒu)足够的资源，例如高度的安全性。此外，基于云服務(wù)提供商(shāng)规范的直接配置方法以及引导设计人员从原型到生产的综合 IDE 也很(hěn)重要。