利用低功耗多协议无线 SoC 简化安全线路供电式智能设备的设计

用于智能照明与楼宇自动化的物联网 (IoT) 设备正在经历快速演进，其角色已从简单的控制节点转变为功能丰富的互联系统。这些系统需要支持更高的计算需求、稳健的安全性能以及更高的射频 (RF) 性能。面对这一趋势，设计人员承受着日益增长的压力，需要在多协议连接、高级安全特性和功率效率等多样化需求之间取得平衡，同时还要努力降低物料清单 (BOM) 成本和系统复杂性。解决这些新兴物联网应用需求的关键在于采用先进的无线片上系统 (SoC) 器件。

本文旨在阐述新兴物联网设备和系统的设计人员所面临的挑战，然后介绍了 Silicon Labs 的下一代无线物联网 SoC 如何通过其超低功耗架构来应对这些挑战。该架构将高性能处理器与多个专用子系统相结合，提供了可行的解决方案。

多元化需求如何推动设备向更高集成度演进

在 LED 照明、智能插座和开关等应用中使用的线路供电式智能设备，正日益被期待在更短的开发周期内提供更丰富的功能。这些设备的设计人员面临着一系列苛刻要求：他们需要在集成更高处理能力、多种无线标准以及稳健安全性能的同时，严格控制 BOM 成本，并确保设备在持续运行环境中的行为可预测。

无线连接的复杂性加剧了这些压力。低功耗蓝牙 (BLE)、Zigbee、Thread 和 Matter 协议正越来越多地共存，这使得基于单一协议或多芯片架构的解决方案变得复杂。通过外部组件支持多种异构协议可能会拖慢开发进度并造成效率低下。因此，物联网设计已转向采用单片无线 SoC，例如 Silicon Labs 的 SiMG301/SiBG301 3 系无线 SoC（图 1）。这类芯片将应用处理、安全功能和无线电操作整合在单一器件内。

图 1：高级无线物联网 SoC 集成了整个功能栈，与早期的多芯片解决方案相比，实现了更高的设计效率。（图片来源：Silicon Labs）

这些 SoC 凭借其先进的架构，能够提供高性能、稳健的安全性和灵活的连接能力，从而让设计人员能够更有效地应对智能设备需求的快速变化。

集成式架构可满足新兴物联网应用的多元化需求

SixG301 系列集成了线路供电式智能设备所需的全部功能。为了满足日益复杂的计算要求，SixG301 SoC 基于 150 MHz 的 Arm Cortex-M33 处理器内核，带有数字信号处理 (DSP) 指令和浮点运算单元 (FPU)（图 2）。处理器子系统将该内核与片上随机存取存储器 (RAM)、共封装闪存、直接内存访问 (DMA) 控制器和调试接口结合在一起。该架构还通过用于连接、安全、能源管理、时钟、定时器和外设的专用硬件模块（包括针对 LED 照明的专用功能），为智能设备提供了全面的支持。

图 2：SixG301 无线 SoC 架构将应用处理、无线连接和安全性整合在一起，为线路供电式智能设备提供了可扩展的性能并降低了系统复杂性。（图片来源：Silicon Labs）

对于设计人员来说，SixG301 系列提供了一种可扩展的解决方案，可满足广泛的要求。为了实现以蓝牙连接为目标的智能设备设计，SiBG301 蓝牙 SoC 系列支持 BLE、蓝牙网状网络和专有 2.4 千兆赫 (GHz) 应用。SiMG301 多协议 SoC 系列除支持相同的蓝牙选项外，还增加了对 IEEE 802.15.4 物理层 (PHY) 和媒体访问控制层 (MAC) 的支持，适用于低数据速率无线网络，包括 Zigbee、Matter over Thread 和 OpenThread。在每个系列内部，不同型号还提供额外的配置选项，最高提供 512 KB 的 RAM 和 4 MB 的安全芯片内执行 (XIP) 四通道串行外设接口 (QSPI) 闪存。无论选择何种配置，所有 SixG301 SoC 系列成员都具有下一代物联网设备所需的相同核心能力。

高级物联网应用依赖于稳健的连接能力，而 SixG301 系列的设计即使在这些应用典型的高密度、易受干扰的环境中也能可靠地运行。该系列的低功耗无线 (LPW) 无线电（图 3）集成了无线电处理器内核、RAM 以及专用的发送和接收信号路径，提供了一个完整的连接子系统。

图 3：SixG301 SoC 的集成 LPW 射频子系统通过专用收发路径支持稳健的连接。（图片来源：Silicon Labs）

LPW 子系统旨在提供维持可靠连接所需的发射功率和接收器灵敏度。该子系统支持高达 +10 分贝 (dB) （以 1 毫瓦 (mW) (dBm) 为基准）的输出功率，可在天线布置和机箱限制条件苛刻的线路供电安装中实现可靠的链路裕度。在接收端，该无线电可提供以蓝牙为中心的多协议物联网设计所需的灵敏度。对于所有 SixG301 设备蓝牙/BLE 中使用的 125 千比特/秒 (kb/s) 高斯频移键控 (GFSK) 调制，接收灵敏度为 -106.8dBm。在 SiMG301 设备上使用 802.15.4 中的 250 kb/s 偏移正交相移键控 (O-QPSK) 调制时，接收灵敏度为 -106.3dBm

对安全和能效的不懈追求

灵活的无线连接选项是高级物联网应用的基础，但这些连接及物联网设备的安全性，则依赖于对基于硬件的稳健安全能力的不懈追求。SixG301 器件采用了基于硬件的安全架构，该架构构建于 Silicon Labs 的 Secure Vault High 之上，这是该公司多层级 Secure Vault 安全技术中的最高等级。它们已通过 PSA 4 级认证，这是平台安全架构认证框架的最高级别。要获得此认证，设备必须提供针对复杂软件和硬件攻击的稳健防护，包括可扩展的侧信道攻击和故障注入攻击，所有这些都包含在 Secure Vault High 层级中。

这种安全架构通过使用自带处理器的专用安全引擎来建立硬件信任根 (RoT)，从而将加密功能和敏感数据与主 Cortex-M33 应用内核隔离开来。这种隔离可确保即使应用软件受到破坏，加密密钥和安全关键操作仍然受到保护。Arm TrustZone 实现了安全代码执行与非安全代码执行之间的硬件级分离，而安全密钥管理则使用物理不可克隆功能 (PUF) 技术在开机时生成唯一密钥。为确保该密钥无法被提取或克隆，只有加密引擎才能看到该密钥，并且只能持续到设备断电为止。

使用 RoT 和安全加载器 (RTSL) 的安全引导可确保只有经过验证的固件才能执行，而经过验证的芯片内执行 (AXiP) 则将这种保护扩展到运行时代码验证。自主硬件加密加速器可卸载主处理器上的密码和协议。这些功能与 SixG301 的渗透保护功能相结合，可帮助设计人员构建安全、高性能的设备，以验证固件更新、保护凭证并维护物联网应用中的信任。

在支持持续运行、线路供电运行方面，以最小功耗为目标的能源管理也发挥着同样重要的作用。除了时钟和外设电源选通，SixG301 器件还提供多种执行模式，使设计人员能够动态地平衡性能和功耗。在活动模式 (EM0)下，主机处理器在所有外设和振荡源都可用的情况下执行代码，在 150 MHz 的同时循环中，通常每兆赫耗电 47 微安 (µA/MHz)，或在运行 CoreMark 时耗电 62 µA/MHz。睡眠模式 (EM1) 使所有外设保持可用，同时处理器处于非活动状态，但可在系统事件发生时快速唤醒。在该模式下，典型功耗降至 33 µA/MHz 或更低，具体取决于时钟配置。

在需要极低活动度的时段，关断模式 (EM4) 会关闭器件的大部分电路，在不使用备份实时计数器 (BURTC) 时，功耗可降至仅 0.26 µA；若 BURTC 由低频振荡器驱动运行，功耗则为 0.75 µA。

通过灵活运用这些模式，并结合可配置的时钟系统和外设电源管理，设计人员能够为其特定应用实现功耗与性能的最佳平衡。

集成模拟功能如何简化智能照明设备的设计

除了广泛的物联网应用日益需要的功能外，SixG301 器件还集成了明确适用于智能照明应用的模拟和电源功能。片上 LED 预驱动器 (LEDDRV) 子系统（图 4）旨在为单色和可调白光 LED 灯泡应用提供高能效解决方案，它集成了一个充电泵和两个栅极驱动器通道，可直接为场效应晶体管 (FET) 供电，从而取代专用驱动器芯片来控制暖白光和冷白光 LED 灯串。

图 4：LEDDRV 子系统提供高效 LED 电流调节所需的全套功能。（图片来源：Silicon Labs）

LEDDRV 外设提供控制信号和监控功能，包括电流监控和过流保护，简化了 LED 电流调节。例如，在典型的单通道 LED 照明应用中，设计人员只需将 LEDDRV 输出连接到驱动 LED 灯串的外部功率 FET（图 5），并使用通用输入/输出 (GPIO) 端口来检测交流电压、漏极电压和峰值电流。

图 5：集成 LEDDRV 外设与外部功率 FET 和传感电路相连接，用于调节可调白光照明应用中的 LED 电流。（图片来源：Silicon Labs）

在软件控制方面，处理器通过定时器块生成的两个脉宽调制 (PWM) 通道与 LEDDRV 块连接，从而实现精确调光和色温混合。这种方法能够让设计人员通过固件实现平滑的调光曲线并从暖白过渡到冷白。为了防止过热运行，设计人员还可以使用软件控制，根据能源管理单元集成温度传感器或外部传感器的测量结果禁用 LEDDRV 块。

LEDDRV 块还支持双驱动器和直接驱动器配置，让设计人员能够扩展基本的双通道设置或适应不同的功率级拓扑结构。通过将这些面向照明的功能直接嵌入 SoC，SixG301 器件帮助线路供电照明系统实现了更高的集成度、更低的 BOM 成本和更紧凑的设计。

利用评估和原型开发资源加速开发

Silicon Labs 为 SixG301 的开发提供了旨在加速评估与原型设计的硬件和软件资源。

SixG301 Explorer 套件 (SIXG301-EK2719A)（图 6）是一个 USB 供电式开发平台，为设计人员提供了一个紧凑、低成本的入门选择。该套件围绕一个具有 4 MB 闪存和 512 KB RAM 的 SiMG301 模块构建，为附加传感器和外设提供了插座与连接器。板载 J-Link 调试器带有虚拟 COM 端口和数据包跟踪接口，设计人员无需额外设备即可进行固件开发和无线电评估。

图 6：SIXG301-EK2719A 提供了一个紧凑的 USB 供电式开发平台，带有连接器和板载 J-Link 调试器，可实现快速原型开发。（图片来源：Silicon Labs）

为了实现更深入的开发和详细的性能表征，SixG301 闪存专业套件 (SIXG301-PK6037A)（图 7）将 SI-MB4002A BRD4002A 无线专业套件主板与带 4 Mb 闪存的 SIXG301-RB4407A 插入式无线电板，或带 8 Mbytes 闪存的 SIXG301-RB4408A 插入式无线电板组合在一起。主板提供集成调试、高级能量监测和全面的外设接口，用于系统级集成测试，而两块插入式无线电板均包含了具有 512 KB RAM 的 SiMG301、匹配网络和印刷电路板天线。

图 7：SixG301 闪存专业套件结合了功能丰富的主板、插入式无线电板以及用于调试和性能表征的端口。（图片来源：Silicon Labs）

SixG301 Explorer 套件和 SixG301 闪存专业套件均可与 Silicon Labs 的 Simplicity Studio 开发环境配合使用，该环境提供配置向导、示例项目和访问 Simplicity 软件开发套件 (SDK) 的权限。这些资源共同帮助设计人员高效地完成从初步评估、原型设计到生产就绪设计的整个过程。

结语

LED 照明、智能插头和开关等线路供电式智能设备的设计人员面临着越来越大的压力，他们必须以最低的成本提供高性能、高可靠性、多协议连接、强大的安全性和能效。Silicon Labs SiMG301 和 SiBG301 下一代 3 系无线 SoC 及其相关的开发工具，为应对这些需求提供了支持，并为快速开发奠定了可扩展的基础。