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物联网实现 仍待通讯协议成熟
MCU硬件发展大致抵定

【作者: 姚嘉洋】2014年04月22日 星期二

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物联网这个议题一路发展到现在,虽然已经不若当初一开始那样的热络,不过就概念与应用上,的确有了较为具体的发展方向,业者若想要投入也会有较为明确的目标。


而对半导体业者来说,受惠最大的,莫过于你我最为熟悉的MCU(微控制器)厂商,因为物联网涵盖的范围实在太大,而MCU本身又是一种无所不在的超小型计算机,在日常生活中只要仔细观察,都会有MCU的身影。而物联网本身就是为了人们的生活可以拥有更高的质量与便利性而衍生出来的概念应用,MCU也就理所当然地成了重要的角色之一。


ARM架构显露锋芒

回归MCU在物联网市场的发展,就架构的类别区分大致上有:MSP430、ARM的Cortex-M、8051与瑞萨科技的自有架构等,想当然的,这些阵营的业者对于物联网市场在投入的行动上是相当积极的。TI(德州仪器)亚洲区市场开发经理陈俊宏谈到,就他观察,物联网讨论到现在,市场才开始进入成长阶段,所以即便诸多MCU业者大举投入的情况下,像是常见的8051、ARM的Cortex-M0与自家的MSP430架构在市场的比重上,也没有一个大略的数字可供参考,再加上物联网涵盖的范畴太大,整个市场就呈现一个混沌不明的情况,但唯一能确定的是,物联网的确是处在成长的阶段。


过往在8位市场都有相当稳定表现的Silicon Lab,为了投入32位市场,破天荒采用了ARM的Cortex-M3架构,但在8位领域,却丝毫没有让步的打算。Silicon Lab微控制器产品营销总监Daniel Cooley接受本刊越洋采访时表示:「我们肯定看到了ARM架构在嵌入式市场上迅速成长。」


不过,Daniel Cooley谈到,尽管有人相信基于ARM的MCU对8位架构变得更有成本竞争力,ARM的Cortex-M0/0+核心很快就会取代8位架构。但他直言,8位MCU在未来许多年内将继续保有健全而稳定的市场。包含开发工具的8位解决方案有非常庞大的安装基础,有很多开发人员也用惯了8位架构,但16位架构,就有机会逐渐被ARM的32位架构所压倒。总体而言,我们看到了ARM架构的MCU的市场在稳定成长,8位的市场持稳,16位的市场则在下滑。


同样的,飞思卡尔微控制器事业部亚太区市场营销和业务拓展经理王维也呼应了Daniel Cooley的说法,整个市场还是以8位架构的MCU为主。随着物联网终端产品在功能和性能上的提升和扩展,32位ARM Cortex-M0+的广泛应用是大势所趋。


不过,陈俊宏同意,由于ARM的Cortex-M0同样也是属于32位架构,若是要处理RTOS(实时操作系统)或是通讯协议会相对容易许多,但传统的8051架构恐怕就会稍嫌吃力,大体来看,还是端看应用层面为何来决定MCU架构会较为适合。然而,大体上,只要是针对物联网终端应用,不论是哪一家业者都会同意,除了MCU本身以外,必须搭配通讯与感测模块,才是一个完整的物联网终端装置。陈俊宏也认为,物联网专用的芯片将会朝向高度整合的方向发展,虽然说分开设计对于系统设计来说有一定的弹性在,但加以整合后,对于处理通讯协议上会有一定程度的帮助,再加上面积方面的要求,高度整合应该是不可避免的趋势。



图一: 就MCU市场来说,ARM架构的能见度已日渐攀升,这一点在物联网应用同样也不例外。 (Source:NXP)
图一: 就MCU市场来说,ARM架构的能见度已日渐攀升,这一点在物联网应用同样也不例外。 (Source:NXP)

通讯协议多元 物联网系统设计有难度

而前面所提到的通讯协议,是撇除硬件方面后最为关键的地方。王维举例谈到,以Zigbee的profile来说,Smart Energy profile所需的ROM随着应用要求的不同,可能要256甚至512K或者更大,但在Zigbee Light Link Profile,所需的ROM大致为256K以下。Daniel Cooley则是指出,在以太网络线或电力线传输不易连上的联机装置中,加入无线链接能力是物联网在设计上的挑战,但可透过具无线射频专长的嵌入式开发人员来解决。


「我们相信,没有一种无线或有线技术能应付物联网在整个网络上的所有需求。」Daniel Cooley说。


如果要开发出符合成本效益的物联网产品,工程师就必须为应用选择最佳的无线技术。因此,物联网会涵盖各式各样的标准式无线协议。装置如果要能通行因特网,也需要支持通讯频道的网络协议(IP)。虽然Wi-Fi原本就支持IP,并适用于智能型手机、平板和个人计算机,但就由电池所带动的联机装置来说,它太过耗电。对于不必直接与用户互动的低带宽应用,反倒是2.4 GHz的ZigBee(由ZigBee联盟首创的开放式无线协议)、蓝牙和sub-GHz的无线电技术就提供了低功耗的无线链接,这就很容易整合到嵌入式系统里。


陈俊宏也表示,尽管ZigBee技术在自动化与绿能产业为其主流,但光是ZigBee联盟针对不同的应用领域就各自衍生出对应的通讯协议,如何让硬件与通讯协议达到优化,本身就是要去思考的课题。陈俊宏更直言,硬件与协议之间的搭配,其实才是系统功耗表现的真正关键。


王维则是认为,现在急需解决的问题是不同通讯标准之间的共融共通。这样才能将物联网真正推广到更广泛的商用环境。因此,飞思卡尔目前也在网关端构建开放的统一开发平台,在实现通信信息共融共通的基础上,提供数据传输的安全服务。


通讯协议过多的问题,引来诸多MCU业者的重视,但产业界并非没有人在积极处理此事,像是ARM与高通,近期针对物联网的标准统一都开始有些行动,希望能透过这些作法,为该问题达到一定程度的解决。



图二 : 为了因应实际环境,造就了通讯协议混乱的情况,如何能让终端装置的设计与开发让装置互联更有效率,成为产业界急需解决的问题。(Source:fieldcommunicationlounge.com)
图二 : 为了因应实际环境,造就了通讯协议混乱的情况,如何能让终端装置的设计与开发让装置互联更有效率,成为产业界急需解决的问题。(Source:fieldcommunicationlounge.com)

回归基本面与低功耗诉求

而在MCU规格方面,由于通讯协议的不同,而导致于内存在搭载上不一而足,对此,陈俊宏提供一个范围供其参考:Flash大致上为128K至256K,SRAM则为16K至32K不等。


而外围规格方面,ADC(模拟数字信号转换器)的功耗表现一直也是产业界所重视的问题,陈俊宏以自家产品为例,旗下有12位的ADC在取样速度200ksps的情况下,其电源表现仅有90μA的水平。陈俊宏透露,物联网专用的MCU的发展,其实已经进入与无线射频组件高度整合的阶段,不管是ZigBee或是蓝牙都是如此,只需一颗组件就能完成设计。若再加上无线射频组件的功耗,一颗物联网专用的半导体组件在运作当下,其功耗应该不至于超过200μA。


Microchip资深产品市场经理Jason Tollefson谈到,物联网所涵盖的应用面向从居家到工业不等,因此一般要求的传感器与与ADC(模拟数字信号转换器)就必须负责数据的收集与产生,所以MCU本身就必须整合高精度的ADC。至于在传感器方面,可能也要借助模拟前端的组件协助,像是DAC(数字模拟信号转换器)与运算放大器等,以让讯号转换上能更加顺利。当然,为了能各部组件的沟通顺畅,基本的UART或是SPI等,也都是相当常见的接口。



图三 : MCU的硬件规格发至今,已经步入相对成熟的阶段,剩下的,就是如何在能源效率或是在性能上可以更为精进。(Source:飞思卡尔)
图三 : MCU的硬件规格发至今,已经步入相对成熟的阶段,剩下的,就是如何在能源效率或是在性能上可以更为精进。(Source:飞思卡尔)

(FOR美编:这张图有需要微调,再麻烦CALL我,谢谢。)


结论

归纳来看,物联网虽然已经发展了一段时间,即便硬件层面可说是达到相对成熟的阶段,但在通讯协议方面,仍会有多元甚至是混乱的情况出现,很明显的,此一问题应该是目前MCU与系统整合业者们希望迫切解决的问题。只要该问题能获得有效的改善,透过物联网所带来的生活便利,相信将不再只是空想而已。


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