通过更智慧的节点确保物联网基础设施的完整性

物联网（IoT）基础设施可能会在多个方面受到影响。首先，在安装之前，物联网节点可能在交货或运输过程中受损。其后，由于这些节点所处的应用环境，它们可能会暴露在极其恶劣的条件下，极端高温、高湿度或振动都会对这些节点的长期执行构成潜在威胁。当然，它们也可能容易受到恶意的物理攻击或一系列不同型别的安全漏洞攻击。

有一句格言，一根链条的力量大小只由最薄弱的环节决定。现在，这可能不一定适用于所有型别的物联网基础设施，特别是那些利用mesh网络的基础设施。然而，尽管有许多节点及其自我修复功能，但这并不意味着如果任何特定节点发生故障，网络还拥有足够的冗余。如果考虑到全球部署的物联网装置数量庞大，确保持续网络完整性的任务就变得非常重要。MarketsandMarkets最近的研究表明，到2023年，运营中的物联网节点和闸道器数量将达到170多亿个，而其他分析公司预测该资料可能会更高。

随着这种庞大的物联网网络注定要在不久的将来推出，其中的节点必须变得更加智慧，它们需要能够进行自我检查，监控其电路是否存在任何故障迹象，并确保收集和传输资料的完整性。例如，配备加速度计的物联网节点在运输过程中如果掉落，加速度计将捕获跌落和撞击资料，然后唤醒微控制器单元（MCU）以执行计算确定跌到地板时的包装方向（例如平坦、在其边缘或其角落）。由此，可以确定包装是否已损坏，如果是，则通过IoT闸道器传输资讯，通知供应商或客户需要更换包装。在设计具有此功能的节点时，工程师必须考虑一些关键元素，如MCU、内存、电源管理和无线连线、以及所涉及的感测器等等。在本文中，我们将专注于讨论可支援自诊断功能的现代MCU，它们能够帮助识别节点何时损坏或损坏，然后着手采取适当的补救措施。

目前，大多数物联网应用都使用16位或32位MCU，具体取决于节点的复杂程度，可用功率和所需的资料吞吐量。需要运行复杂算法的终端节点或闸道器装置通常需要32位MCU，加密安全性（例如AES-256）也是现代物联网节点的关键要求。

高能效16位MCU

Microchip的PIC24E系列是高效能、通用型16位MCU，具有更高的程式码密度和3.3V时高达70MIPS的速度。这些器件能够提供CAN通讯、整合运算放大器、电机控制、USB OTG、卓越的ADC效能以及通过DMA通道的快速资料传输。它们采用小型封装（低至5mm x 5mm），具有可扩充套件内存（高达536kB）和扩充套件的工作温度范围（某些选项下可达150℃）。

图1：德州仪器MSP430 MCU。

德州仪器（TI）的MSP430系列超低功耗MCU具有超过25种封装配置，可提供不同的外设组合以满足各种不同应用的需求。该系列产品具有功能强大的16位RISC CPU，高达512kB的闪存和64kB的RAM，16位暂存器和相应机制，可最大限度地提高程式码效率。它们的数字控制振荡器能够在不到6μs的时间内从低功耗模式唤醒并进入工作模式。为了能够支援广泛的感测和测量功能组合，这些MCU集成了模拟和数字外设，可降低物料清单成本，简化设计并提高效能。所整合的功能包括资料转换器、运算放大器、比较器和定时器，以及电容式触控和超声波感应等更高阶的外设。这些MCU具有七种功耗小于100μA/MHz的低功耗模式、0.1μA RAM保持和低于1μA RTC模式（可延长电池寿命至20年以上）。

图2：ADI公司ADuCM3027/ADuCM3029超低功耗MCU。

面向IoT应用的32位MCU

ADI公司的ADuCM3027和ADuCM3029超低功耗MCU具有32位ARM Cortex-M3处理器核心，可直接配置以获得最佳效能和功耗特性，同时仍能够提供物联网应用中需要的关键安全和可靠性功能。这两款产品的不同仅仅在于闪存容量，分别可提供128kB和256kB（两种情况都包含ECC加密）。这些MCU专为医疗保健、建筑/工厂自动化、智慧农业和智慧能源等应用而设计，拥有245.5 ULPBench评分（基于嵌入式微处理器基准联盟（EEMBC）评估）。两种产品的功耗特性包括

恩智浦半导体（NXP Semiconductors）的LPC540 32位MCU将180MHz ARM Cortex-M4核心与独特的节能架构、先进的HMI功能和灵活的通讯外设相结合，能够为下一代物联网基础设施提供强大的实时效能。这些高灵活性MCU具有四SPI闪存界面、CANbus、图形LCD和多达11个通道用于FlexComm，可根据需求变化进行调整。该系列产品的彼此相容效能够为增强处理能力或新增更多外围装置提供无缝迁移路径。这些器件采用TFBGA180、TFBGA100、LQFP208和LQFP100封装，具有高达360KB的SRAM、四SPI闪存界面、以太网连线支援、TFT LCD控制器和两个CAN FD模组。它们在整合的功能和功率效率之间实现了令人信服的平衡，活动模式电流消耗为100μA/MHz。

瑞萨的Synergy S3A1 MCU均配备有48MHz 32位ARM Cortex-M4 CPU内、浮点单元（FPU）以及众多模拟和安全功能。这些MCU具有1MB程式码闪存，8kB资料闪存和192kB SRAM，它们在功能、引脚和IP等方面与其他Synergy MCU产品相容，因而具有高的可扩充套件性和程式码重用能力，可以加速硬件/软件开发过程。这些MCU专为需要针对多种服务进行持续功能升级的监控应用（例如室外气象站）而设计，可提供各种不同的储存密度和封装/引脚尺寸。

图3：意法半导体的STM32L4。

意法半导体的STM32L4 MCU + FPU系列产品均为基于ARM Cortex-M4 32位RISC核心的超低功耗器件。这些核心工作频率高达80MHz，采用单精度格式FPU，支援所有ARM单精度资料处理指令和资料型别，其中还集成了全套DSP指令，以及增强应用安全功能的内存保护单元。该系列基于FlexPowerControl的全新超低功耗平台，通过其优化的功耗水平管理，该系列产品获得了150 ULPBench-CP的EEMBC ULPBench评分。该系列MCU可提供高达2MB的闪存（双储存）储存器和高达640kB的SRAM，并且凭借该公司专有的80MHz ART加速器，可提供100DMIPS/273 CoreMark，通过使用多AHB总线矩阵和DMA控制器，整个系统性能得到进一步优化。STM32L4可用于替代基于STM32F4的已有设计，以获得低功耗功能，由于它们引脚相容，因此不需要更改电路板布局。

采用更小封装的MCU

赛普拉斯半导体（Cypress Semiconductor）公司的PSoC 6 MCU可提供专为物联网应用而特别构建的一体化高效能处理和关键安全功能。该MCU基于超低功耗40nm工艺技术，采用双核架构，其中ARM Cortex-M4负责高效能处理，并辅助以ARM Cortex-M0+来执行一些功耗受限的任务。对于M4核心，活动模式下的功耗可低至22μA/MHz，而M0+核心的活动功耗仅为15μA/MHz。MCU高度灵活的架构允许新增USB、蓝牙低功耗（BLE）和许多其他软件定义外设等功能，以建立定制化的模拟前端（AFE）和数字界面电路，能够满足那些需要包含多个连线协议的物联网设计需求。此外，该器件还整合有行业标准的对称和非对称加密算法，其中包括ECC和AES加密，以及安全杂凑算法（SHA 1,2,3）。

Microchip的SAM R34 LoRa 亚GHz系统级封装（SIP）系列包括一个超低功耗、高效能32位MCU以及LoRa收发器和软件堆叠，可显著缩短物联网设计的面市时间。这些器件具有经过认证的参考设计，并且与主要的LoRaWAN闸道器和网络提供商具有经过验证的互操作性。Nordic Semiconductor的nRF52840多协议SoC是一款超低功耗，高灵活性单芯片解决方案，适用于短距离无线应用。其嵌入式2.4GHz收发器支援蓝牙5/BLE、802.15.4/Thread、ANT/ANT+和专有的2.4GHz协议，并与该公司现有的nRF52、nRF51和nRF24系列相容。该器件的动态多协议功能支援同时的蓝牙5和Thread无线连线，并确保无线硬件的操作时间在这些协议之间共享，从而允许两者同时保持连线。该SoC采用32位、64MHz ARM Cortex-M4F CPU构建，内建有1MB闪存和256kB RAM。该CPU配置支援DSP指令、硬件加速FPU计算、单周期乘法和累加、以及用于高能效处理复杂操作的硬件分割槽。它采用电源和资源管理来实现电池寿命最大化。 1.7V至5.5V的电压范围支援初级和次级电池技术以及直接USB供电，无需使用外部稳压器。该器件具有一系列自动和自适应性的电源管理功能，这些功能内置于其执行过程的各个方面，涵盖从电源开关到外围总线/EasyDMA内存管理，除了执行某项任务所需的绝对必要外设，它还具有自动关断外围装置功能。

未来几年，随着部署的物联网节点数量急剧增加，保持所有节点正常执行的需求将变得越来越突出。本文介绍的MCU器件表明，设计工程师已经开始使用创新的半导体技术来执行此类任务。