Simplifique el diseño de dispositivos inteligentes alimentados por línea segura con SoC inalámbricos multiprotocolo de bajo consumo

Los dispositivos del Internet de las cosas (IoT) para la iluminación inteligente y la automatización de edificios están evolucionando rápidamente de simples nodos de control a sistemas conectados y repletos de funciones que deben soportar mayores demandas de computación, una seguridad sólida y un rendimiento mejorado de la radiofrecuencia (RF). Los diseñadores de estos dispositivos se enfrentan a una presión cada vez mayor para equilibrar diversos requisitos, como la conectividad multiprotocolo, las funciones de seguridad avanzadas y la eficiencia energética, al tiempo que minimizan el coste de la lista de materiales (BOM) y la complejidad del sistema. Lo que se necesita son dispositivos inalámbricos avanzados de sistema en chip (SoC) que aborden los requisitos emergentes del IoT.

Este artículo describe los retos a los que se enfrentan los diseñadores de los dispositivos y sistemas emergentes de la IoT. A continuación, se presenta y muestra cómo los SoC IoT inalámbricos de próxima generación de Silicon Labs pueden hacer frente a estos desafíos mediante una arquitectura de consumo ultrabajo que combina un procesador de alto rendimiento con múltiples subsistemas especializados.

Cómo los diversos requisitos impulsan la transición a una mayor integración

Se espera cada vez más que los dispositivos inteligentes alimentados por línea utilizados en aplicaciones como la iluminación LED, los enchufes inteligentes y los interruptores ofrezcan una mayor funcionalidad en ciclos de desarrollo más cortos. Los diseñadores de estos dispositivos se enfrentan a exigentes requisitos de integración de una mayor capacidad de procesamiento, múltiples estándares inalámbricos y una sólida seguridad, al tiempo que mantienen unos objetivos de lista de materiales ajustados y un comportamiento predecible en entornos siempre activos.

La complejidad de la conectividad inalámbrica agrava estas presiones. Bluetooth de baja energía (BLE), Zigbee, Thread y Matter coexisten cada vez más, lo que complica las soluciones basadas en protocolos individuales o en arquitecturas multichip. Dar soporte a múltiples protocolos heterogéneos a través de componentes externos puede ralentizar el desarrollo e introducir ineficiencias. Como resultado, el diseño del IoT se ha desplazado hacia los SoC inalámbricos monolíticos, como los SoC inalámbricos SiMG301/SiBG301 Serie 3 de Silicon Labs (figura 1), que consolidan el procesamiento de aplicaciones, las funciones de seguridad y el funcionamiento de la radio en un único dispositivo.

Figura 1: Los SoC IoT inalámbricos avanzados integran toda la pila funcional, lo que permite una mayor eficiencia en el diseño en comparación con las soluciones multichip anteriores. (Fuente de la imagen: Silicon Labs)

Estos SoC permiten a los diseñadores responder con mayor eficacia a los requisitos rápidamente cambiantes de los dispositivos inteligentes, con una arquitectura avanzada que ofrece un alto rendimiento, una seguridad sólida y una conectividad flexible.

La arquitectura integrada satisface las múltiples demandas de las aplicaciones emergentes del IoT

La familia SixG301 integra la pila completa de capacidades necesarias en los dispositivos inteligentes alimentados por línea. Para satisfacer unos requisitos de cálculo cada vez más complejos, los SoC SixG301 se basan en un núcleo de procesador Arm Cortex-M33 de 150 megahercios (MHz) con instrucciones de procesamiento digital de señales (DSP) y una unidad de punto flotante (FPU) (figura 2). El subsistema del procesador combina este núcleo con una memoria de acceso aleatorio (RAM) en el chip, una memoria flash coempaquetada, un controlador de acceso directo a memoria (DMA) e interfaces de depuración. La arquitectura completa su amplio soporte para dispositivos inteligentes con bloques de hardware dedicados para conectividad, seguridad, gestión energética, relojes, temporizadores y periféricos, incluyendo funciones especializadas para iluminación LED.

Figura 2: La arquitectura del SoC inalámbrico SixG301 consolida el procesamiento de aplicaciones, la conectividad inalámbrica y la seguridad para ofrecer un rendimiento escalable y una menor complejidad del sistema en dispositivos inteligentes alimentados por línea. (Fuente de la imagen: Silicon Labs)

Para los diseñadores, la familia SixG301 ofrece una solución escalable que satisface una amplia gama de requisitos. Para los diseños de dispositivos inteligentes orientados a la conectividad Bluetooth, la serie SiBG301 de SoC Bluetooth es compatible con BLE, Bluetooth mesh y aplicaciones propias de 2.4 gigahercios (GHz). La serie de SoC multiprotocolo SiMG301 admite las mismas opciones de Bluetooth al tiempo que añade compatibilidad con las capas física (PHY) y de control de acceso al medio (MAC) IEEE 802.15.4 para redes inalámbricas de baja velocidad de transmisión de datos, como Zigbee, Matter over Thread y OpenThread. Dentro de cada familia, los miembros individuales ofrecen opciones de configuración adicionales, con hasta 512 kilobytes (Kbytes) de RAM y hasta 4 megabytes (Mbytes) de flash seguro de ejecución in situ (XIP) de interfaz periférica serie cuádruple (QSPI). Independientemente de la opción de configuración, todos los miembros de la familia SoC SixG301 comparten las mismas capacidades necesarias para los dispositivos IoT de próxima generación.

Las aplicaciones IoT avanzadas dependen de una conectividad sólida y la familia SixG301 está diseñada para funcionar con fiabilidad incluso en los entornos densos y propensos a las interferencias típicos de estas aplicaciones. La radio inalámbrica de bajo consumo (LPW) de la familia (figura 3) integra un núcleo de procesador de radio, RAM y rutas de señal de transmisión y recepción dedicadas, proporcionando un subsistema de conectividad completo.

Figura 3: El subsistema de radio LPW integrado del SoC SixG301 soporta una conectividad sólida a través de rutas dedicadas de transmisión y recepción. (Fuente de la imagen: Silicon Labs)

El subsistema LPW está diseñado para proporcionar la potencia de transmisión y la sensibilidad de recepción necesarias para mantener una conectividad fiable. El subsistema admite una potencia de salida de hasta +10 decibelios (dB) referenciada a 1 milivatio (mW) (dBm), lo que permite obtener márgenes de enlace fiables en instalaciones alimentadas por línea en las que la colocación de la antena y las limitaciones del recinto pueden suponer un reto. En el lado de recepción, la radio proporciona la sensibilidad necesaria para los diseños IoT centrados en Bluetooth y multiprotocolo. Para una modulación de manipulación gaussiana por desplazamiento de frecuencia (GFSK) de 125 kilobits por segundo (kbits/s) utilizada en Bluetooth/BLE en todos los dispositivos SixG301, la sensibilidad de recepción es de -106.8 dBm Para la modulación por desplazamiento de fase en cuadratura (O-QPSK) de 250 kbits/s utilizada en 802.15.4 en dispositivos SiMG301, la sensibilidad de recepción es de -106.3 dBm.

Búsqueda incesante de la seguridad y la eficiencia energética

Las opciones flexibles de conectividad inalámbrica son fundamentales para las aplicaciones avanzadas del IoT. Sin embargo, la seguridad de esas conexiones y de los dispositivos IoT depende de la búsqueda incesante de sólidas capacidades de seguridad basadas en hardware. Los dispositivos SixG301 incorporan una arquitectura de seguridad basada en hardware construida sobre Secure Vault High de Silicon Labs, el nivel más alto de la tecnología de seguridad multinivel Secure Vault de la empresa. Cuentan con la certificación PSA de nivel 4, el nivel más alto del marco de certificación de la Arquitectura de Seguridad de Plataformas. Para obtener esta certificación, un dispositivo debe proporcionar una sólida protección contra sofisticados ataques de software y hardware, incluidos los ataques escalables de canal lateral y de inyección de fallos, todos ellos incluidos en el nivel Secure Vault High.

Esta arquitectura de seguridad establece una Raíz de confianza (RoT) de hardware utilizando un motor de seguridad dedicado con su propio procesador, aislando así las funciones criptográficas y los datos sensibles del núcleo principal de la aplicación Cortex-M33. Este aislamiento garantiza que, aunque el software de la aplicación se vea comprometido, las claves criptográficas y las operaciones críticas para la seguridad permanezcan protegidas. Arm TrustZone refuerza la separación a nivel de hardware entre la ejecución de código seguro y no seguro, mientras que la gestión segura de claves utiliza la tecnología de función física no clonable (PUF) para generar una clave única en el momento del encendido. Para garantizar que esta clave no pueda ser extraída o clonada de otro modo, solo es visible para el motor de encriptación y solo persiste hasta que el dispositivo pierde energía.

El arranque seguro con RoT y cargador seguro (RTSL) garantiza que solo el firmware autenticado pueda ejecutarse, mientras que la ejecución autenticada in situ (AXiP) amplía esta protección a la verificación del código en tiempo de ejecución. Un acelerador criptográfico de hardware autónomo descarga los cifrados y protocolos del procesador principal. Junto con las funciones de protección contra la penetración de la SixG301, estas capacidades ayudan a los diseñadores a crear dispositivos seguros y de alto rendimiento que autentican las actualizaciones de firmware, protegen las credenciales y mantienen la confianza en las aplicaciones IoT.

La gestión de la energía hacia un consumo mínimo desempeña un papel igualmente importante a la hora de soportar un funcionamiento siempre conectado y alimentado por línea. Junto con la regulación de potencia del reloj y los periféricos, los dispositivos SixG301 ofrecen múltiples modos de ejecución que permiten a los diseñadores equilibrar dinámicamente el rendimiento y el consumo de energía. En modo activo (EM0), el procesador host ejecuta el código con todos los periféricos y fuentes de oscilador disponibles, consumiendo normalmente 47 microamperios por megahercio (µA/MHz) a 150 MHz en un bucle While, o 62 µA/MHz ejecutando CoreMark. El modo de reposo (EM1) mantiene todos los periféricos disponibles mientras el procesador permanece inactivo pero listo para un despertar rápido ante eventos del sistema. En este modo, el consumo típico desciende a 33 µA/MHz o menos, dependiendo de la configuración del reloj.

Para los periodos que requieren una actividad mínima, el modo de desconexión (EM4) apaga la mayor parte del dispositivo, reduciendo el consumo a solo 0.26 µA sin el contador de tiempo real de reserva (BURTC) o a 0.75 µA con BURTC funcionando con un oscilador de baja frecuencia.

Mediante el uso de estos modos junto con la sincronización flexible y la activación de periféricos, los diseñadores pueden lograr el equilibrio específico de potencia y rendimiento necesario para sus aplicaciones.

Cómo las funciones analógicas integradas simplifican el diseño de dispositivos de iluminación inteligentes

Junto con la funcionalidad cada vez más requerida en una amplia clase de aplicaciones IoT, los dispositivos SixG301 integran características analógicas y de alimentación explícitamente adaptadas a las aplicaciones de iluminación inteligente. Diseñado para ofrecer una solución de bajo consumo en aplicaciones de bombillas LED blancas monocolor y sintonizables, el subsistema de preconductores LED en chip (LEDDRV) (figura 4) integra una bomba de carga y dos canales de controladores de puerta para alimentar directamente los transistores de efecto de campo (FET), sustituyendo a los chips controladores dedicados para controlar las cadenas de LED blancos cálidos y blancos fríos.

Figura 4: El subsistema LEDDRV proporciona el conjunto completo de capacidades necesarias para una regulación eficiente de la corriente de los LED. (Fuente de la imagen: Silicon Labs)

El periférico LEDDRV brinda señales de control y funciones de supervisión, incluida la supervisión de corriente y la protección contra sobrecorriente, lo que simplifica la regulación de corriente de los LED. En una aplicación típica de iluminación LED monocanal, por ejemplo, el diseñador simplemente conecta la salida LEDDRV a un FET de potencia externo que impulsa la cadena LED (figura 5), utilizando puertos de entrada/salida de propósito general (GPIO) para detectar la tensión de CA, la tensión de drenaje y la corriente de pico.

Figura 5: El periférico LEDDRV integrado interactúa con los FET de potencia externos y los circuitos sensores para regular la corriente de los LED en aplicaciones de iluminación blanca sintonizable. (Fuente de la imagen: Silicon Labs)

Para el control por software, el procesador interactúa con el bloque LEDDRV a través de dos canales de modulación por ancho de pulsos (PWM) generados por bloques temporizadores, lo que permite una regulación precisa y la mezcla de colores y temperaturas. Este enfoque permite a los diseñadores implementar curvas de atenuación suaves y transiciones de blanco cálido a frío a través del firmware. Para protegerse contra el funcionamiento a sobretemperatura, los diseñadores también pueden utilizar el control por software para desactivar el bloque LEDDRV en función de las mediciones del sensor de temperatura integrado en la unidad de gestión de la energía o de un sensor externo.

El bloque LEDDRV también admite configuraciones de doble excitador y de excitador directo, lo que permite a los diseñadores ampliar más allá de la configuración básica de dos canales o adaptarse a diferentes topologías de etapas de potencia. Al incrustar estas funciones orientadas a la iluminación directamente en el SoC, los dispositivos SixG301 consiguen una integración más estrecha, un menor costo de la lista de materiales y diseños más compactos para los sistemas de iluminación alimentados por línea.

Acelerar el desarrollo con recursos de evaluación y creación de prototipos

Silicon Labs apoya el desarrollo de la SixG301 con recursos de hardware y software diseñados para acelerar la evaluación y la creación de prototipos.

La plataforma de desarrollo alimentada por USB del kit SixG301 Explorer (SIXG301-EK2719A) (figura 6) ofrece a los diseñadores un punto de entrada compacto y de bajo costo. Al estar construida en torno a un módulo SiMG301 con 4 Mbytes de flash y 512 Kbytes de RAM, esta placa proporciona zócalos y conectores para sensores y periféricos adicionales. Un depurador J-Link integrado con un puerto COM virtual y una interfaz de rastreo de paquetes permite a los diseñadores realizar el desarrollo del firmware y la evaluación de la radio sin necesidad de equipos adicionales.

Figura 6: El SIXG301-EK2719A proporciona una plataforma de desarrollo compacta, alimentada por USB, con conectores y un depurador J-Link integrado para la creación rápida de prototipos. (Fuente de la imagen: Silicon Labs)

Para un desarrollo más avanzado y una caracterización detallada del rendimiento, el kit SixG301 Flash Pro (SIXG301-PK6037A) (figura 7) combina la placa base SI-MB4002A BRD4002A Wireless Pro Kit con una placa de radio enchufable SIXG301-RB4407A con 4 Mbytes de flash o una placa de radio enchufable SIXG301-RB4408A con 8 Mbytes de flash. La placa base proporciona depuración integrada, monitorización avanzada de la energía y un completo breakout de periféricos para pruebas de integración a nivel de sistema, mientras que ambas placas de radio enchufables incluyen una SiMG301 con 512 Kbytes de RAM, una red de adaptación y una antena de circuito impreso (placa CI).

Figura 7: El kit SixG301 Flash Pro combina una placa base rica en funciones con una placa de radio enchufable y puertos para la depuración y la caracterización del rendimiento. (Fuente de la imagen: Silicon Labs)

Tanto el kit SixG301 Explorer como el kit SixG301 Flash Pro funcionan con el entorno de desarrollo Simplicity Studio de Silicon Labs, que proporciona asistentes de configuración, proyectos de ejemplo y acceso al kit de desarrollo de software Simplicity (SDK). Juntos, estos recursos ayudan a los diseñadores a pasar con eficacia de la evaluación inicial a la creación de prototipos y a diseños listos para la producción.

Conclusión

Los diseñadores de dispositivos inteligentes alimentados por línea para iluminación LED, enchufes inteligentes e interruptores se enfrentan a una presión cada vez mayor para ofrecer un alto rendimiento, fiabilidad, conectividad multiprotocolo, seguridad robusta y eficiencia energética a un costo mínimo. Los SoC inalámbricos de nueva generación de la serie 3 SiMG301 y SiBG301 de Silicon Labs, junto con sus herramientas de desarrollo asociadas, admiten estos requisitos y proporcionan una base escalable para un desarrollo rápido.