Las MCU conectadas simplifican el diseño inalámbrico de IoT con procesamiento, conectividad y seguridad integrados.

Descripción técnica general: Las MCU conectadas combinan procesamiento, conectividad inalámbrica, seguridad, memoria y E/S para reducir la cantidad de componentes y la complejidad del diseño. En este artículo se analizan las MCU Infineon AIROC CYW55912/3 y los módulos Ezurio Veda, que admiten funcionamiento con host o sin host, rendimiento inalámbrico de baja potencia e interfaces flexibles. (Resumen cortesía de ChatGPT)

Los dispositivos médicos conectados, las aplicaciones de IoT industrial (IIoT), los nodos de hogares inteligentes y los productos comerciales necesitan capacidad de procesamiento, conectividad inalámbrica, bajo consumo de energía y seguridad. Los ingenieros que diseñaban estos sistemas solían tener solo dos opciones: usar múltiples chips que ocupan más espacio y energía para realizar todas las funciones deseadas, o seleccionar un dispositivo de borde integrado compacto con menos potencia de procesamiento.

Una unidad de microcontrolador (MCU) conectada cubre esta brecha integrando las funciones de múltiples chips en un solo dispositivo, con potencia de procesamiento suficiente incluso para las aplicaciones más exigentes. En este artículo se analizarán las MCU conectadas, sus capacidades de rendimiento, la integración en productos conectados y las herramientas disponibles para acelerar la implementación.

Comprender las MCU conectadas

Una unidad de microcontrolador conectada es un único dispositivo que combina conectividad inalámbrica, memoria, seguridad, periféricos de E/S y procesamiento. Los chips de Infineon Technologies AIROC™ CYW55912/3 (Figura 1) son MCU conectadas que contienen un procesador Arm® Cortex®-M33 y admiten Wi‑Fi 6/6E y Bluetooth de baja energía (LE) en una matriz de malla de bola a nivel de oblea (WLBGA) de 3,57 × 5,32 mm.

Figura 1: La unidad de microcontrolador conectada AIROC CYW55913 de Infineon integra subsistemas de procesamiento, comunicaciones, seguridad y gestión de potencia. (Fuente de la imagen: Infineon)

Las MCU conectadas funcionan en modo host o sin host. Una unidad de microcontrolador conectada en modo host también puede denominarse coprocesador de red (NCP). En esta arquitectura, un procesador independiente realiza el procesamiento intensivo y controla la unidad de microcontrolador conectada, que gestiona la comunicación inalámbrica. En el modo sin host, la MCU conectada actúa como un sistema en chip (SoC). El núcleo de procesamiento de la unidad de microcontrolador se convierte en el procesador principal y ejecuta todas las aplicaciones, pilas y protocolos de seguridad dentro del dispositivo de unidad de microcontrolador conectado.

Detalles del rendimiento del paquete

Es posible el funcionamiento sin host con procesadores como Arm Cortex-M33, que funciona a 192 MHz, especialmente cuando se combina con los 768 KB de memoria estática de acceso aleatorio (SRAM) y 2.0 MB de memoria de solo lectura (ROM) incluidos en las MCU conectadas AIROC CYW55912/3 (figura 2).

Figura 2: El diagrama de bloques de una unidad de microcontrolador conectada AIROC CYW55913 muestra sus subsistemas de procesamiento, radio, gestión de potencia, seguridad, memoria y E/S. (Fuente de la imagen: Infineon)

El subsistema dedicado de gestión de potencia de estas unidades de microcontrolador conectadas mantiene bajo el consumo de potencia y gestiona los modos de reposo de bajo consumo. Las unidades de microcontrolador AIROC CYW55912/3 también admiten target wake time (TWT) de 802.11ax, una característica de ahorro de energía que define momentos específicos en los que el dispositivo se activa para comunicarse. La eficiencia combinada hace que los dispositivos sean adecuados para aplicaciones de dispositivos de vestir y alimentadas por batería.

La ROM de la unidad de microcontrolador almacena software de Infineon, incluida una pila de protocolo de red TCP/IP NetX DUO, software NetX Secure compatible con Transport Layer Security (TLS) 1.3 y el sistema operativo en tiempo real (RTOS) ThreadX, que programa, sincroniza y gestiona tareas. El software de aplicación del cliente puede almacenarse en memoria flash externa y ejecutarse en el lugar (XIP) a través de la interfaz de memoria periférica cuádruple serial (QSPI/SMIF) del chip, con cifrado y descifrado de 128 bits en tiempo real (OTF).

Otras funciones de seguridad de AIROC CYW55912/3 incluyen una raíz de confianza de hardware, inicio seguro, gestión segura de claves, memoria segura programable una sola vez (OTP), protección contra reversión y aceleración criptográfica por hardware. Estas MCU conectadas también admiten seguridad Wi‑Fi mediante Wi‑Fi Protected Access (WPA) 2 o 3 en configuraciones personales o empresariales.

La seguridad de Wi‑Fi protege esta función clave de las MCU conectadas. La capacidad tribanda del AIROC CYW55913 le permite acceder al espectro de 6 GHz, menos congestionado, para obtener mayor tasa de producción y una latencia potencialmente menor, además de transmitir en las frecuencias de 2,4 y 5 GHz disponibles para la radio de doble banda del AIROC CYW55912. La sensibilidad de recepción varía según la frecuencia, la velocidad de datos y la forma en que se codifican las señales. Los transceptores AIROC CYW55912/3 pueden detectar señales tan débiles como -101,5 dBm a 2,4 GHz y 1 Mbps mediante DSSS. A 5 GHz, la sensibilidad es de -94,5 dBm en MCS0.

Tanto el AIROC CYW55912 como el AIROC CYW55913 tienen una potencia de salida de RF de hasta +24 dBm a 2.4 GHz y 1 Mbps mediante DSSS. Emplean técnicas de Wi‑Fi 6/6E, como la codificación de capa física (PHY) de unidad de datos del protocolo físico de rango ampliado de alta eficiencia (HE ER-PPDU), intervalos de guarda largos y modulación de doble portadora (DCM), para hacer que las transmisiones Wi‑Fi sean más robustas, especialmente en el límite de la cobertura.

Las unidades de microcontrolador conectadas AIROC CYW55912/3 enrutan señales Bluetooth a través de trayectorias de potencia de +4 dBm, +13 dBm y +19 dBm, lo que optimiza la eficiencia o proporciona suficiente potencia de señal para compensar un rendimiento más deficiente de la antena o requisitos de mayor alcance. Los dispositivos admiten los estándares Bluetooth LE PHY para 1 Mbps (LE 1M), 2 Mbps (LE 2M) y largo alcance (LE LR), así como extensiones publicitarias. Los amplificadores internos de bajo ruido (LNA) y los amplificadores de potencia (PA) contribuyen al rendimiento de la red; se admiten amplificadores externos cuando se necesita mayor rendimiento o alcance de RF.

Integración en el mundo real

Además de las comunicaciones inalámbricas, las MCU conectadas AIROC CYW55912/3 admiten múltiples configuraciones de E/S. Los protocolos de E/S digital segura (SDIO) 3.0, la interfaz periférica serial genérica (gSPI), el receptor/transmisor asíncrono universal (UART) y los protocolos de circuito interintegrado (I²C) permiten que el procesador de la MCU se comunique con procesadores y periféricos externos. Los protocolos de alta velocidad SDIO y gSPI se utilizan con mayor frecuencia en modo host; UART e I²C son protocolos más simples y lentos que se utilizan con frecuencia para señales de control y comunicación con sensores.

Las MCU AIROC CYW55912/3 gestionan señales de audio mediante sonido inter‑CI (I²S), multiplexación por división de tiempo (TDM), modulación por densidad de pulsos (PDM) y modulación por código de pulsos (PCM). También cuentan con un conversor de analógico a digital de 12 bits con siete canales de entrada, y se pueden configurar hasta 47 pines GPIO para enviar señales básicas de encendido y apagado para la aplicación.

Las múltiples señales digitales cableadas e inalámbricas que se transmiten dentro y alrededor de una unidad de microcontrolador conectada pueden producir interferencias de RF no deseadas si el dispositivo no está diseñado correctamente. Los módulos integrados como el Veda IF912 and IF913 (Figura 3) de Ezurio incorporan las MCU AIROC CYW55912 y AIROC CYW55913, respectivamente, en un dispositivo con ingeniería de RF completo con antenas, blindaje y memoria adicional.

Figura 3: Los módulos Veda IF912 (a) e IF913 (b) de Ezurio incorporan unidades de microcontrolador AIROC CYW55912/3, antenas, blindaje y memoria en un único dispositivo. (Fuente de la imagen: Ezurio)

Los módulos Veda IF912/3 están diseñados teniendo en cuenta la disposición, el blindaje y la adaptación de impedancia. Algunas variantes de Veda son módulos de sistema en paquete (SiP) que combinan 8 MB de Memoria Flash, 8 MB de RAM seudoestática (PSRAM) y la unidad de microcontrolador WLBGA AIROC CYW55912/3. Otras variantes admiten la incorporación de memoria externa equivalente. La integración sistema en paquete (SiP) simplifica las conexiones de memoria de alta velocidad, reduce la cantidad de componentes y permite diseños compactos.

A pesar de la incorporación de circuitos RF, blindaje y memoria externa, los paquetes de módulos Veda son compactos y miden 7 por 11 por 1,4 mm. Su pequeño tamaño facilita el diseño de la placa de circuito impreso (PCB) de una aplicación con el módulo Veda, módulos de potencia, sensores y hardware de pantalla. Su diseño de montaje en superficie (tecnología de montaje en superficie (SMT)) admite procesos de soldadura manuales o automatizados.

Ezurio proporciona certificaciones y aprobaciones regulatorias para muchos mercados, incluidos FCC, ISED (Canadá), motor de cómputo (CE), UKCA, RCM, MIC y KCC, así como la calificación de Bluetooth SIG. Esta documentación, junto con las configuraciones de antena aprobadas, ayuda a simplificar el proceso de cumplimiento.

Los diseños de referencia de hardware simplifican aún más la integración para los ingenieros de diseño. Por ejemplo, Ezurio proporciona diseños de circuitos de RF para una antena de traza de PCB empotrada, conexiones de RF de antena compartidas para Wi‑Fi y Bluetooth, y una conexión desde la clavija de traza RF del Veda IF912/3 a un conector MHF4 para una antena externa.

Cerrar el bucle con codificación

Además de diseños de referencia de hardware, los ingenieros pueden acceder al soporte para el desarrollo de aplicaciones de Infineon y Ezurio. El ecosistema de desarrollo ModusToolbox de Infineon incluye una biblioteca completa de herramientas de software, pilas inalámbricas, middleware y controladores que los ingenieros pueden integrar en sus proyectos, permitiéndoles desarrollar código específico para aplicaciones en lugar de reinventar pilas complejas.

Ezurio también dispone de ejemplos de código y recursos específicos para los módulos Veda IF912/3, como código para escaneo de Wi‑Fi y aprovisionamiento de Wi‑Fi mediante Bluetooth LE. Estos ayudan a los ingenieros a pasar del entorno de desarrollo ModusToolbox a una aplicación funcional. Otros recursos específicos del módulo ayudan a los ingenieros a configurar, desarrollar, probar, programar y depurar sus aplicaciones de unidad de microcontrolador conectada. Herramientas como estas y ModusToolbox, combinadas con documentación técnica y soporte experto para cuestiones de integración y normativas, acortan los ciclos de desarrollo de aplicaciones y reducen los costos.

Conclusión

Los módulos Veda IF912/3 de Ezurio y las MCU conectadas Infineon AIROC CYW55912/3 integradas en ellos ofrecen a los ingenieros la flexibilidad de utilizar los módulos como un NCP con RF diseñada en un paquete compacto o implementarlos como sistemas en chip (SoC) conectados con suficiente potencia de cálculo para una variedad de aplicaciones. La menor cantidad de componentes, las configuraciones de antena aprobadas, los diseños de referencia y los recursos de codificación permiten que los diseños que utilizan estos módulos lleguen al mercado más rápido y a menor costo, con potencia de procesamiento, conectividad y seguridad integradas para aplicaciones de IoT e IIoT, dispositivos de uso médico, dispositivos de vestir y dispositivos manuales.