物联网应用灵活的内外部连接

作者:Eric Huang,Synopsys USB控制器高级产品营销经理

物联网 (IoT) 市场充斥着大量应用,包括人机交互的穿戴设备,以及智能机、建筑和整座城市都使用的全自动机器对机器 (M2M) 应用。所有这些物联网产品都要求“始终连接”,或者“大部分时间保持连接”,这样才能持续从环境收集数据,并将数据传输到云端。尽管设备持续运行,但它们也必须最大程度降低功耗,同时执行无线通信和传感器处理任务。

在未来几年,物联网产品的出货量有可能每年低于数千万件,这阻碍了设计单个芯片系统(SoC) 并在大量市场应用领域中部署的效率。例如,手机的出货量为数千万部,因此可以使用在单个芯片上配置有数百项功能(和IP内核)的单个高度集成的SoC。另一方面,随着数量的增加,物联网系统将采用多个离散IC进行装配和构建。因此,物联网系统内部和印刷电路板 (PCB) 上的连接极为重要。

物联网系统的架构设计必须能够灵活地处理不同的无线协议,最大限度降低功耗,并且添加新的传感器输入。保证灵活性的自然解决方案是集成一个用于内部和外部连接的接口。USB是明智之选。借助USB,消费者可以将任何设备插入PC,然后即可在PC上运行。大多数平板电脑、PC和手机至少在内部PCB上有三个USB连接,分别用于连接键盘、触摸板、触摸屏、摄像头和/或调制解调器,这样就可以支持拥有数千项功能的数十亿个USB外围芯片。USB在计算机、手机、TV和机顶盒中的普遍采用形成了一个芯片生态系统,使USB接口能够随时插入这些设备中运行。

利用USB降低物联网功耗

在物联网芯片上加入USB接口可实现任何无线标准的快速添加。独立无线芯片(如无线低能耗蓝牙芯片或WiFi芯片)的批量生产推动了单位成本的下降,并增加了供应商对物联网制造商的选择。这降低了物料的总体成本。

USB还实现了更低功耗。USB通过快速打开控制器(和PHY)、传输数据后将其关闭而降低了总体功耗。USB和无线芯片只有在传输数据时才处于完全活动状态。USB的架构降低了系统的物料成本,允许利用现有的USB软件驱动程序,并且诶提高了设计的总体灵活性。

物联网系统架构

为了在系统层面实现最高的灵活性,以开辟大量的市场,物联网芯片一般在功能上限制在微处理单元 (MPU) 和接口中使用。这些接口将连接系统中的标准外设和传感器。在系统中,这些接口在PCB上互相连接。物联网芯片一般至少有三个USB主机端口和一个USB设备端口。端口可用在系统/机箱内部,也可以在系统外部与外设连接。

内置USB

对于物联网,更多端口将在产品内部使用,以实现与无线芯片、传感器或输入设备的内部连接。通过在PCB上使用USB,产品制造商可以选择大量商用无线或其他芯片扩展产品功能。如果客户需要定制,产品制造商可以根据要求选择特定的无线标准、传感器或其他外设。

外置USB

在外部,物联网设备可能仅有一个USB Type-C端口。该端口可用于持续计费、固件更新、数据下载、诊断或连接另一个设备。

大多数无线芯片有USB 1.1、USB 2.0或USB 3.0接口(如图1所示)。调制解调器通常有高速芯片互连 (HSIC) 接口,可减少PCB上从IoT MPU至调制解调器之间的FR4轨数量。HSIC的功耗只有USB 2.0 PHY的三分之一,原因是它在PCB专用,而不能通过USB线缆传输数据。HSIC只用在调制解调器上。

图1:物联网SoC采用USB 2.0主机与设备进行无线通信

通过在产品内部和外部加入USB连接(如图2所示),物联网芯片能够更好地满足主要物联网市场的要求。

图2:物联网系统采用USB 2.0实现外部有线/无线通信

USB在物联网市场细分中的应用

鉴于讨论这一点的需要,物联网市场细分共分为3类:针对消费者的穿戴设备、针对建筑物内短距离传输的M2M和针对智慧城市的M2M。

对于穿戴设备,电池续航和快速充电至关重要。消费者使用支架或者直接使用设备的USB端口对这些设备充电。支架可能提供简单的电触头或无线充电。穿戴设备本身将使用蓝牙LE (BLE) 同步所收集的数据(或为其提供的数据)到手机、平板电脑或PC。有些穿戴设备使用触摸屏或者摄像头。

建筑物内的M2M产品将配置WiFi或Zigbee,而且可能有BLE,实现与云端的服务器连接。有些M2M产品使用电池或太阳能驱动。对于与电源插座连接的M2M,小型的单个USB Type-C连接器是理想选择。同样的单个端口可在没有空中接口的情况下用于编程或调试。同样的端口可用于设置和供电,而且可以通过消除一个连接器而降低产品总体成本。

针对智慧城市的M2M产品将通过调制解调器或WiFi与网络连接。它可能通过定期呼叫而上传数据,这可以是每天一次、每小时多次或者持续上传。它可由太阳能供电,或者连接电源。传感器可以测量天气、交通状况、空气质量或者城市运行所需要的数据。这些产品也可能提供从中央控制中心到物联网地点的遥控。产品需要有极高的灵活性和耐用性,而且必须易于维护。标准USB连接器易于使用和更换。在需要更换物联网模块时,只需拔出设备后插入新设备,而不需要进行定制的布线。

USB Type-C对物联网的好处

除了小型连接器和线缆外,USB Type-C标准还提供了可翻转、耐用的连接器,而且供电能力优于早先的USB连接器。新型USB Type-C SoC提供的电力比单纯的电池充电标准高得多。电池充电可提供7.5 W的电力,但需要额外的电路,这通常需要在产品中配置单独的芯片。通过使用标准Type-C PHY和控制器,电池充电芯片和成本都可以消除。Type-C可以提供15 W的充电电力,而不需要额外的电路和相关的板卡空间。Type-C在USB 2.0和USB 1.1设计中的实施 成本低,而且简单易行,可通过实施适当的IP而全面集成到USB 3.0设计中。

物联网USB

产品制造商可以快速利用无处不在的USB而在系统整机中快速装配或定制物联网产品,从而根据客户的需求而增加功能。通过重复使用芯片和软件驱动程序,物联网产品制造商可以更快地将产品推向市场。此外,USB Type-C连接器在更易于维护的小型连接器和线缆中提供了额外的电力。USB是物联网产品内部和外部连接的理想选择。