Was Sie wissen müssen, um einen Mikrocontroller mit Wi-Fi-Verbindung zu definieren

Alex Li, Mikrochip-Technologie

Mit der Entwicklung des industriellen IoT geht der Trend dahin, mehr Funktionen in einen einzigen SoC (System-on-Chip) statt in mehrere diskrete Geräte zu packen, da das Ergebnis unter anderem eine kürzere Stückliste, ein geringeres Designrisiko und ein geringerer Platzbedarf ist Vorteile. Ein hervorragendes Beispiel ist der Wi-Fi-Mikrocontroller, der die Wi-Fi-Konnektivität mit einem Prozessor und dem GPIO (General Purpose I/O) integriert, das erforderlich ist, um die Anforderungen einer Vielzahl von Anwendungen zu erfüllen. Bei der Definition eines dieser Geräte müssen viele Faktoren berücksichtigt werden, und um eine umsichtige Entscheidung zu treffen, ist es wichtig, sie gut zu kennen.

Der heutige Markt bietet kostengünstige Wi-Fi-Konnektivitätsoptionen, erfordert jedoch häufig Opfer bei der Anzahl der Peripheriegeräte und anderen Aspekten. Dies bedeutet, dass die Auswahl des besten Wi-Fi-Mikrocontrollers schwierig und riskant ist, da ein Wi-Fi-Mikrocontroller nicht nur über eine robuste Wi-Fi-Konnektivität, sondern auch über leistungsstarke Funktionen verfügen muss. Die Nichteinhaltung eines oder beider dieser Aspekte führt zu Verzögerungen oder gar zum Scheitern des gesamten Designprojekts. Der Mikrocontroller als Kern des Systems ist der wichtigste Teil des Wi-Fi-Mikrocontrollers, daher ist es notwendig, seine Leistung zu Beginn des Projekts zu untersuchen, da eine spätere Änderung des Geräts häufig eine Neugestaltung der gesamten Software und Schaltungskonfiguration erfordert Assistent.

ADC nicht vergessen

Die Analog-Digital-Wandlung (A/D) ist eine der am meisten vernachlässigten Funktionen bei der Definition eines Wi-Fi-Mikrocontrollers, obwohl sie die erste Verarbeitungskomponente in der Signalkette nach dem analogen Eingang ist. Dies bedeutet, dass seine Leistung für das gesamte System sehr wichtig ist. Daher ist es wichtig, die Hauptparameter des A/D-Wandlers (ADC) zu kennen und wie er vom Hersteller des Wi-Fi-Mikrocontrollers angesprochen werden sollte.

Eine der ersten Spezifikationen, auf die Designer achten sollten, ist die Anzahl der Bits auf dem ADC. Dies kann verwirrend sein, da die tatsächliche Anzahl der Bits in der Praxis geringer ist als im Datenblatt angegeben, manchmal erheblich. Das Wichtigste ist die Nummer efectivo Bits (effektive Anzahl von Bits, ENOB), die dem ADC zur Durchführung der Konvertierung zur Verfügung stehen. Dies wird immer niedriger sein als im Datenblatt angegeben, aber es ist sehr wichtig, dass die ENOB- und Datenblattspezifikationen sehr ähnlich sind, da sie zwischen verschiedenen ADCs erheblich variieren. Je weniger Bits für die Konvertierung zur Verfügung stehen, desto ungenauer stellt das SoC das Eingangssignal dar.

Außerdem „fügen“ ADCs, wie alle elektronischen Geräte, dem Signal etwas hinzu, das sich negativ auf seine Fähigkeiten auswirkt, einschließlich Quantisierungs- und Zeitfehler, Abweichungen von Offset, Verstärkung und Linearität. ADCs zeichnen sich auch durch ihre Empfindlichkeit gegenüber großen Temperaturschwankungen aus, die in vielen industriellen IoT-Betriebsumgebungen üblich sind (siehe Abbildung 1). Dies kann vom Hersteller des Wi-Fi-Mikrocontrollers abgemildert werden, daher ist es wichtig, sich an den Hersteller jedes in Frage kommenden Wi-Fi-Mikrocontrollers zu wenden, um dessen ENOB, Leistung gegenüber Temperatur, Linearität und Genauigkeit zu bestimmen. Wenn diese Informationen nicht verfügbar sind, fahren Sie bitte fort.

Periféricos

Alle Wi-Fi-Mikrocontroller unterstützen mindestens einige Verbindungsstandards, daher ist es leicht anzunehmen, dass sie ausreichen. Ingenieure bereuen diese Annahme oft, wenn sie versuchen, denselben Wi-Fi-Mikrocontroller in einem anderen Design zu verwenden. Dies wird immer häufiger bei der Entwicklung oder Modifikation industrieller IoT-Systeme, da Produktionsanlagen in der Regel aus unterschiedlichsten Maschinen und Steuerungen bestehen, die zu unterschiedlichen Zeiten von verschiedenen Unternehmen hergestellt und installiert wurden.

Wenn Ihr System wächst, werden wahrscheinlich weitere Schnittstellen hinzugefügt, und es wird eine Zeit kommen, in der Sie Funktionen wie Berührungserkennung und LCD-Verbindung benötigen. Wenn das SoC GPIO übrig hat, kann es mehr Relais, Schalter und andere Komponenten steuern, die sich wenige oder sogar keine Pins teilen. Aus diesem Grund sollten die vom Gerät unterstützten Schnittstellen Ethernet MAC, USB, CAN, CAN-FD, SPI, I²C, SQI, UART und JTAG (sowie potenzielles Senden von Berührungssignalen und Unterstützung für ein Display), um sicherzustellen, dass es jetzt und in naher Zukunft für praktisch jede Anwendung geeignet ist.

Sicherheit beginnt von innen

Sicherheit ist für alle IoT-Anwendungen unerlässlich, aber im industriellen Umfeld ist sie von größter Bedeutung. Wenn eine Bedrohung in ein industrielles IoT-Netzwerk eindringt, kann sie die gesamte Anlage und möglicherweise das gesamte Unternehmen betreffen. Die erste erforderliche Sicherheitsebene befindet sich innerhalb der eingebetteten kryptografischen Engine des Mikrocontrollers, wo Verschlüsselung und Authentifizierung nacheinander oder parallel durchgeführt werden. Was die AES-Verschlüsselung betrifft, sollten sie Schlüssel mit bis zu 256 Bit, DES und TDES verwenden, während die Authentifizierung sein sollte
SHA-1, SHA-256 und MD-5.

Da jeder Anbieter von Cloud-Diensten seine eigene Zertifizierung und seine eigenen Schlüssel hat, ist die Bereitstellung all dessen für das Gerät kompliziert, erfordert beträchtliche Kenntnisse der Kryptografie und stellt einige der schwierigsten Aufgaben dar, wenn Designer ihr Produkt für einen Dienst in der Cloud vorbereiten. Wolke. Glücklicherweise vereinfachen einige Hersteller wie Microchip Technology diesen Prozess und sparen so viel Zeit und Geld. Bemerkenswert ist, dass dieser Ansatz Zeit und Verwirrung spart: Der Designprozess kann um mehrere Wochen oder sogar mehr verkürzt werden, während gleichzeitig sichergestellt wird, dass alle Sicherheits- und Versorgungsanforderungen auf nachgewiesene und überprüfbare Weise erfüllt werden.

Wichtig ist, dass die meisten Wi-Fi-Mikrocontroller Anmeldeinformationen im Flash-Speicher speichern, wo die Daten zugänglich und anfällig für Software und physische Angriffe sind. Durch die Speicherung dieser Informationen in einem hardwarekodierten Sicherheitselement wird höchste Sicherheit erreicht, da die darin enthaltenen Daten von keiner externen Software ausgelesen werden können. Zum Beispiel die Wi-Fi-Mikrocontroller von Microchip wie der WFI32 (Abbildung 2) wenden diese Technik in der Trust&GO-Plattform des Unternehmens an, um die Sicherheit ihrer Mikrocontroller zu gewährleisten, wenn sie mit AWS IoT-, Google Cloud-, Microsoft Azure- und TLS-Netzwerken von Drittanbietern verbunden sind.

Abbildung 2. Das WLAN-Modul WFI32 isoliert Zugangsdaten, indem es sie in Hardware speichert, wodurch sie für Hackerangriffe praktisch unverwundbar sind.

Vorab bereitgestellte, vorkonfigurierte oder benutzerdefinierte Sicherheitselemente speichern generierte Anmeldeinformationen in Hardware-Sicherheitsmodulen (HSMs), die bei der Herstellung in das Gerät eingebettet sind, und isolieren sie vor der Offenlegung während und nach der Produktion. Die Trust&Go-Plattform erfordert nur ein kostengünstiges Entwicklungskit von Microchip, an dem der Designer innerhalb des mitgelieferten Designpakets arbeitet und Tutorials und Codebeispiele verwendet, um die erforderliche Manifestdatei zu erstellen. Wenn der C-Code für das sichere Element in der Anwendung funktioniert, kann das Design in die Produktion übertragen werden.

Die andere erforderliche Sicherheitsart ist die fortschrittlichste Wi-Fi-Sicherheit, die von der Wi-Fi Alliance zertifiziert wurde. Die neueste Version ist WPA3, die auf ihrem Vorgänger WPA2 aufbaut, indem sie Funktionen hinzufügt, die die Wi-Fi-Sicherheit vereinfachen und eine stärkere Authentifizierung bieten, die kryptografische Stärke verbessern und die Ausfallsicherheit des Netzwerks aufrechterhalten. Alle neuen Geräte müssen WPA3-zertifiziert sein, um das Wi-Fi Alliance-Logo verwenden zu können, daher müssen alle Wi-Fi-Chips und alle Wi-Fi-Mikrocontroller für maximale Sicherheit zertifiziert sein. Es sollte jedoch überprüft werden, ob der Mikrocontroller
Candidate Wi-Fi ist WPA3-zertifiziert.

Stellen Sie die Interoperabilität sicher

Es ist immer möglich, dass ein Wi-Fi-Mikrocontroller aufgrund von HF-Fehlanpassung, Software und anderen Faktoren nicht mit einigen Zugangspunkten auf dem Markt kommunizieren kann. Die Unfähigkeit, sich mit weit verbreiteten Zugangspunkten zu verbinden, könnte den Ruf eines Unternehmens beeinträchtigen. Es kann zwar nicht garantiert werden, dass ein Wi-Fi-Mikrocontroller mit jedem Access Point (AP) auf der Welt funktioniert, aber das Problem kann minimiert werden, indem überprüft wird, ob der Wi-Fi-Mikrocontroller Interoperabilitätstests mit den gängigsten APs bestanden hat Markt. Diese Informationen sind auf den Websites der Hersteller zu finden, aber nicht immer leicht zu finden. Rufen Sie den Hersteller an, fordern Sie diese Informationen an und wenden Sie sich an einen anderen Lieferanten, wenn er sie nicht bereitstellt.

Sie werden Hilfe brauchen

Nicht zuletzt ist Designunterstützung gefragt. Ohne eine Plattform in Form einer integrierten Entwicklungsumgebung (IDE) ist der Designer gezwungen, Ressourcen aus dem Internet einzubinden, die nützlich, einfach oder zuverlässig sein können oder auch nicht. Beispielsweise stellen einige Hersteller von Wi-Fi-Mikrocontrollern grundlegende Produktinformationen und Anweisungen für das Prototyping bereit, die nicht über die Bereitstellung der Informationen hinausgehen, die für den Übergang vom Prototyping zur Produktion erforderlich sind.

Damit diese Informationen nützlich sind, müsste der Hersteller eine vollständige IDE bereitstellen
(Abbildung 3), das alle analogen und digitalen Funktionen umfasst, die vom Wi-Fi-Mikrocontroller ausgeführt werden, sowie alle externen Komponenten, die für seine Implementierung in bestimmten Anwendungen erforderlich sind. Es sollte als Mittel dienen, um zu visualisieren, wie sich Designänderungen in der Leistung widerspiegeln, und um die HF-Leistung des Designs sowie die Einhaltung gesetzlicher Vorschriften zu bewerten. Einige der grundlegenden Tools sind kostenlos, während andere zu einem erschwinglichen Preis erworben werden können, wie z. B. Evaluierungskarten, die für die Familie der Wi-Fi-Mikrocontroller des Herstellers entwickelt wurden.

Zusammenfassung

Der Trend im IoT zeigt mehr Rechenleistung in Richtung Rand des Netzwerks, anstatt sich ausschließlich auf Cloud-basierte Rechenzentren zu verlassen. Dazu ist es notwendig, möglichst viele Funktionen auf kleinstem Raum und mit möglichst wenigen Bauteilen zu integrieren. Der Wi-Fi-Mikrocontroller ist einer von vielen SoCs, die in dieser Hinsicht einen langen Weg zurückgelegt haben, indem sie viele Funktionen in einem einzigen Gerät integriert haben, anstatt diskrete Komponenten zu verwenden, die eine bestimmte Funktion ausführen.

Die Integration dieser Geräte in ein eingebettetes IoT-Subsystem kann relativ einfach sein, solange der Wi-Fi-Mikrocontroller-Hersteller die entsprechenden Ressourcen bereitstellt. Dazu gehören ein hohes Maß an Sicherheit, eine flexible Art der Bereitstellung, um den Anforderungen von Cloud-Service-Anbietern gerecht zu werden, und eine umfassende IDE, die den Designer von der Prototypenentwicklung bis zur Produktion führt.