用于智能家電/工控應用的無線MCU—中穎SH87F8962介紹

前言

隨著物聯網技術帶來的變革性影響逐步深入，智能家居、工業物聯網等下游應用領域的市場需求將面臨爆發式增長，市場規?？焖贁U大。根據IDC的調研，智能家居的出貨量可能會從2021年的8.95億上升到2026年的14.4億

因用戶規模以及生活水平的提升，我國成全球主要智能家居市場之一。2022年中國智能家居出貨量2.6億臺，到2026年出貨量達到5.25億臺。其中智能家電出貨量將從2022年的1億臺成長到2026年的2億臺。

中穎電子自2002年開始進入家電MCU市場，與國內主要頭部家電廠商建立了長期的合作伙伴。經過二十年的長期耕耘，目前已成為國產家電MCU龍頭廠商，市場占有率保持領先，在小家電、白色家電的多個細分領域有著齊全的MCU產品線。

隨著家電的智能化發展，對MCU的性能和資源要求不斷提高，同時Wi-Fi/BLE聯網也逐漸成為智能家電產品的標配功能。中穎電子在2020年正式推出了一系列基于ARM M3/M0+系列應用于家電領域的32bit MCU產品之后，因應其I-IoT（工業物聯網）戰略，即將于2022年底正式推出集成Wi-Fi/BLE無線聯網功能的MCU，這也將是業界第一顆專門針對家電應用打造的的Wi-Fi MCU產品。接下來，本文將重點介紹這顆型號為SH87F8962的無線MCU產品。

SH87F8962相比其他傳統MCU產品主要有如下特點：

一、增加了Wi-Fi/BLE無線通信連接功能，可直接滿足家電智能化聯網需求

二、采用雙核架構，分別用于控制和通信，兼顧穩定性、高性能、低功耗和易用性

三、繼承中穎工業級MCU的優秀品質，在抗EMC干擾、工作溫度等各方面滿足復雜的工業環境應用

四、集成了LCD/LED顯示、觸摸、PWM、ADC等豐富的外設資源，尤其適合家電類應用

五、采用SiP系統級先進封裝工藝，集成了射頻相關的外部元器件，體積極小，同時保證無線性能一致性，有效降低客戶端綜合生產成本

支持Wi-Fi/BLE雙無線協議的無線通信功能

我們知道，現在家庭的網絡基礎設施當中Wi-Fi是最普及的，因此智能家電實現遠程通信控制的方式基本上都是采用Wi-Fi連接無線路由器的方式?？紤]到不同家電在家中拜訪的位置不一樣，要保證Wi-Fi通信的可靠性和穩定性，對無線收發的性能有一定要求。此外，對于用戶使用而言，家電設備的Wi-Fi配網過程在過去是一個比較復雜而繁瑣的過程，這是由于家電設備往往不像手機這樣有著方便的顯示和輸入的人機交互方式。因此現在最新的智能家電都加入了BLE（低功耗藍牙）的連接方式，通過手機APP來實現一鍵配網，方便且不易出錯，極大的改善了用戶體驗。

基于上述考量，SH87F8962增加的無線通信功能模塊同時支持Wi-Fi和BLE兩種無線通信協議。其中無線射頻模塊工作在2.4G頻段下，是Wi-Fi和藍牙都能工作的ISM頻帶，不僅僅是節省芯片面積，更主要的是Wi-Fi在2.4G頻段相比5G頻段具有更好的穿墻能力，確保設備連接的穩定性。

SH87F8962的Wi-Fi部分集成了符合單流IEEE 802.11b/g/n標準的PHY、MAC和Baseband，支持HT20和H40兩種帶寬模式，最高可支持到150Mbps，足以滿足智能家電的遠程控制和數據傳輸需求。SH87F8962在Wi-Fi模式下發射鏈路的最大發射功率達到20dBm，接受鏈路的接受靈敏度則達到-98dBm，整體鏈路預算達到108dBm，有效的保證了家庭環境下的無線覆蓋能力。

SH87F896的BLE部分則是集成了完全符合低功耗藍牙5.1標準規范的PHY、Linklayer以及協議棧。支持藍牙2Mbps通信速率，Long range長距離模式，AOA/AOD定位、以及藍牙SIG Mesh通信協議。除了可用于Wi-Fi配網，點對點手機控制，還可以拓展到Mesh組網乃至室內定位等更復雜的應用場景。

穩定靈活的雙核架構

目前市面上的Wi-Fi MCU產品基本上都是單核架構，在實現Wi-Fi或BLE通信時，芯片內核必須兼顧處理用戶應用以及無線射頻部分，而這兩個部分物理上對資源的要求不同，且因為需要分時處理會使得任務處理時間長并增加功耗。同時對開發者來說，開發時間和工作量也會增加。因此，目前在具體應用當中，往往還是采用專用的無線芯片搭配MCU芯片的方式。

SH87F8962采用了雙核架構，將應用處理與無線射頻處理分開，分別是32bit ARM M3內核的主MCU系統和ARM M-Star內核的無線子系統。在設計上，主MCU系統和無線子系統的Flash和RAM資源是各自獨立的，這樣的設計具備上面提到的無線芯片搭配MCU芯片的兩顆芯片方案的靈活性優點：

a.首先是有效保證了兩個內核可以并行同時工作，效率大幅提高，雙核調度協調的復雜度降低。主MCU可以專門處理用戶應用相關的功能處理，而無線子系統則專門負責與連接相關的處理，彼此之間只需要少量的通信和協調控制。

b.其次是整體穩定性更有保證。當無線射頻部分因為意外原因導致通信受阻或出錯時可以通過主MCU進行恢復，容錯能力更強，而主MCU的正常用戶應用不會受到任何影響。

c.網絡安全性好。MCU主系統具有Flash硬件加密機制，確保固件的安全性，而無線子系統具有專門的硬件加密引擎，支持各種主流加密算法，確保網絡通信的安全性。且由于兩個系統相對獨立，可有效防護通過網絡對主MCU系統的攻擊。

d.功耗控制更加靈活。主MCU和無線子系統各司其職的同時，也可以各自休眠，尤其是Wi-Fi這種射頻電流較大的模塊，在休眠狀態下可以極大的降低整機功耗。

e.開發自由度更高?？蛻艨梢苑謩e安排專門負責應用開發和無線通信開發的工程師，同時進行應用開發和無線通信功能的設計，并行開發和調試的效率也明顯提高。

此外，SH87F8962作為雙核單顆芯片產品，成本相比雙芯片方案不僅在整個系統成本上更低，在客戶供應鏈管理方面也更加方便。

高性能、高可靠性

SH87F8962的兩個內核都采用了高性能32bit ARM內核。

其中主MCU內核為ARM M3，支持72MHz最高主頻，由于采用特殊結構的存儲器指令加速模式，可使系統獲得近乎零等待周期的高運行效率,能夠同時進行更加復雜的人機交互處理如顯示、觸摸等任務。高效的指令執行效率以及完備的生態系統，支持家電應用從傳統控制系統向網絡式智能化控制系統邁進。

無線子系統則是采用了ARM Star內核，這是ARM中國推出的基于ARM V8-M指令集的新一代處理器內核，相比ARM M3的V7-M指令集架構在性能上提高20%。此外ARM Star內核還包含了DSP單元，相比ARM M3的預算性能提高10倍。因此SH87F8962的無線子系統采用ARM Star內核，且主頻高達160MHz，保證了Wi-Fi/BLE通信的穩定高效，同時可以支持各種復雜的安全加密算法，有效保證了網絡安全。此外，隨著家電智能化的發展，AI處理需求越來越多，也能通過無線子系統這顆強大的CPU內核進行處理。

除了性能方面較中穎過往8bit MCU產品系列有著巨大的提升，SH87F8962一如既往的繼承了中穎MCU堅如磐石的品質和可靠性，特別適用于對環境復雜度較高的家電/工控應用。其設計的工作溫度為-40°C~105°C，完全滿足工業級應用的溫度范圍。2.0~5.5V的寬工作電壓范圍，可以很好的滿足家電應用乃至各類工業應用。在EMC抗干擾方面，無論是ESD還是EFT都可以達到Class 3A的級別。在新增的無線連接功能部分，經過了大量復雜環境下的連接可靠性測試，以確保在各種干擾環境下都能提供穩定可靠的通信功能。

大資源、豐富的外設模塊

如同中穎其他MCU系列，SH87F8962集成了豐富的外設模塊和片上資源，以及成熟的工具鏈和開發環境。

SH87F8962的主MCU系統CPU主頻為72MHz，Flash ROM有256K，RAM為32K，豐富的外設資源包括1個8通道DMA控制器、24通道的12bit ADC、24通道的觸摸按鍵、12x16支持256級調光的LED驅動器、8x36的LCD驅動器、8個PCA、4個PWM定時器、的4個16bit通用定時器（可級聯成2個32bit定時器）、1個24bit基本定時器，以及6個UART、2個SPI、2個I2C通信接口。

SH87F8962的獨立無線子系統除了提供WiFi和BLE無線通信接口，CPU主頻160MHz，片上Flash有4MB，RAM為352K，QSPI接口可擴展外部Flash達到256M，以及支持AES、HASH、ECC、ECDH等各種主流加密算法的硬件加密引擎。

為了方便客戶開發，中穎為SH87F8962同樣提供了完整的開發資料，包括數據手冊、Keil開發插件、Sinolink調試工具、參考代碼等，針對無線子系統則包括專門的軟件SDK、FreeRTOS等，方便客戶快速上手。

高集成度、低成本

除了上述提到的SH87F8962的的眾多價值，還有一個客戶非常關心的重點是成本。成本也不僅僅是指芯片成本，還包括BOM、生產、測試等方面的成本。SH87F8962本身設計的集成度比較高，除了前述的單芯片雙核架構，集成豐富外設之外，在無線子系統部分較傳統無線芯片集成度更高。

SH87F8962的無線子系統不僅把巴倫（Balun）內置，省掉了外部巴倫，最關鍵的是采用先進的SiP系統級封裝工藝，將其他射頻相關的器件如晶振、電感、電容、電阻等全部集成到芯片內部，芯片的尺寸只有9mm x 9mm，真正做到與傳統MCU幾乎一樣精簡的外部器件。由于采用先進封裝工藝，器件物料品質管理更加嚴格，并且在芯片出廠時經過了完整的測試，包括射頻性能測試，產品無線性能的一致性得到保證，有效降低客戶端的測試成本。應用上最少可以做到兩層板，加上芯片的尺寸小，且沒有額外的外部元器件，這也大大的降低了所需的PCB成本。并且由于PCB可以做得更小，在小型化應用有著明顯的優勢，可以提供客戶在產品ID方面更大的創意發揮空間，提供給消費者更有吸引力的產品。

結束語

隨著物聯網的發展，MCU在IoT應用場景越來越多，無線MCU則是MCU未來發展的一個重點方向。品質與可靠性是中穎MCU始終追求的目標，因此中穎的無線產品長期定位是I-IoT（工業物聯網），而與工業應用最接近的其實是家電應用。家電始終都是中穎MCU重點耕耘的領域，每年都會保持高比例的研發投入和推出新的MCU產品。家電智能化趨勢已經形成，因此中穎在I-IoT MCU產品線上的第一顆產品就是針對智能家電應用推出的SH87F8962。并且隨著拓展的更多細分家電應用，中穎還會推出更多的無線集成的MCU。持續保持中穎MCU在家電領域的優勢，給客戶提供綜合成本更優、性能和品質更好的無線MCU產品系列，同時提供一如既往成熟的開發環境和良好服務。

審核編輯：劉清