NuMicro M2351 的 Thread 參考設(shè)計(jì)方案

Thread 是一種低功耗網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，廣泛應(yīng)用于智能家居、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和傳感器網(wǎng)絡(luò)中。作為一款基于 Arm Cortex-M23 內(nèi)核的安全微控制器，NuMicro M2351 在 Thread 應(yīng)用中具有極大的潛力。以下將從設(shè)計(jì)方案、主控芯片型號及其作用、設(shè)計(jì)流程等多個方面進(jìn)行詳細(xì)探討。

NuMicro M2351 概述

NuMicro M2351 是新唐科技推出的一款基于 Arm Cortex-M23 內(nèi)核的安全微控制器，符合 Armv8-M 架構(gòu)的 TrustZone 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，支持高效的嵌入式安全應(yīng)用。該芯片集成了豐富的外設(shè)、低功耗設(shè)計(jì)、強(qiáng)大的安全特性，是 Thread 網(wǎng)絡(luò)開發(fā)的理想選擇。

M2351 主要特點(diǎn)包括：

• 處理性能：主頻可達(dá) 64 MHz，支持浮點(diǎn)運(yùn)算。

• 存儲器資源：高達(dá) 512 KB 的 Flash 和 96 KB 的 SRAM，足以支持 Thread 協(xié)議棧的運(yùn)行。

• 安全特性：內(nèi)置硬件加密引擎（AES、SHA、RSA）、隨機(jī)數(shù)發(fā)生器（TRNG）和 Secure Boot 支持。

• 外設(shè)接口：包括 UART、I2C、SPI 和 GPIO，方便與傳感器、無線模塊等外設(shè)通信。

Thread 參考設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵芯片

在設(shè)計(jì) Thread 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備時，除 M2351 主控芯片外，還需搭配多個支持芯片實(shí)現(xiàn)完整功能。以下列舉設(shè)計(jì)中常用的芯片及其具體作用：

主控芯片：NuMicro M2351 系列

• M2351KIAAE：低引腳數(shù)版本，適合空間有限的設(shè)計(jì)。

• M2351SIAAE：中等配置，適合一般 Thread 設(shè)備。

• M2351ZIAAE：高引腳數(shù)版本，提供更多外設(shè)接口和擴(kuò)展功能。

在設(shè)計(jì)中的主要作用：

• 執(zhí)行 Thread 協(xié)議棧，完成數(shù)據(jù)路由、網(wǎng)絡(luò)管理和安全認(rèn)證等功能。

• 管理傳感器和外部無線通信模塊。

• 提供系統(tǒng)的低功耗管理。

無線通信模塊

Thread 使用 IEEE 802.15.4 協(xié)議作為底層通信協(xié)議。M2351 可通過 SPI 或 UART 接口連接以下無線模塊：

• NXP JN5189：支持 Thread 和 Zigbee 的雙協(xié)議芯片，功耗低，適合電池供電設(shè)備。

• Silicon Labs EFR32MG22：性能強(qiáng)大，具有更高的輸出功率。

• Qorvo GP712：多協(xié)議支持，適合復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

無線模塊的作用：

• 實(shí)現(xiàn)低功耗無線通信，支持網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

• 通過硬件加速提升網(wǎng)絡(luò)的吞吐量和響應(yīng)速度。

電源管理芯片

Thread 設(shè)備通常要求長時間運(yùn)行，因此電源管理設(shè)計(jì)至關(guān)重要。以下是推薦的電源芯片：

• TI TPS61291：升壓轉(zhuǎn)換器，用于提高電池電壓以滿足芯片供電要求。

• Analog Devices LTC3555：多通道電源管理 IC，支持電池充放電管理。

• Richtek RT6150A：高效率的降壓轉(zhuǎn)換器，降低待機(jī)功耗。

在設(shè)計(jì)中的主要作用：

• 提供穩(wěn)定的電壓供給，確保系統(tǒng)在低功耗模式下的正常運(yùn)行。

• 保護(hù)電池，延長設(shè)備的使用壽命。

安全芯片

Thread 網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩灾陵P(guān)重要。除了 M2351 的內(nèi)置加密模塊，還可增加獨(dú)立安全芯片：

• Microchip ATECC608A：硬件加密和身份認(rèn)證芯片，支持加密密鑰存儲。

• Infineon OPTIGA Trust M：多用途的安全芯片，適合需要更高安全等級的設(shè)備。

安全芯片的作用：

• 增強(qiáng)系統(tǒng)的防篡改能力，保護(hù)用戶數(shù)據(jù)。

• 支持硬件級別的身份認(rèn)證，防止非法設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)。

Thread 參考設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)

硬件設(shè)計(jì)

1. 原理圖設(shè)計(jì)
   硬件設(shè)計(jì)需圍繞 M2351 和無線模塊進(jìn)行。確保 SPI、I2C 等接口的引腳連接正確，并增加必要的電源去耦電容和晶振。

2. 電源設(shè)計(jì)
   根據(jù)設(shè)備供電模式（電池或外接電源），選擇合適的電源管理芯片。需重點(diǎn)優(yōu)化功耗，減少休眠模式下的能量消耗。

3. 天線設(shè)計(jì)
   如果使用集成式無線模塊，可選用自帶 PCB 天線的模塊。對于外部天線設(shè)計(jì)，需確保匹配網(wǎng)絡(luò)的阻抗為 50Ω，以獲得最佳通信性能。

軟件設(shè)計(jì)

1. 協(xié)議棧移植
   使用 OpenThread 或其他廠商提供的 Thread 協(xié)議棧。移植時需結(jié)合 M2351 的硬件外設(shè)驅(qū)動，確保協(xié)議棧能正常運(yùn)行。

2. 設(shè)備角色配置
   Thread 網(wǎng)絡(luò)中，設(shè)備可配置為 Router、End Device 或 Leader。不同角色需根據(jù)設(shè)備硬件資源和功能需求進(jìn)行調(diào)整。

3. 安全認(rèn)證
   利用 M2351 的 TrustZone 和硬件加密模塊，為網(wǎng)絡(luò)中的每次通信提供加密保障?？山Y(jié)合 ATECC608A 等芯片進(jìn)行身份認(rèn)證。

4. 低功耗優(yōu)化
   通過軟件編程啟用 M2351 的低功耗模式（例如 Deep Sleep 或 Power Down），結(jié)合無線模塊的休眠功能，大幅延長設(shè)備的電池續(xù)航時間。

測試與調(diào)試

1. 功能測試
   驗(yàn)證設(shè)備在加入 Thread 網(wǎng)絡(luò)后能否正常通信，確保協(xié)議棧和硬件兼容性無問題。

2. 功耗測試
   使用功耗分析儀測試設(shè)備在工作和休眠模式下的電流消耗，確保設(shè)計(jì)符合低功耗需求。

3. 穩(wěn)定性測試
   在多節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下長時間運(yùn)行設(shè)備，測試網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭討B(tài)調(diào)整能力和通信穩(wěn)定性。

典型應(yīng)用案例

1. 智能家居網(wǎng)關(guān)
   使用 M2351 和無線模塊構(gòu)建低功耗網(wǎng)關(guān)設(shè)備，連接 Zigbee、Thread 和 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)多協(xié)議通信。

2. 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)
   在工業(yè)監(jiān)測場景中部署 M2351 設(shè)備，用于采集傳感器數(shù)據(jù)并通過 Thread 網(wǎng)絡(luò)上報(bào)。

3. 智能燈光控制系統(tǒng)
   使用 M2351 和 JN5189 模塊，實(shí)現(xiàn)無線控制和組網(wǎng)功能，支持多種燈具的動態(tài)聯(lián)動。

總結(jié)

NuMicro M2351 結(jié)合其強(qiáng)大的處理能力、豐富的外設(shè)資源和安全特性，是實(shí)現(xiàn) Thread 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的理想選擇。通過選用合適的無線通信模塊、電源管理芯片和安全芯片，開發(fā)者可以快速構(gòu)建高效、低功耗的 Thread 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，并滿足智能家居和物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的廣泛需求。