ST：为无线MCU筑起高墙

为了方便开发人员在无线IoT项目中灵活地使用STM32WL系列芯片，意法半导体(ST)日前在2020年1月推出的单核STM32WLE5产品基础上，新推出了采用Arm Cortex-M4和Cortex-M0+双核架构设计的STM32WL55和两个非LoRa产品型号，即单核的STM32WLE4和双核的STM32WL54 。
无线MCU市场异军突起ST在2020年进行的收购中，有3起与STM32无线MCU直接相关，包括超宽带(UWB)厂商BeSpoon、Riot Micro的蜂窝物联网连接资产、以及专注于硅功率放大器和RF前端模块(FEM)产品的SOMOS公司，可谓雄心勃勃。按照意法半导体中国区微控制器市场及应用总监曹锦东的说法，ST的无线MCU战略，将是"打造一个覆盖从家庭到工业，从短距到长距，从低速到高速的全方位，多维度的无线产品生态系统。"

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根据MarketsandMarkets的报告，全球无线连接市场规模预计将从2020年的690亿美元增长到2025年的1411亿美元，复合年增长率为15.4％。推动无线连接市场增长的主要因素包括智能基础设施发展中对无线传感器网络的需求增加、互联网渗透率的显著提高、新冠肺炎流行带来的在家办公和线上学习等趋势的增长、以及物联网应用中对低功耗广域(LPWA)网络的需求增加。而亚太区无线连接市场的增长，可归功于消费类电子产品、可穿戴设备和智慧城市项目等应用中对芯片组的需求不断增长。
该报告指出，各种无线连接技术(如ZigBee、BLE、UWB、LTE Cat-M/NB-IoT、LoRa/Sigfox)性能的大幅提升，加速了无线传感器在智能家庭和办公室中的部署。同时，随着工艺优化、家庭自动化和生活方式的改善，传感器成本不断下降，使得无线传感器网络(WSNs)的应用越来越广泛。
细化到无线MCU市场，目前，其在工业和消费类应用中占比最高，分别为43%和37% 。从MCU位数和内核来看，32位无线MCU占比为80%，成为主流；基于Arm内核的产品总占比达到了60%，成为主流。其中，基于Arm Cortex-M0内核的无线MCU占比最大，达到了41%；其次为Arm Cortex-M3，而作为近几年新兴起的RISC-V占比为8%，产品发展速度较快。
"从芯片角度来讲，更大的存储、更新的工艺和更低的功耗，是千年不变的需求。"曹锦东说未来，除了集成更多无线通信技术外，更先进的安全保护与更高的本机自主智能将成为STM32发展的另外两个维度。这意味着，对ST而言，如何向客户提供从软件到芯片、再到系统的完整人工智能方案？如何提供从内核/IP，到软件，再到系统的安全方案，既是挑战，也是机会。

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【ST：为无线MCU筑起高墙】从左至右依次为：意法半导体中国区微控制器市场及应用总监曹锦东，意法半导体亚太区STM32WL无线微控制器策略总监陈德勇，意法半导体高级应用工程师徐向东
他强调说，作为世界主要经济体中唯一在2020年实现正增长的国家，中国市场始终处于ST全球战略的核心。考虑到当前数字经济的大幅增长态势和越来越复杂的系统设计，ST将把重点应用、大众市场和生态系统作为其在中国市场发展的三大支柱。
与众不同的特性与集成蓝牙、Zigbee等2.4GHz无线技术的STM32WB系列不同，STM32WL主要集成LoRa/Sigfox等LPWA技术。这类技术一般基于Sub-1GHz无线网络技术，覆盖范围从几公里到10多公里不等，传感终端采用电池供电，传输速率低、数据量小，电池续航可达几年甚者10几年。而简化轻量的协议降低了硬件设计的复杂性，降低了设备成本和昂贵的基础设施投入，并且由于使用免许可频段，也降低了网络成本。

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意法半导体亚太区STM32WL无线微控制器策略总监陈德勇援引IHS和LoRa联盟的数据称，截至目前，LoRaWAN网络已在全球162个国家中得到部署，相关运营商达148家，并和Sigfox一道成为增长幅度最大两种技术。

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作为目前全球唯一支持LoRa低功耗广域网(LPWAN)的系统级SoC单芯片，STM32WL系列支持多种调制方案的Sub-GHz射频子系统，包括LoRa、Sigfox、无线仪表总线(wM-Bus)等协议和其他专有协议，以及Sub-GHz标准所用的(G)FSK、(G)MSK和BPSK调制技术。

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在设计中，STM32WL系列射频电路采用了Semtech SX126x收发器IP内核，并针对STM32平台的功率模式进行了二次设计。射频部分包含两个最大发射功率15dBm和22dBm的内部功率放大器，高低功率发射模式可以覆盖全球150MHz至960MHz的免执照频段，确保芯片兼容所有地区的低功率广域网。高集成度是射频部分的另一大设计亮点，高速外部(HSE)时钟与射频信号同步只需一个晶振，无需外部功率放大器(PA)，可最大程度地减少总物料清单(BoM)成本和解决方案的面积。

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架构方面，除了基于支持DSP扩展指令集的高能效Arm Cortex-M4内核外，得益于动态电压调整等超低功耗技术，以及ART Accelerator自适应实时加速技术，可实现执行闪存代码零等待周期。MCU闪存容量可选，最高256KB，使开发人员可以为整个平台（包括应用和射频）选择最佳的代码和数据存储容量。

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内置的网络安全功能包括硬件对称加密和公钥加速器、硬件随机数发生器(TRNG)、扇区读/写保护、双核安全区域隔离，以及支持最先进的加密算法，包括RSA、ECC和ECDSA 。
此外，用户可以利用STM32Cube开发生态系统来简化产品开发，缩短产品上市时间。资源包括STM32CubeMX项目配置和代码生成工具、STM32CubeMonitor运行时监视和可视化工具，以及STM32CubeProgrammer代码烧写工具。

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STM32CubeWL MCU软件包的组件包括STM32WL系列运行所需的全部嵌入式软件模块，包括外设驱动程序、ST的LoRaWAN协议栈、Sigfox协议栈，以及利用ST的安全启动和安全固件更新(SBSFU)技术实现LoRaWAN固件无线更新(FUOTA)的示例代码，其他的协议栈包括授权合作伙伴开发的Stackforce W-MBus协议栈。
数据所有权决定方案选择权？关于LPWAN和NB-IoT方案的比较，是近两年行业讨论的热点之一，有说法认为，具体选择何种技术，最终完全取决于数据掌握在谁的手中。对此，陈德勇表示，过去几年里，中国对包括NB-IoT技术在内5G推广力度极大，使得NB模组价格一路下探，直逼传统的2G模组价格，对一些应用开发者来说这是极具吸引力的。对于LoRa而言，工信部此前的批文消除了开发者此前对组网限制、使用合法性等方面的顾虑，使之在很多私有场景和局域网应用中得到了快速部署。从ST的角度来看，无论用户采用何种技术，都能通过STM32平台找到最佳方案。
曹锦东指出，关于LPWAN和NB-IoT方案的选择，需要从以下三方面进行仔细衡量：
第一，取决于网络是否容易部署。对NB来说，优势在于会有运营商帮它把整个网络基站都部署好，但缺点在于并不是所有的地方都有网络可以覆盖，这是一个矛盾。LoRa网络不需要考虑运营商，想建在哪里就建在哪里，但具体应用场景需要自己搭建；
第二，数据掌握在谁手上？
第三，从运维角度来讲，NB网络牵扯运营商，运维或者升级时会有资费问题，但LoRa一旦部署之后就不存在这样的问题。
"总体来说，用户在部署前需要从可用性、网络覆盖率、可维护性，功耗差异性等多维度进行思考，但目前乃至将来一段时期内，NB和LoRa共存的趋势不会发生变化。"曹锦东说。