NuMicro M2351 的 Thread 參考設計方案

Thread 是一種低功耗網狀網絡協議，廣泛應用于智能家居、工業物聯網和傳感器網絡中。作為一款基于 Arm Cortex-M23 內核的安全微控制器，NuMicro M2351 在 Thread 應用中具有極大的潛力。以下將從設計方案、主控芯片型號及其作用、設計流程等多個方面進行詳細探討。

NuMicro M2351 概述

NuMicro M2351 是新唐科技推出的一款基于 Arm Cortex-M23 內核的安全微控制器，符合 Armv8-M 架構的 TrustZone 技術標準，支持高效的嵌入式安全應用。該芯片集成了豐富的外設、低功耗設計、強大的安全特性，是 Thread 網絡開發的理想選擇。

M2351 主要特點包括：

• 處理性能：主頻可達 64 MHz，支持浮點運算。

• 存儲器資源：高達 512 KB 的 Flash 和 96 KB 的 SRAM，足以支持 Thread 協議棧的運行。

• 安全特性：內置硬件加密引擎（AES、SHA、RSA）、隨機數發生器（TRNG）和 Secure Boot 支持。

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

Thread 參考設計中的關鍵芯片

在設計 Thread 網絡設備時，除 M2351 主控芯片外，還需搭配多個支持芯片實現完整功能。以下列舉設計中常用的芯片及其具體作用：

主控芯片：NuMicro M2351 系列

• M2351KIAAE：低引腳數版本，適合空間有限的設計。

• M2351SIAAE：中等配置，適合一般 Thread 設備。

• M2351ZIAAE：高引腳數版本，提供更多外設接口和擴展功能。

在設計中的主要作用：

• 執行 Thread 協議棧，完成數據路由、網絡管理和安全認證等功能。

• 管理傳感器和外部無線通信模塊。

• 提供系統的低功耗管理。

無線通信模塊

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

• NXP JN5189：支持 Thread 和 Zigbee 的雙協議芯片，功耗低，適合電池供電設備。

• Silicon Labs EFR32MG22：性能強大，具有更高的輸出功率。

• Qorvo GP712：多協議支持，適合復雜網絡環境。

無線模塊的作用：

• 實現低功耗無線通信，支持網狀網絡的拓撲結構。

• 通過硬件加速提升網絡的吞吐量和響應速度。

電源管理芯片

Thread 設備通常要求長時間運行，因此電源管理設計至關重要。以下是推薦的電源芯片：

• TI TPS61291：升壓轉換器，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：高效率的降壓轉換器，降低待機功耗。

在設計中的主要作用：

• 提供穩定的電壓供給，確保系統在低功耗模式下的正常運行。

• 保護電池，延長設備的使用壽命。

安全芯片

Thread 網絡中數據傳輸的安全性至關重要。除了 M2351 的內置加密模塊，還可增加獨立安全芯片：

• Microchip ATECC608A：硬件加密和身份認證芯片，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備。

安全芯片的作用：

• 增強系統的防篡改能力，保護用戶數據。

• 支持硬件級別的身份認證，防止非法設備接入網絡。

Thread 參考設計方案實現

硬件設計

1. 原理圖設計
   硬件設計需圍繞 M2351 和無線模塊進行。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. 電源設計
   根據設備供電模式（電池或外接電源），選擇合適的電源管理芯片。需重點優化功耗，減少休眠模式下的能量消耗。

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

軟件設計

1. 協議棧移植
   使用 OpenThread 或其他廠商提供的 Thread 協議棧。移植時需結合 M2351 的硬件外設驅動，確保協議棧能正常運行。

2. 設備角色配置
   Thread 網絡中，設備可配置為 Router、End Device 或 Leader。不同角色需根據設備硬件資源和功能需求進行調整。

3. 安全認證
   利用 M2351 的 TrustZone 和硬件加密模塊，為網絡中的每次通信提供加密保障。可結合 ATECC608A 等芯片進行身份認證。

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

測試與調試

1. 功能測試
   驗證設備在加入 Thread 網絡后能否正常通信，確保協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備在工作和休眠模式下的電流消耗，確保設計符合低功耗需求。

3. 穩定性測試
   在多節點網絡環境下長時間運行設備，測試網絡拓撲的動態調整能力和通信穩定性。

典型應用案例

1. 智能家居網關
   使用 M2351 和無線模塊構建低功耗網關設備，連接 Zigbee、Thread 和 Wi-Fi 網絡，實現多協議通信。

2. 工業物聯網節點
   在工業監測場景中部署 M2351 設備，用于采集傳感器數據并通過 Thread 網絡上報。

3. 智能燈光控制系統
   使用 M2351 和 JN5189 模塊，實現無線控制和組網功能，支持多種燈具的動態聯動。

總結

NuMicro M2351 結合其強大的處理能力、豐富的外設資源和安全特性，是實現 Thread 網絡設計的理想選擇。通過選用合適的無線通信模塊、電源管理芯片和安全芯片，開發者可以快速構建高效、低功耗的 Thread 網絡設備，并滿足智能家居和物聯網領域的廣泛需求。