物联网之芯：传感器件与通信芯片设计

1.6.2 IC企业在物联网领域的布局 23
1.6.3 传感器芯片和通信芯片是物联网集成电路芯片产业的方向 28
1.7 本章小结 29
1.8 习题 29
第2章 集成电路制造与设计基础 30
2.1 集成电路发展简史 30
2.2 集成电路产业变迁 32
2.3 集成电路分类与命名规则 35
2.3.1 按电路属性、功能分类 35
2.3.2 按集成规模分类 37
2.3.3 按导电类型分类 38
2.3.4 按用途分类 38
2.3.5 按外形分类 39
2.3.6 集成电路命名规则 39
2.4 集成电路制造 40
2.4.1 晶圆制造 40
2.4.2 晶圆生产工艺流程 44
2.4.3 集成电路生产流程 44
2.4.4 集成电路工艺 46
2.4.5 CMOS工艺 49
2.5 集成电路封装 49
2.5.1 集成电路封装技术 49
2.5.2 集成电路封装形式枚举 52
2.6 集成电路微组装工艺 58
2.6.1 不同工艺芯片组装 58
2.6.2 集成电路组装案例 59
2.7 数字集成电路设计概要 62
2.8 本章小结 64
2.9 习题 64
第3章 物联网传感器件设计 65
3.1 传感器件概述 65
3.2 材料型传感器 66
3.2.1 材料型传感器的基础效应 66
3.2.2 传感器半导体材料特性设计 68
3.2.3 掺杂工艺改变半导体敏感特性 69
3.2.4 设计材料成分，改变制造工艺，调节敏感特性 72
3.3 结构型传感器 73
3.3.1 电阻敏感结构 74
3.3.2 电感敏感结构 75
3.3.3 电容敏感结构 78
3.4 半导体敏感器件 81
3.4.1 磁敏元件结构 81
3.4.2 湿敏元件结构 85
3.4.3 光敏元件结构 88
3.4.4 气敏元件结构 93
3.5 生物敏感元件结构 95
3.5.1 酶传感器结构 95
3.5.2 葡萄糖传感器结构 97
3.5.3 氧传感器结构 99
3.6 图像敏感元件结构 101
3.6.1 CCD图像传感器 101
3.6.2 CMOS图像传感器 106
3.6.3 色敏三极管 108
3.7 传感器接口技术 109
3.7.1 传感器融合 110
3.7.2 I3C总线协议 111
3.8 几种传感器设计实例 116
3.8.1 MEMS传感器概述 117
3.8.2 微机电系统（MEMS）压力传感器 118
3.8.3 微机电系统（MEMS）加速度传感器 118
3.8.4 智能压力传感器 119
3.8.5 智能温湿度传感器 121
3.8.6 智能液体浑浊度传感器 121
3.9 本章小结 122
3.10 习题 123
第4章 物联网通信集成电路设计 124
4.1 通信电路概述 124
4.1.1 物联网常用通信方式 124
4.1.2 物联网通信电路进展 128
4.2 物联网有线通信电路设计 130
4.2.1 RS232电路设计 131
4.2.2 用VHDL设计UART收发电路 132
4.2.3 用Verilog HDL设计USART收发电路 135
4.2.4 RS485电路设计 141
4.2.5 光纤收发器电路 142
4.2.6 USB 2.0接口电路设计 143
4.2.7 USB 3.0芯片设计 147
4.2.8 USB 3.0转千兆以太网单芯片设计 148
4.3 物联网无线通信技术 150
4.3.1 物联网无线通信技术概述 150
4.3.2 物联网无线通信技术特性 154
4.4 RFIC芯片设计 155
4.4.1 RFIC 设计历程 156
4.4.2 RFIC设计流程 156
4.4.3 RFIC设计行业的衰落 160
4.4.4 几款射频芯片性能一览 161
4.5 WiFi芯片设计 163
4.5.1 WiFi芯片产业概况 164
4.5.2 WiFi芯片设计 171
4.5.3 WiFi无线收发基带处理器设计 174
4.5.4 WiFi芯片设计案列 186
4.5.5 5G WiFi技术 191
4.6 蓝牙芯片设计 193
4.6.1 TI CC2541蓝牙芯片概述 193
4.6.2 TI CC2541蓝牙芯片RF片载系统 195
4.6.3 TI CC2541蓝牙芯片开发工具 195
4.6.4 TI CC2541 蓝牙低功耗解决方案 196
4.7 本章小结 197
4.8 习题 197
第5章 窄带物联网（NB-IoT） 198
5.1 NB-IoT概念 198
5.2 NB-IoT商业模式 199
5.3 NB-IoT技术标准 200
5.4 NB-IoT实现高覆盖、大连接、微功耗、低成本的技术路线 201
5.4.1 NB-IoT提升无线覆盖的方法 201
5.4.2 NB-IoT实现大连接的关键技术 203
5.4.3 NB-IoT实现低成本的技术路线 204
5.4.4 NB-IoT实现低功耗的措施 206
5.5 NB-IoT芯片设计 208
5.5.1 NB-IoT芯片设计目标 208
5.5.2 物联网芯片生产厂商产品一览 209
5.5.3 NB-IoT终端芯片系统结构 213
5.5.4 Rx架构的选择 216
5.5.5 Rx混频器（Mixer）设计 216
5.5.6 Rx直流偏移消除电路 218
5.5.7 Tx中的模拟基带 219
5.6 NB-IoT业务范围、应用场景及竞争挑战 221
5.6.1 NB-IoT主要业务范围 221
5.6.2 NB-IoT应用场景 222
5.6.3 NB-IoT发展与挑战 223
5.7 本章小结 223
5.8 习题 224
第6章 物联网5G通信技术 225
6.1 物联网5G通信基本概念 225
6.1.1 5G通信技术研究机构 225
6.1.2 5G通信技术研究进程 229
6.1.3 5G通信技术基本概念 229
6.1.4 5G通信技术应用场景 233
6.2 5G通信关键技术 234
6.2.1 5G通信技术指标 235
6.2.2 5G通信理论基础 235
6.2.3 5G网络关键技术 236
6.3 5G网络建设 245
6.3.1 5G网络主要功能 245
6.3.2 5G网络速率测试 246
6.3.3 5G网络商业应用进程 246
6.4 5G小基站建设 247
6.5 5G芯片设计与实现 250
6.6 5G芯片设计案例——智能手机芯片 253
6.6.1 调制变频技术与多工技术 253
6.6.2 数字通信系统架构 254
6.6.3 无线通信系统架构 256
6.6.4 通信相关集成电路：基频芯片、中频芯片、射频芯片 257
6.7 本章小结 258
6.8 习题 258
第7章 物联网嵌入式处理器应用 259
7.1 4种常见的物联网嵌入式处理器 259
7.1.1 嵌入式ARM微处理器 259
7.1.2 嵌入式MIPS处理器 260
7.1.3 PowerPC处理器 260
7.1.4 x86架构物联网处理器 261
7.2 嵌入式Cortex-M0微处理器 262
7.2.1 LPC1114微控制器 262
7.2.2 ARM微控制器开发的软件——Keil 264
7.3 微处理器应用于温度检测设计实例 265
7.3.1 DS18B20的工作原理 265
7.3.2 LPC1114控制DS18B20温度显示的工程实例 268
7.4 乐鑫ESP8266移动互联网SoC芯片应用 272
7.4.1 ESP8266芯片概述 272
7.4.2 ESP8266引脚定义 273
7.4.3 ESP8266EX内部结构及组成 275
7.4.4 ESP8266EX低功耗管理 278
7.4.5 ESP8266EX外设接口 279
7.4.6 WiFi SoC芯片应用设计 284
7.5 君正物联网处理器 286
7.6 本章小结 289
7.7 习题 289
第8章 SoC应用设计 290
8.1 FPAG应用是大数据和物联网的发展趋势 290
8.1.1 FPGA＋CPU模式：大数据时代发展趋势之一 290
8.1.2 FPGA替代部分AISC，提升运行效率 291
8.1.3 FPGA在小批量应用上的优势 293
8.2 FPGA性能特色 295
8.2.1 可编程的“万能芯片”——FPGA 295
8.2.2 FPGA的核心优点 295
8.2.3 FPGA的制约因素 296
8.2.4 半导体领域摩尔定律的坚定执行者 297
8.3 SoC设计导论 297
8.3.1 SoC的概念 297
8.3.2 Cortex-M0处理器及总线结构 298
8.4 SoC系统的实现 301
8.4.1 Cortex-M0系统的构建 301
8.4.2 仿真原理和行为级仿真 318
8.4.3 系统编译和分析 323
8.5 本章小结 329
8.6 习题 329
第9章 微功耗无源物联网电源模块设计 330
9.1 电源管理 330
9.1.1 电压变换 331
9.1.2 功耗管理模式 334
9.1.3 功耗分析 335
9.2 微处理器功耗分析 339
9.2.1 微处理器功耗来源 340
9.2.2 CMOS反相器功耗组成 340
9.2.3 集成电路设计中常用的低功耗技术 341
9.3 STM32微处理器节能工作模式 344
9.3.1 STM32芯片的4种低功耗工作模式 344
9.3.2 STM32芯片时钟管理 349
9.4 低功耗集成电路设计 350
9.4.1 低功耗设计的原因 350
9.4.2 功耗分析 351
9.4.3 系统级低功耗设计 361
9.4.4 RTL级低功耗设计 366
9.4.5 门级电路低功耗设计 379
9.4.6 物理级低功耗设计 387
9.5 亚阈值设计 388
9.6 本章小结 390
9.7 习题 391
第10章 物联网无源IC设计前沿技术展望 392
10.1 物联网能源众包 392
10.1.1 光伏发电 392
10.1.2 温差发电 393
10.1.3 风力发电 394
10.1.4 水力发电 395
10.1.5 电磁辐射能发电 397
10.2 无线输电技术 398
10.2.1 无线输电技术溯源 398
10.2.2 无线输电的方法 399
10.2.3 无线输电技术研究进展 401
10.3 无线传感器实例 402
10.3.1 无线传感器概述 402
10.3.2 无线智能温度传感器 403
10.3.3 无线气体传感器 404
10.3.4 无线压力传感器 404
10.3.5 无线温湿度传感器 405
10.3.6 无线传感器的选择方法 405
10.3.7 无线传感器的应用技术 407
10.3.8 无线传感器网络拓扑结构 407
10.4 具有微功耗、低成本、高可靠性、长寿命性能的SoC芯片 410
10.4.1 改进设计架构是重要降耗途径 411
10.4.2 应对碎片化的挑战 411
10.4.3 无线传感器网络SoC芯片的低功耗设计实例 412
10.5 具有信息传感、数据传输、实时控制、无源供电功能的SoC芯片 414
10.5.1 WiFi无线传感器网络及其应用前景 414
10.5.2 选择合适的无线WiFi SoC 芯片 415
10.5.3 选择合适的开发系统 417
10.5.4 代码开发和初步测试 418
10.6 集成电路产业发展趋势 420
10.7 本章小结 422
10.8 习题 422
参考文献 423

.　　风靡城市的共享单车是窄带物联网技术最大的应用市场之一。搭载物联网芯片的单车将从一种出行方式扩展为一种生活方式。摩拜不仅牵手高通，在新款单车中加入高通的最新物联网芯片，还与华为达成战略合作，在窄带物联网应用及创新等领域开展深度合作。
　　物联网成为推动世界高速发展的重要生产力，各国都在投入巨资深入研究探索，我国也不例外。工信部发布《关于实施深入推进提速降费、促进实体经济发展2017专项行动的意见》，提出了NB-IoT商业化的具体方向，加快NB-IoT商用进程，包括拓展蜂窝物联网在工业互联网、城市公共服务及管理等领域的应用，支持智能工厂、智能联网汽车等创新业态发展。
　　（2）谁执牛耳？专利才是争夺目标
　　物联网万亿“蛋糕”虽然美味，但想要咬下去并不是那么容易。在2G、3G甚至4G时代，中国企业并没有占据先发优势，尤其是在核心技术方面，频频吃了专利的亏。例如，高通在CDMA领域拥有3?900多项专利，核心专利600多项，占CDMA所有专利的27%，垄断了全球92%以上的CDMA市场。在中国，这一比例几乎达到100%。吃过专利亏的中国企业在布局物联网时，更应该未雨绸缪，在专利上加大投入，尽早掌握行业的话语权。
　　根据咨询公司LexInnova发布的物联网专利调查报告显示，芯片厂商和网络设备制造商在物联网专利方面，芯片巨头高通和英特尔排名前两位，专利数量是第三名的两倍。
　　物联网发展还处在初级阶段，变量还很多，但可以肯定的是，这将是一场激烈的专利战。
　　（3）全面出击？高通推出系列方案
　　高通公司第一个产品系列是移动SoC。它保留了高通为智能手机打造的芯片性能；为了适应物联网的需求，做了相应的软硬件调整和改动，使其兼具强劲计算性能和联网能力。
　　第二个产品系列是应用SoC。它由高通和谷歌联手打造，集成Google Android Things软件系统，支持触摸屏、摄像头及Google Assistant家居中枢产品的应用。家庭环境的物联网产品只需要支持WiFi连接，不太需要4G LTE的连接能力。通过减少对蜂窝技术的支持，优化应用SoC的成本。应用SoC可以用于智能助手类产品、温度调节器、安全类产品，甚至智能冰箱。哈曼和联想分别与高通合作，宣布采用高通家居中枢平台开发家居产品。
　　第三个产品系列是LTE SoC。它支持面向物联网的4G LTE连接，譬如NB-IoT和e-MTC。LTE SoC系列除了支持LTE蜂窝连接外，还可利用其内置的ARM Cortex M系统微型控制器提供一定的计算性能。此系列非常适合智慧城市的相关应用。
　　第四个产品系列是连接SoC。这个系列仅内嵌了MCU，因此计算性能有限；在连接方面，仅支持WiFi、蓝牙及802.15.4连接。
　　第五个产品系列是蓝牙SoC。它结构简单，拥有微型控制器，仅支持蓝牙无线连接。
　　高通还和亚马逊、微软合作，在芯片的M4微型控制器中集成了它们的云平台SDK。通过这两款平台，高通的客户可以为家居打造成本较低，但仍然具备智能特性的产品。
　　“物”依“芯”联：设计新概念、新技术和新方法
　　万物互联，依赖物联网芯片。联网设备种类繁多，对物联网芯片的功能和性能提出了更多要求。物联网芯片涉及的新概念、新技术和新方法层出不穷。
　　（1）eMTC与NB-IoT，3GPP的新宠
　　随着物联网的进步和成长，许多行业都在期待有一个低成本、微功耗、更高节点密度的LTE芯片，为行业带来革命性的改变。为了应对这些要求，国际化组织3GPP宣布了两个全新的LTE规格，一个是Cat-M1（eMTC），另一个是Cat-NB1（NB-IoT）。eMTC与NB-IoT在运营商布局LTE时，复用现有的FDD-LTE和TDD-LTE的网络基本设施。因此通过少量的设备投资，网络就可以实现对Cat-NB1和Cat-M1的双模支持，从而更高效、快速地支持物联网的演进与成长。芯片性能高达1.2Gbps的峰值速率，支持全网通、双SIM卡、双VoLTE和LAA，首批商用终端即将上市。
　　（2）软硬件协同设计方法缩短设计周期
　　zGlue提供芯片与系统设计方案，将物联网产品设计与制造相结合，具有高集成度、系统灵活、成本更低、风险更低和上市时间更短等特点。zGlue提供了一个完整的产品设计解决方案，包括zCAD软件、ZIP集成平台、zGlueSmart FabricTM系统管理基片和zGlue ZipPlet StoreTM。研发人员可以访问zGlue ZipPlet StoreTM，从供应商提供的芯片组中选择并配置所需功能，自动在zGlueSmart FabricTM上生成满足市场需求的芯片产品。zGlue Zip设计自动生成硬件和软件开发环境，在设计平台上立即开始功能验证，所以从产品概念到批量生产的研发周期被缩短，上市时间也提前了。
　　（3）eSIM芯片应用普及
　　eSIM卡的概念就是将传统的SIM卡直接集成在各种物联网芯片之上，而不是作为独立的可移除零部件加入设备中，用户无须插入物理SIM卡。
　　如果说SIM卡是移动互联时代的物种，那么eSIM就是专门为万物互联时代量身打造的嵌入式集成芯片。简单概括，eSIM具备不占空间、低成本、高安全等特性，在技术上有着SIM卡无法比拟的优势。eSIM将成为物联网设备的中枢神经。
　　目前，eSIM已经应用到了车联网、共享单车和消费级电子设备等众多领域。摩拜单车最新的智能锁就是基于eSIM芯片设计，实现了更省电、终身免维护，且防盗能力强等特点。eSIM这颗“芯”已经成为万物互联的硬件载体和安全信任的根本。
　　物联网技术在智能公用领域的应用由来已久。应用在表具（燃气表、水表和电表）上的“GPRS无线远传方案”通过GPRS移动通信网络实现服务器与表具数据的信息交互。物联网表在实际应用中存在维护成本高、改造成本大、功耗大，以及在实际应用中往往长时间暴露于外部环境，使得传统实体SIM卡容易氧化而引起接触不良和掉线等问题。eSIM芯片可以避免此类问题，有效提高应用的稳定性和可靠性，从而大大降低实际运营中的维护成本。
　　智慧医疗领域中物联网技术的应用已经逐步深入。但是在复杂的应用场景中，当前智能医疗设备往往受到干扰性强、携带不方便等因素的困扰，导致实际应用效果不尽如人意。
　　智慧医疗设备通过内置eSIM卡技术避免了实体SIM卡的空间限制，有效缩小了配件产品的体积，可以辅助实现多种医疗设备便捷式设计的实现，从而拓宽使用场景，有效提高抗干扰性，提升数据传输的可靠性和稳定性。因此，内置eSIM卡技术的应用对于便捷式智慧医疗设备业务拓展和功能延展有着重要意义。中国联通正式宣布在6座城市率先启动“eSIM一号双终端”业务的办理，这也意味着可穿戴设备可以和用户手机共享号码。
　　（4）SDR概念加速研发进程
　　在通用的硬件平台上用软件实现各种通信模块的SDR（Software Defined Radio，软件定义无线电）概念，其实早在3G时代就已经出现了。物联网芯片企业从技术分类上来看，其实只有两大类：一类是用传统ASIC（Application Specific Integrated Circuit，专用集成电路）方式；另一类就是以SDR做物联网芯片前端设计的方式。
　　低频次连接、传输速率低的物联网的出现，恰恰使SDR功耗高的短板变得不再重要，而使得软件属性芯片（泛指通过软件设计的芯片，如SDR（软件定义无线电）和SDN（软件定义网络）基于FPGA基片，通过软件编程而开发的芯片）特有的迭代迅速、制作成本低、定制化开发快等技术优势被放大。基于SDR的物联网芯片解决方案支持NB-IoT和LORA技术的双模产品，可应用于智慧城市、智慧消防、智慧健康和智慧三表等领域。
　　（5）用于神经网络计算的高性能芯片
　　麻省理工学院（MIT）的研究人员开发出了一种可用于神经网络计算的高性能芯片。该芯片的处理速度可达其他处理器的7倍之多，而所需的功耗却比其他芯片少94%~95%。未来这种芯片将有可能被使用在运行神经网络的移动设备或物联网设备上。
　　处理器在进行计算的时候，会在内存中来回移动数据。由于机器学习算法需要大量的运算，因此在来回移动数据的时候会消耗大量能源。这些计算可以被简化成一种具体的操作，这种操作被称为点积（dot product）。他们的想法是，是否可以将这个点积功能部署到内存中，从而不用再不断地移动这些数据。
　　神经网络芯片会将节点的输入值转化为电压，然后在进行储存和进一步处理的时候将其转换为数字形式。这种做法让这块芯片能够在一个步骤中同时对16个节点的点积进行计算，而且无须在内存和处理器之间移动数据。这种处理方法更加接近于人类大脑的工作方式。
　　（6）集成电路工艺和封装技术
　　物联网芯片设计流程和制造工艺都必须创新，其中包括功率管理、电路简化和成本降低。芯片的工艺节点从55nm迁移到28nm会节省更多成本。随着工艺的发展，成本还会继续下降。
　　另外还有其他降低成本的方法，如将多个传感器封装到一个集群中以实现规模经济的方法。这种方法背后的思想是，即使并不是所有的传感器都会被使用，但生产集群传感器的成本还是比单独生产单个传感器的成本更低。
　　（7）虹云工程推动物联网覆盖范围
　　中国正在积极推进网络演进，发展下一代网络技术。有报道称，中国的虹云工程会在2018年底发射首颗技术验证星，开展低轨宽带通信演示验证及应用示范。2022年，中国将部署和运营整个卫星系统，构建156颗卫星组成的天基宽带互联网，形成以低轨宽带通信为主，兼顾导航和遥感的综合信息系统。届时，无论我们身处沙漠、海洋或飞机上，都能享受与家里一样的上网速度和服务体验。
　　美国太空探索技术公司SpaceX星链（Starlink）计划将开展对地通信测试。该项目计划在2024年前发射近1.2万颗小卫星，向全世界推出高速互联网服务，助力物联网的普及和发展。
　　关于本书
　　本书是“物联网工程实战丛书”的第2卷——《物联网之芯：传感器件与通信芯片设计》。本书基于物联网工程的实际应用，系统介绍了传感器件与通信芯片的设计理念与方法，从源头告诉读者需要设计什么样的芯片，以及如何去设计这样的芯片。
　　仅以此文致敬那些为物联网的发展做出贡献的工程师们！同时感谢在本书写作和出版过程中提供过帮助的各位朋友！本书参考了较多文献，但因为所参考的文献繁多，未能一一列出，非常感谢文献作者对促进我国物联网工程技术的繁荣和发展所做出的贡献。
　　曾凡太
　　于山东大学
　　2018年10月