Telink TLSR8251：多標(biāo)準(zhǔn)無線SoC的綜合剖析

在物聯(lián)網(wǎng)和低功耗無線通信領(lǐng)域，Telink的TLSR8251多標(biāo)準(zhǔn)無線SoC是一顆閃耀的明星。它集成了多種功能，適用于廣泛的應(yīng)用場景。今天，我們就來深入了解一下這款芯片的詳細(xì)特性和應(yīng)用。

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一、芯片概述

TLSR8251是Telink開發(fā)的藍(lán)牙低功耗（BLE）+ IEEE802.15.4多標(biāo)準(zhǔn)無線SoC解決方案，內(nèi)置Flash并支持音頻功能，完全符合RoHS標(biāo)準(zhǔn)且無鉛。它將射頻（RF）、數(shù)字處理、協(xié)議棧軟件和藍(lán)牙低功耗（最高支持藍(lán)牙5.0）、BLE Mesh以及2.4GHz專有標(biāo)準(zhǔn)的配置文件集成到單個芯片中。其嵌入式512kB FLASH允許動態(tài)配置堆棧和配置文件，最終產(chǎn)品功能可通過軟件進(jìn)行靈活配置。同時，該芯片支持硬件OTA升級和多啟動切換，方便產(chǎn)品功能的推出和升級。

二、關(guān)鍵特性

2.1 通用特性

• 唯一ID與微控制器：芯片擁有4字節(jié)的唯一ID（UID），嵌入式32位專有微控制器性能出色，比ARM M0具有更好的功率平衡性能，具備指令緩存控制器，最大運(yùn)行速度可達(dá)48MHz。
• 內(nèi)存配置：程序內(nèi)存為內(nèi)部512kB Flash，數(shù)據(jù)內(nèi)存為32kB片上SRAM，其中包括在深度睡眠中可保留數(shù)據(jù)的32kB SRAM。
• 時鐘與定時器：具備24MHz和32.768kHz晶體以及32kHz/24MHz嵌入式RC振蕩器作為時鐘源。有三個通用32位定時器，在活動模式下有四種可選模式，還有看門狗定時器和低頻率32kHz定時器用于低功耗模式。
• 豐富的I/O接口：根據(jù)封裝選項(xiàng)，最多支持32/17/10個GPIO，所有數(shù)字IO都可作為GPIOS使用。還支持DMIC、AMIC、I2S、立體聲音頻輸出、SPI、I2C、UART（帶硬件流控制和7816協(xié)議支持）、USB和Swire調(diào)試接口。
• PWM與傳感器：多達(dá)6通道的差分PWM，其中PWM0支持IR/IR FIFO/IR DMA FIFO模式。傳感器方面，有14位10通道（僅GPIO輸入）SAR ADC，帶4通道差分輸入PGA，有效位數(shù)為10.5位，還有溫度傳感器。
• 加密與比較器：嵌入式硬件AES塊密碼，支持128位密鑰和軟件AES - CCM，支持橢圓曲線加密（ECC）硬件加速，符合藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)（最高至BLE 5.0），還內(nèi)置低功耗比較器。
• 工作溫度范圍：工作溫度范圍為 - 40℃至 + 85℃。

2.2 RF特性

• 頻段與模式：嵌入式BLE/802.15.4/2.4GHz RF收發(fā)器，工作在全球2.4GHz ISM頻段。支持藍(lán)牙5.0，包括1Mbps、2Mbps、長距離125kbps和500kbps模式；符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，速率為250kbps；還有2.4GHz專有1Mbps/2Mbps/250kbps/500kbps模式，支持自適應(yīng)跳頻功能。
• 性能指標(biāo)：接收靈敏度高，如在BLE 1Mbps模式下為 - 96dBm，在IEEE802.15.4 250kbps模式下為 - 99.5dBm等。發(fā)射輸出功率最高可達(dá) + 10dBm，采用單引腳天線接口，支持RSSI監(jiān)測，分辨率為 +/- 1dB，具備自動確認(rèn)、重傳和流量控制功能，支持單天線AOA/TX BLE定位功能。

2.3 電源管理模塊特性

• 電源組件：嵌入式LDO和DCDC，支持電池監(jiān)測和低電量檢測，電源供應(yīng)范圍為1.8V至3.6V。
• 多級管理：采用多級電源管理設(shè)計(jì)，以最小化功耗。不同工作模式下的功耗表現(xiàn)優(yōu)秀，如全芯片RX模式為5.3mA，全芯片TX模式（0dBm且使用DCDC）為4.8mA，深度睡眠（外部喚醒且無SRAM保留）為0.4μA等。

2.4 USB特性

• 兼容性與端點(diǎn)：兼容USB2.0全速模式，支持9個端點(diǎn)，包括控制端點(diǎn)0和8個可配置數(shù)據(jù)端點(diǎn)。
• 獨(dú)立電源域：擁有獨(dú)立的電源域，支持通過USB端口進(jìn)行ISP（系統(tǒng)內(nèi)編程）。

2.5 Flash特性

• 容量與架構(gòu)：總?cè)萘繛?12kB（4Mbits），架構(gòu)靈活，每扇區(qū)4kB，每塊64kB/32kB，每個可編程頁面最多256字節(jié)。
• 保護(hù)與擦除：支持寫保護(hù)整個或部分內(nèi)存，可進(jìn)行扇區(qū)擦除（4kB）和塊擦除（32kB/64kB），循環(huán)耐久性為100,000次編程/擦除，數(shù)據(jù)保留典型值為20年，具備多種固件加密方法以防止克隆。

2.6 BLE特性

支持藍(lán)牙5.0，具備長距離支持（125Kbps和500Kbps數(shù)據(jù)速率），支持Telink專有Mesh，支持單天線AOA/TX BLE定位功能，還有Telink擴(kuò)展配置文件，支持基于語音命令的搜索。

2.7 BLE Mesh特性

支持靈活的網(wǎng)狀控制，如N對1和N對M；支持對200多個節(jié)點(diǎn)的無延遲開關(guān)控制；支持200多個節(jié)點(diǎn)的實(shí)時狀態(tài)更新；在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)實(shí)現(xiàn)安全控制和可擴(kuò)展識別；可同時控制8/16個組；網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)內(nèi)有128/256個節(jié)點(diǎn)；可配置網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的跳數(shù)（如4跳），單跳延遲小于15ms；靈活使用RF信道，結(jié)合BLE廣播信道和數(shù)據(jù)信道，具有良好的抗干擾性能。

2.8 并發(fā)模式特性

芯片支持多標(biāo)準(zhǔn)并發(fā)工作，典型組合為藍(lán)牙低功耗 + 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，基于時分技術(shù)，BLE和802.15.4堆?？梢栽谝粋€應(yīng)用狀態(tài)下交替運(yùn)行。

三、典型應(yīng)用

TLSR8251適用于物聯(lián)網(wǎng)（IoT）和人機(jī)接口設(shè)備（HID）應(yīng)用，如BLE智能設(shè)備、BLE網(wǎng)狀設(shè)備以及2.4GHz IEEE 802.15.4遙控器/機(jī)頂盒等。具體應(yīng)用包括智能手機(jī)和平板配件、RF遙控器、運(yùn)動和健身追蹤、可穿戴設(shè)備、無線玩具、智能照明、智能家居設(shè)備、樓宇自動化、智能電網(wǎng)、智能物流/交通/城市、消費(fèi)電子、工業(yè)控制和醫(yī)療保健等。

四、內(nèi)存與MCU

4.1 內(nèi)存

• SRAM/寄存器：SRAM/寄存器內(nèi)存映射清晰，寄存器地址為0x800000至0x83FFFF，兩個獨(dú)立的8kB SRAM（在深度睡眠中可保留數(shù)據(jù)）地址為0x840000至0x841FFF和0x842000至0x843FFF，16kB SRAM（在深度睡眠中可保留數(shù)據(jù)）地址為0x844000至0x847FFF?？赏ㄟ^調(diào)試接口（SWS/SWM、SPI/I2C/USB接口）訪問寄存器和SRAM地址。
• Flash：內(nèi)部Flash主要支持頁面編程、扇區(qū)/塊/芯片擦除操作和深度掉電操作。為實(shí)現(xiàn)芯片識別和可追溯性，F(xiàn)lash預(yù)加載了唯一ID（UID），用戶可通過相應(yīng)API接口讀取，但不能修改。MCU使用系統(tǒng)頻率加載指令，采用閃存驅(qū)動以系統(tǒng)時鐘一半的速度訪問（讀寫）閃存。
• E - Fuse：非易失性E - Fuse部分預(yù)加載了4字節(jié)解密密鑰和4字節(jié)芯片UID。

4.2 固件加密

支持多種固件加密方法以實(shí)現(xiàn)防克隆保護(hù)，包括基于UID的認(rèn)證代碼生成方法和基于Bootloader的固件加密/解密方法。

4.3 MCU

集成了由Telink開發(fā)的強(qiáng)大32位MCU，數(shù)字核心基于32位RISC，指令長度為16位，支持四個硬件斷點(diǎn)。

4.4 工作模式

支持六種工作模式，包括活動模式、空閑模式、暫停模式、帶SRAM保留的深度睡眠模式、無SRAM保留的深度睡眠模式和關(guān)機(jī)模式。電源管理（PM）模塊在所有工作模式下始終處于活動狀態(tài)，而MCU、RF收發(fā)器（Radio）和SRAM等模塊的狀態(tài)取決于工作模式。不同工作模式下的喚醒時間、SRAM狀態(tài)和喚醒源各不相同，用戶可根據(jù)實(shí)際需求選擇合適的工作模式以降低功耗。

4.5 復(fù)位

芯片支持三種復(fù)位方法，包括上電復(fù)位（POR）、看門狗復(fù)位和軟件復(fù)位。POR會在通電后將整個芯片復(fù)位，所有寄存器清零；看門狗復(fù)位由可編程看門狗監(jiān)控系統(tǒng)，觸發(fā)時除保留模擬寄存器0x3a至0x3c外，其他寄存器清零；軟件復(fù)位可對整個芯片或部分模塊進(jìn)行復(fù)位，保留模擬寄存器0x3a至0x3c不被清除。

4.6 電源管理

• POR與欠壓檢測：整個芯片的上電和下電由UVLO（超低電壓鎖定）和PL（電源邏輯）模塊以及外部RESETB引腳控制。UVLO以外部電源為輸入，只有當(dāng)電源電壓高于預(yù)設(shè)閾值時才釋放鎖定。RESETB引腳有內(nèi)部上拉電阻，可連接外部電容控制POR延遲。在UVLO和RESETB釋放后，系統(tǒng)復(fù)位信號（“Sysrst”）釋放前有一個可配置的延遲，該延遲通過模擬寄存器afe_0x1f調(diào)整。
• 工作模式切換：在活動模式下，MCU活躍，所有SRAM可訪問，其他模塊可選擇是否工作。芯片可切換到空閑模式使MCU暫停，SRAM仍可訪問，其他模塊可選擇工作狀態(tài)。為降低功耗，可切換到節(jié)能模式，如暫停模式、帶SRAM保留的深度睡眠模式、無SRAM保留的深度睡眠模式和關(guān)機(jī)模式。不同模式下的喚醒方式和喚醒時間不同，用戶可直接調(diào)用相應(yīng)庫函數(shù)切換工作模式，對于不需要工作的模塊，可將其斷電以節(jié)省功耗。
• LDO和DCDC：芯片嵌入式DCDC可產(chǎn)生1.8V輸出電壓為內(nèi)部閃存供電，也可產(chǎn)生1.4V輸出電壓。嵌入式LDO調(diào)節(jié)器以DCDC輸出的1.4V電壓為輸入，產(chǎn)生1.2V穩(wěn)壓電壓，為1.2V數(shù)字核心和模擬模塊在活動/空閑/暫停模式下供電。
• VBAT和VANT電源模式：提供VBAT模式和VANT模式兩種電源模式。在VBAT模式下，芯片直接由電池電壓供電，最大輸出功率與電源電壓有關(guān)；在VANT模式下，芯片由嵌入式DCDC和LDO提供1.2V電壓，輸出功率基本不受AVDD影響，在相同發(fā)射功率下，VANT模式更節(jié)能。

4.7 喚醒源

支持USB、32kHz定時器、低功率比較器和IO作為喚醒源。不同喚醒源的使能方式和適用工作模式不同，用戶可根據(jù)需求進(jìn)行配置。

五、BLE/802.15.4/2.4GHz RF收發(fā)器

5.1 框圖

集成了先進(jìn)的BLE/802.15.4/2.4GHz RF收發(fā)器，工作在全球2.4GHz ISM頻段。由完全集成的RF合成器、功率放大器（PA）、低噪聲放大器（LNA）、TX濾波器、RX濾波器、TX DAC、ADC、調(diào)制器和解調(diào)器組成?？膳渲脼榉蠘?biāo)準(zhǔn)的1Mbps BLE模式、2Mbps增強(qiáng)BLE模式、125kbps BLE長距離模式（S8）、500kbps BLE長距離模式（S2）、IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)250kbps模式以及專有1Mbps、2Mbps、250kbps和500kbps模式。

5.2 空中接口數(shù)據(jù)速率和RF信道頻率

空中接口數(shù)據(jù)速率可通過相關(guān)寄存器設(shè)置進(jìn)行配置，包括125kbps、250kbps、500kbps、1Mbps和2Mbps。RF收發(fā)器可在2400MHz至2483.5MHz ISM頻段內(nèi)工作，覆蓋藍(lán)牙低功耗（BLE）/IEEE 802.15.4 - 2.4G和2.4GHz專有協(xié)議的頻段。不同標(biāo)準(zhǔn)的信道頻率計(jì)算公式不同，如BLE的頻率為2402 + n2MHz（n為0至39的整數(shù)），IEEE 802.15.4 - 2.4G的頻率為2400 + (n - 11)5MHz（n為11至26的整數(shù)）。

5.3 基帶

基帶默認(rèn)禁用，用戶可通過相應(yīng)API對其進(jìn)行上電/下電和時鐘使能/禁用操作，從而靈活開啟/關(guān)閉基帶。基帶包含專用硬件邏輯，可執(zhí)行快速AGC控制、訪問碼相關(guān)、CRC檢查、數(shù)據(jù)白化、加密/解密和跳頻邏輯，支持藍(lán)牙5.0和802.15.4規(guī)范所需的所有強(qiáng)制功能。

六、時鐘

6.1 時鐘源

芯片嵌入式24MHz RC振蕩器可作為系統(tǒng)時鐘源，32kHz RC振蕩器為DMIC和睡眠狀態(tài)提供時鐘源。外部24MHz晶體通過引腳XC1和XC2提供Pad_24MHz時鐘源，為系統(tǒng)和系統(tǒng)定時器提供時鐘，還可通過倍頻器產(chǎn)生48M時鐘，為DMIC、I2S和USB提供時鐘源。外部32K晶體通過引腳PC<2:3>提供32kHz時鐘源。

6.2 系統(tǒng)時鐘

MCU系統(tǒng)時鐘有四個可選時鐘源，包括來自24MHz RC振蕩器的RC_24M、高速時鐘“FHS”、HS分頻時鐘（由“FHS”通過分頻器得到）和由48MHz時鐘通過2/3分頻器得到的32MHz時鐘。高速時鐘（FHS）可通過地址{0x70[0], 0x66[7]}從48MHz時鐘（由24M晶體振蕩器通過倍頻器得到）、RC_24M（由24MHz RC振蕩器得到）和Pad_24M（由24M晶體振蕩器得到）中選擇。數(shù)字寄存器CLKSEL（地址0x66）用于設(shè)置系統(tǒng)時鐘，通過位[6:5]選擇系統(tǒng)時鐘源，若選擇HS分頻時鐘，可通過地址0x66[4:0]調(diào)整系統(tǒng)時鐘頻率。

6.3 模塊時鐘

寄存器CLKEN0至CLKEN2（地址0x63至0x65）用于啟用或禁用各種模塊的時鐘，通過禁用未使用模塊的時鐘可降低電流消耗。不同模塊的時鐘來源不同，如系統(tǒng)定時器時鐘由24M晶體振蕩器通過2/3分頻器得到，固定為16MHz；USB時鐘由48M時鐘得到；I2S時鐘由48M時鐘通過分頻器得到；DMIC時鐘可選擇32kHz時鐘或由48M時鐘通過分頻器得到。

七、定時器

7.1 Timer0 - Timer2

支持三個定時器Timer0至Timer2，均支持四種模式：系統(tǒng)時鐘模式、GPIO觸發(fā)模式、GPIO脈沖寬度模式和Tick模式，可通過寄存器TMR_CTRL0（地址0x620）至TMR_CTRL1（地址0x621）進(jìn)行選擇。Timer2還可配置為“看門狗”以監(jiān)控固件運(yùn)行。不同模式下的工作原理和配置步驟不同，用戶可根據(jù)需求進(jìn)行設(shè)置。

7.2 32K LTIMER

支持在暫停模式或深度睡眠模式下使用低頻率（32kHz）LTIMER，可作為一種喚醒源。

7.3 系統(tǒng)定時器

系統(tǒng)定時器的時鐘頻率固定為16MHz，不受系統(tǒng)時鐘影響。在暫停模式下，系統(tǒng)定時器和Timer0至Timer2停止計(jì)數(shù)，32K定時器開始計(jì)數(shù)。當(dāng)芯片恢復(fù)到活動模式時，Timer0至Timer2將從停止時的數(shù)字繼續(xù)計(jì)數(shù)，而系統(tǒng)定時器將從一個調(diào)整后的數(shù)字繼續(xù)計(jì)數(shù)，該數(shù)字是停止時的數(shù)字與暫停模式下32K定時器計(jì)數(shù)計(jì)算出的偏移量之和。

八、中斷系統(tǒng)

8.1 中斷結(jié)構(gòu)

中斷功能用于基于定時器、引腳等實(shí)時事件管理動態(tài)程序序列。TLSR8251共有24個中斷源，其中16種為電平觸發(fā)中斷源（列于地址0x640至0x641），8種為邊緣觸發(fā)中斷源（列于地址0x642）。當(dāng)CPU接收到中斷請求（IRQ）時，會決定是否響應(yīng)，若響應(yīng)則暫停當(dāng)前程序，執(zhí)行中斷服務(wù)子程序，完成后返回斷點(diǎn)繼續(xù)執(zhí)行主函數(shù)。

8.2 寄存器配置

通過寄存器MASK_0至MASK_2（地址0x640至0x642）可啟用或屏蔽各種中斷源。中斷模式通過設(shè)置寄存器IRQMODE（地址0x643）[0]為1b’1來啟用?？赏ㄟ^寄存器PRIO_0至PRIO_2（地址0x644至0x646）設(shè)置IRQ任務(wù)的優(yōu)先級。三個字節(jié)的寄存器IRQSRC_0至IRQSRC_2（地址0x648至0x64a）用于指示IRQ源，當(dāng)IRQ發(fā)生時，相應(yīng)的IRQ源標(biāo)志將被設(shè)置為“1”，用戶可通過讀取這些地址來識別IRQ源。對于邊緣觸發(fā)類型的中斷，需要通過地址0x64a清除相應(yīng)