在了解物聯(lián)網(wǎng)要求 101 的第一部分中，我們介紹了高級(jí)工藝技術(shù)、低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)、多核系統(tǒng)的功耗注意事項(xiàng)、核間通信、串行內(nèi)存接口和系統(tǒng)安全性。在第二部分中， 我們將介紹高級(jí) BLE 無線鏈路， 智能觸摸界面， 物聯(lián)網(wǎng)傳感器和接口， 以及模擬前端。

高級(jí)無線鏈路

連接的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備仍處于起步階段。這意味著隨著新應(yīng)用的出現(xiàn)，系統(tǒng)MCU將需要在速度、功耗、范圍和容量方面提供顯著改進(jìn)。該領(lǐng)域的潛在商機(jī)突破了工程的極限。藍(lán)牙特別興趣小組 （SIG） 發(fā)布的關(guān)于藍(lán)牙 5.0 的公告是電子行業(yè)如何響應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)市場需求的一個(gè)典型例子。

新的BLE標(biāo)準(zhǔn)將提供兩倍的速度，四倍的范圍，以及800%的無連接數(shù)據(jù)廣播改進(jìn)。這將顯著改善連接的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備與我們的日常生活的交互方式。由于MCU是物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的核心，它必須跟上協(xié)議的進(jìn)步，以支持新標(biāo)準(zhǔn)所提供的優(yōu)勢。以下是即將推出的BLE標(biāo)準(zhǔn)的一些亮點(diǎn)：

藍(lán)牙 5.0 將比藍(lán)牙快兩倍，最大理論吞吐量為 2 Mbps.

與早期版本相比，該范圍將翻兩番，可擴(kuò)展至300 +米。

協(xié)議優(yōu)化將實(shí)現(xiàn)更好的性能和功耗。

協(xié)議優(yōu)化將展示數(shù)據(jù)廣播容量增加 800%，并以行業(yè)領(lǐng)先的電源性能為后盾。

增強(qiáng)的加密和身份驗(yàn)證將僅允許受信任的用戶跟蹤設(shè)備位置并自信地配對(duì)設(shè)備。

就增加處理器容量、內(nèi)存和功耗而言，這些功能并非免費(fèi)提供。對(duì)于許多應(yīng)用程序，需要更改底層硬件以支持這些功能。因此，MCU 制造商在設(shè)計(jì)下一代 MCU 器件時(shí)必須始終牢記這些要求（圖 1）。

［圖1 |賽普拉斯PSoC 6 BLE MCU為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)人員提供了BLE 5.0就緒功能。

在增加MCU負(fù)載的同時(shí)，這些功能為最終用戶提供了許多好處。

性能（范圍優(yōu)勢）

BLE正在成為開發(fā)基于物聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)品的設(shè)計(jì)人員的首選無線協(xié)議。改進(jìn)的范圍將確保任何藍(lán)牙設(shè)備（如揚(yáng)聲器、智能鎖、燈泡等）都可以從房屋的任何地方完美連接。這是實(shí)現(xiàn)真正智能家居的關(guān)鍵一步。BLE 5.0 還有可能取代耗電的 Wi-Fi 來控制智能家居設(shè)備。范圍擴(kuò)大也將有利于智能手表等設(shè)備接收來自智能手機(jī)的即時(shí)通知。

功率（速度優(yōu)勢）

更高的傳輸速度可提高響應(yīng)能力。對(duì)于通常不是數(shù)據(jù)密集型的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，更高的速度將表現(xiàn)為更低的功耗和更長的使用壽命。例如，兩倍的傳輸速度將發(fā)送/接收時(shí)間減少一半。這樣可以降低功耗，因?yàn)槠骷梢愿斓剡M(jìn)入低功耗模式。此外，更高的傳輸速度可為定期設(shè)備軟件更新提供卓越的支持。這將是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的一項(xiàng)重要功能。

無連接服務(wù)（廣播容量優(yōu)勢）

廣播容量的大幅增加將使信息傳輸更加豐富和智能。信標(biāo)等無連接服務(wù)將能夠傳輸更多信息。例如， 信標(biāo)將能夠傳輸實(shí)際內(nèi)容，而不是通過 URL 指向內(nèi)容。這有可能通過轉(zhuǎn)向無連接物聯(lián)網(wǎng)而不是藍(lán)牙配對(duì)設(shè)備模型來重新定義當(dāng)今藍(lán)牙設(shè)備傳輸信息的方式。這有可能使用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)使資產(chǎn)跟蹤和智能廢物管理等BLE應(yīng)用更加智能。

智能觸摸界面

如第一部分所述，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備跨越消費(fèi)者、工業(yè)和商業(yè)應(yīng)用。所有這些應(yīng)用都可以受益于時(shí)尚的用戶界面，具有產(chǎn)品差異化功能，如觸摸顯示屏、按鈕/滑塊和接近感應(yīng)。為了獲得最佳用戶體驗(yàn)，觸摸顯示器可能還需要能夠支持手勢識(shí)別、防水、手腕檢測和戴手套觸摸。這些功能中的每一個(gè)都可以使用電容式傳感技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，以保持低功耗。觸摸感應(yīng)還可以幫助優(yōu)化功耗，例如使用接近感應(yīng)來檢測用戶何時(shí)接近設(shè)備以使用它。在MCU中集成電容式檢測功能，無需單獨(dú)的專用檢測器件。集成還可以提高電源效率、性能和成本。

電容式傳感是實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新應(yīng)用和產(chǎn)品功能的關(guān)鍵技術(shù)。

智能家居開關(guān)

使個(gè)人能夠遠(yuǎn)程控制家庭設(shè)備具有許多優(yōu)勢。這同樣適用于家用電器。實(shí)現(xiàn)智能家電需要兩個(gè)關(guān)鍵構(gòu)建塊。第一個(gè)是無線鏈路，它將設(shè)備連接到云。另一個(gè)元素是智能開關(guān)，可以由多個(gè)來源控制，例如云、遙控器、智能手機(jī)和/或物理用戶輸入。

具有電容感應(yīng)功能的智能開關(guān)可以實(shí)現(xiàn)許多高級(jí)功能：

智能調(diào)光器 – 電容式感應(yīng)滑塊為調(diào)光功能提供直觀的物理界面。BLE啟用調(diào)光器的無線接口，因此可以將其放置在房間的任何位置。

內(nèi)存 – MCU 可以保存其內(nèi)部閃存中選擇的亮度設(shè)置，并在電源中斷或后續(xù)使用之間恢復(fù)設(shè)置。

安全 – 由于智能開關(guān)的高壓交流部分與繼電器隔離，因此物理用戶界面部分僅處理低功率直流，從而確保用戶安全。

照明 – MCU 可以在開關(guān)上提供基于 LED 的照明，使用戶能夠在黑暗條件下定位開關(guān)。此功能可以使用基于電容的接近感應(yīng)來啟用。

手勢 – 由于能夠檢測接近和觸摸手勢，可以將開關(guān)配置為快速輕松地執(zhí)行特定任務(wù)。

控制 – 支持具有電容感應(yīng)功能的基于物聯(lián)網(wǎng)的MCU的開發(fā)生態(tài)系統(tǒng)簡化了開關(guān)管理，并使多個(gè)源能夠控制開關(guān)。

人體檢測

作為一種技術(shù)，電容式傳感可以檢測其范圍內(nèi)的任何導(dǎo)電材料，包括人體（由于其質(zhì)量）。這為 IoT 設(shè)備提供了許多有趣的功能。例如，出于安全和低功耗考慮，可穿戴設(shè)備需要能夠檢測設(shè)備是否被佩戴。工作原理很簡單。每當(dāng)用戶佩戴手腕時(shí)，電容式傳感器都會(huì)檢測手腕并觸發(fā)鎖定機(jī)制，以保護(hù)存儲(chǔ)在其中的重要數(shù)據(jù)不被其他用戶查看。同樣，當(dāng)器件未佩戴時(shí)，器件將進(jìn)入低功耗工作模式。這些操作有助于延長電池壽命，這是任何可穿戴應(yīng)用的關(guān)鍵考慮因素。

電容式觸摸滑塊

滑塊是一種重要的用戶輸入機(jī)制，可幫助人們輕松與 IoT 產(chǎn)品交互。此功能特別適合小型可穿戴設(shè)備，在這些設(shè)備中，大屏幕是不可行的。非常小的觸摸屏使得當(dāng)手指擋住大部分屏幕時(shí)難以更改設(shè)備參數(shù)或?yàn)g覽菜單。基于電容的滑塊只需滑動(dòng)即可在各種菜單或屏幕之間切換。這些相同的滑塊也可以充當(dāng)電容式觸摸按鈕，用于輸入數(shù)據(jù)或選擇菜單。

電容式觸摸顯示屏

觸摸顯示器為大中型物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供了豐富的用戶界面，從微波爐到手持醫(yī)療設(shè)備，從智能手表到工業(yè)控制器等。通常，觸摸顯示器采用電容式傳感技術(shù)，在顯示器上使用透明的氧化銦錫（ITO）材料。根據(jù)應(yīng)用的不同，電容式觸摸技術(shù)需要能夠在潮濕的工作條件下可靠地工作。

通過手勢實(shí)現(xiàn)時(shí)尚的用戶界面

特殊手勢在增強(qiáng)用戶體驗(yàn)方面起著關(guān)鍵作用。手勢還可以幫助物聯(lián)網(wǎng)制造商在市場上區(qū)分其產(chǎn)品。例如，可以使用各種手勢直接訪問無線藍(lán)牙揚(yáng)聲器來調(diào)節(jié)音量、更改曲目等。手勢往往是最直觀的用戶界面形式之一。智能手勢包括向任一方向、向左或向右滑動(dòng)、單擊、雙擊、長按等。手勢功能不僅可以簡化 UI，還可以降低操作功耗，因?yàn)榭梢允褂锰囟ǖ挠脩羰謩荨皢拘选痹O(shè)備。

物聯(lián)網(wǎng)傳感器和接口

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用通常是傳感器、安全 CPU 和無線鏈路的組合。傳感器是所有物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的關(guān)鍵。人類利用他們的感官與環(huán)境互動(dòng)。傳感器可以豐富人類與周圍環(huán)境的互動(dòng)。

［圖8 |PSoC 6 具有集成的 BLE 連接和電容式觸摸塊］

所有物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用都使用一個(gè)或多個(gè)傳感器。這些傳感器本質(zhì)上是模擬或數(shù)字的。模擬傳感器輸出連續(xù)的模擬信號(hào)，如電流或電壓。該信號(hào)的大小與傳感器測量相關(guān)。市場上有許多類型的模擬傳感器，包括環(huán)境光傳感器、溫度傳感器、聲音傳感器、紫外線傳感器等。

相比之下，數(shù)字傳感器以數(shù)字方式轉(zhuǎn)換和傳輸數(shù)據(jù)。由于測量的信號(hào)在傳感器內(nèi)直接從模擬轉(zhuǎn)換為數(shù)字，因此在許多應(yīng)用中，數(shù)字傳感器正在取代模擬傳感器。數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通過電纜或其他傳輸介質(zhì)從傳感器傳輸，沒有傳輸損耗。常見數(shù)字傳感器的示例包括數(shù)字加速度計(jì)傳感器、數(shù)字壓力傳感器、磁力計(jì)、GPS 等。

傳感器，無論是模擬的還是數(shù)字的，都需要一個(gè)接口電路來將數(shù)據(jù)傳遞到物聯(lián)網(wǎng)MCU。對(duì)于模擬傳感器，需要信號(hào)調(diào)理電路來處理/增強(qiáng)傳感器輸出。這些電路通常稱為模擬前端（AFE）。AFE由偏置電路、放大器、比較器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）、模擬多路復(fù)用器、基準(zhǔn)電壓源、用于噪聲抑制和誤差抑制技術(shù)（如失調(diào)消除）的濾波器網(wǎng)絡(luò)以及用于數(shù)字化傳感器數(shù)據(jù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）組成。相比之下，數(shù)字傳感器只需要UART、I2C或SPI等數(shù)字通信通道即可將傳感器信息傳輸?shù)組CU。

要將傳感器連接到傳統(tǒng)微控制器，需要在芯片外部構(gòu)建接口電路，盡管某些設(shè)備可能在MCU中集成了固定功能的ADC。對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，具有一套全面的模擬和數(shù)字組件的高度集成的MCU是理想的選擇。

［圖9 |PSoC 6 BLE AFE & DFE］

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的模擬前端示例

考慮使用心率監(jiān)測器 （HRM） 來了解物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中 AFE 的要求。HRM需要模擬信號(hào)調(diào)理電路才能可靠工作。有多種方法可以測量心率。最流行的方法是：

光電容積脈搏波

心電圖

心音圖

光電容積脈搏波

PPG是一種測量心血管脈搏波的光學(xué)方法。動(dòng)脈血容量的周期性搏動(dòng)引起脈搏波。測量方法涉及光源和光電二極管（接收器）。在這種方法中，通過用紅外LED的光照射皮膚，然后測量透射或反射到光電二極管的光量來檢測由壓力脈沖引起的體積變化（圖10）。

［圖10 |用于PPG方法的PSoC 6 BLE AFE電路］

心電圖

當(dāng)心臟經(jīng)歷去極化和再極化時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電流并擴(kuò)散到全身。這些電脈沖可以通過在人體的特定點(diǎn)放置電極來檢測。心電圖（ECG）捕獲這種變化的電脈沖，以跟蹤心臟的整體節(jié)律。這些電信號(hào)的范圍從0.1mV到1.5mV，是由于心肌激活，并在身體的間隔點(diǎn)之間被感知。兩個(gè)間隔輸入點(diǎn)之間的電位差由運(yùn)算放大器放大。信號(hào)由ADC采樣。ADC樣本可以集成，用于將補(bǔ)償電流驅(qū)動(dòng)到放大器的反饋環(huán)路。該電路的模擬部分可以在電池供電單元的樣本之間關(guān)斷，以節(jié)省功耗（圖 11）。

［圖11 |PSoC 6 用于心電圖方法的 BLE AFE 電路］

心音圖

心臟瓣膜的打開和關(guān)閉在收縮和擴(kuò)張過程中產(chǎn)生通常可以通過聽診器聽到的聲音。麥克風(fēng)用于拾取心跳，產(chǎn)生的信號(hào)用于測量心率。這些聲音是有節(jié)奏的心跳。這種聲學(xué)特性在心音儀中用于確定心率。來自麥克風(fēng)的電信號(hào)被放大，可以通過噪聲濾波器來消除外部噪聲?？梢允褂脭?shù)字濾波器從 ADC 數(shù)據(jù)中濾除各種聲音，以計(jì)算心率（圖 12）。

［圖12 |用于PCG方法的PSoC 6 BLE AFE電路］

開發(fā)人員在設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備時(shí)有很多選擇。通過了解基于物聯(lián)網(wǎng)的MCU中可用的各種功能，開發(fā)人員選擇能夠簡化設(shè)計(jì)、提高性能、提供卓越的電源效率和降低整體系統(tǒng)成本的集成處理器。此外，開發(fā)人員可以實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新功能，以提高易用性，并將其產(chǎn)品與市場上的其他產(chǎn)品區(qū)分開來。

審核編輯：郭婷