在了解 IoT 要求 101 的第一部分中，我們介紹了先進(jìn)的工藝技術(shù)、低功耗設(shè)計技術(shù)、多核系統(tǒng)的功耗注意事項、內(nèi)核間通信、串行存儲器接口和系統(tǒng)安全性。在第二部分中，我們將介紹高級 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)域的潛在商機推動了工程的極限。藍(lán)牙特別興趣小組（SIG）最近關(guān)于藍(lán)牙 5.0 的聲明是電子行業(yè)如何響應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)市場需求的一個典型例子。

根據(jù)公告，新的 BLE 標(biāo)準(zhǔn)將提供兩倍的速度、四倍的范圍和 800% 的無連接數(shù)據(jù)廣播改進(jìn)。這將顯著改善物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備與我們?nèi)粘Ｉ畹慕换シ绞?。由?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)必須提供的好處。以下是即將推出的 BLE 標(biāo)準(zhǔn)的一些亮點：

藍(lán)牙 5.0 將比藍(lán)牙 4.2 快兩倍，最大理論吞吐量為 2 Mbps。

與早期版本相比，該范圍將增加四倍，延伸至 300 多米。

協(xié)議優(yōu)化將實現(xiàn)更好的性能和功耗。

協(xié)議優(yōu)化將展示由行業(yè)領(lǐng)先的功率性能支持的數(shù)據(jù)廣播容量增加 800%。

增強的加密和身份驗證將只允許受信任的用戶跟蹤設(shè)備位置并自信地配對設(shè)備。

就增加的處理器容量、內(nèi)存和功率而言，這些功能并非免費提供。對于許多應(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)計下一代 MCU 設(shè)備時必須始終牢記這些要求（圖 1）。

【圖1 | Cypress PSoC 6 BLE MCU為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計人員提供 BLE 5.0 就緒功能。］

在增加 MCU 負(fù)載的同時，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)產(chǎn)品的設(shè)計人員的首選無線協(xié)議。改進(jìn)的范圍將確保任何藍(lán)牙設(shè)備（如揚聲器、智能鎖、燈泡等）都可以從房子的任何地方完美連接。這是實現(xiàn)真正智能家居的關(guān)鍵一步。BLE 5.0 也有可能取代耗電的 Wi-Fi 來控制智能家居設(shè)備。范圍的擴大也將有利于智能手表等設(shè)備接收來自智能手機的即時通知。

功率（速度優(yōu)勢）

更高的傳輸速度可以提高響應(yīng)速度。對于通常不是數(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，兩倍的傳輸速度可將傳輸/接收時間減少一半。這可以降低功耗，因為設(shè)備可以更快地進(jìn)入低功耗模式。此外，更高的傳輸速度可以更好地支持定期設(shè)備軟件更新。這將是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的一項重要功能。

無連接服務(wù)（廣播容量優(yōu)勢）

廣播容量的顯著提升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)用程序更加智能。

智能觸控界面

如第一部分所述，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備跨越消費者、工業(yè)和商業(yè)應(yīng)用程序。所有這些應(yīng)用程序都可以受益于時尚的用戶界面，以及觸摸顯示屏、按鈕/滑塊和接近感應(yīng)等產(chǎn)品差異化功能。為了獲得最佳用戶體驗，觸控顯示器可能還需要能夠支持手勢識別、防水、手腕檢測和戴手套觸控。這些特征中的每一個都可以使用電容傳感技術(shù)以保持低功耗的方式實現(xiàn)。觸摸感應(yīng)還可以幫助優(yōu)化功耗，例如使用接近感應(yīng)來檢測用戶何時接近設(shè)備以使用它。在 MCU 中集成電容式感應(yīng)無需單獨的專用感應(yīng)設(shè)備。集成還提高了電源效率，

【圖2 | PSoC 6 集成了 BLE 連接和電容式觸摸感應(yīng)］

電容傳感是實現(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。啟用智能家電需要兩個關(guān)鍵構(gòu)建塊。第一個是無線鏈接，它將設(shè)備連接到云。另一個元素是智能開關(guān)，可以由多個來源控制，例如云、遙控器、智能手機和/或物理用戶輸入。

具有電容感應(yīng)的智能開關(guān)可以實現(xiàn)許多高級功能：

智能調(diào)光器——電容感應(yīng)滑塊為調(diào)光器功能提供直觀的物理界面。BLE 為調(diào)光器啟用無線接口，因此它可以放置在房間的任何地方。

內(nèi)存 – MCU 可以保存在其內(nèi)部 Flash 中選擇的亮度設(shè)置，并在斷電或后續(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，物理用戶界面部分只處理低功率直流，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)。可以使用基于電容的接近感應(yīng)啟用此功能。

手勢——憑借檢測接近和觸摸手勢的能力，開關(guān)可以配置為快速輕松地執(zhí)行特定任務(wù)。

控制——支持基于物聯(lián)網(wǎng)的 MCU 和電容感應(yīng)的開發(fā)生態(tài)系統(tǒng)簡化了開關(guān)的管理，并支持多個來源對其進(jìn)行控制。

人體檢測

作為一項技術(shù)，電容感應(yīng)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）。這為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備啟用了許多有趣的功能。例如，出于安全和低功耗的考慮，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。電容式傳感器在用戶佩戴時檢測手腕并觸發(fā)鎖定機制以保護(hù)存儲在其中的重要數(shù)據(jù)不被其他用戶查看。類似地，當(dāng)設(shè)備沒有被佩戴時，設(shè)備會進(jìn)入低功耗操作模式。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制，可以幫助人們輕松地與物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品進(jìn)行交互。此功能特別適用于無法使用大屏幕的小型可穿戴設(shè)備。當(dāng)手指擋住大部分屏幕時，非常小的觸摸屏使更改設(shè)備參數(shù)或瀏覽菜單變得困難?；陔娙莸幕瑝K只需輕掃即可在各種菜單或屏幕之間切換（圖 5）。這些相同的滑塊也可以用作輸入數(shù)據(jù)或選擇菜單的電容式觸摸按鈕。

電容式觸控顯示器

觸控顯示器為大中型物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供豐富的用戶界面，范圍從微波爐到手持醫(yī)療設(shè)備，從智能手表到工業(yè)控制器等。通常，觸控顯示器采用電容感應(yīng)技術(shù)實現(xiàn)，使用透明的顯示器上方的氧化銦錫 （ITO） 材料。根據(jù)應(yīng)用的不同，電容式觸控技術(shù)需要能夠在潮濕的操作條件下可靠地工作。

通過手勢流暢的用戶界面

特殊手勢在增強用戶體驗方面發(fā)揮著關(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)分他們的產(chǎn)品。例如，可以使用各種手勢直接訪問無線藍(lán)牙揚聲器，以調(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、單擊、雙擊、長按等。手勢功能不僅簡化了 UI，而且還降低了操作功耗，因為可以通過使用特定的用戶手勢“喚醒”設(shè)備。

物聯(lián)網(wǎng)傳感器和接口

IoT 應(yīng)用程序通常是傳感器、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。人類使用他們的感官與他們的環(huán)境互動。傳感器可以豐富人類與周圍環(huán)境的互動。

【圖8 | 具有集成 BLE 連接和電容式觸摸塊的 PSoC 6］

所有物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序都使用一個或多個傳感器。這些傳感器本質(zhì)上要么是模擬的，要么是數(shù)字的。模擬傳感器輸出連續(xù)的模擬信號，例如電流或電壓。該信號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)。由于測量的信號在傳感器內(nèi)直接從模擬轉(zhuǎn)換為數(shù)字，因此數(shù)字傳感器正在許多應(yīng)用中取代模擬傳感器。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)字傳感器的示例有數(shù)字加速度傳感器、數(shù)字壓力傳感器、磁力計、GPS 等。

傳感器，無論是模擬的還是數(shù)字的，都需要一個接口電路來將數(shù)據(jù)傳遞到 IoT MCU。在模擬傳感器的情況下，需要一個信號調(diào)節(jié)電路來處理/增強傳感器輸出。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、電壓基準(zhǔn)、用于噪聲抑制和誤差抑制技術(shù)（如偏移消除）的濾波器網(wǎng)絡(luò)以及用于數(shù)字化的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 組成傳感器數(shù)據(jù)。 相比之下，數(shù)字傳感器只需要一個數(shù)字通信通道（例如 UART、I2C 或 SPI）即可將傳感器信息傳輸?shù)?MCU。

要將傳感器連接到傳統(tǒng)的微控制器，需要在芯片外部構(gòu)建接口電路，盡管某些設(shè)備可能具有集成到 MCU 中的固定功能 ADC。對于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，具有一整套模擬和數(shù)字組件的高度集成的 MCU 是理想的選擇。

【圖9 | PSoC 6 BLE AFE 和 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 需要模擬信號調(diào)理電路才能可靠地工作。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 （PPG）

心電圖 （ECG）

心音圖 （PCG）

光電容積脈搏波 （PPG）

PPG是一種測量心血管脈搏波的光學(xué)方法。動脈血容量的周期性脈動引起脈搏波。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 發(fā)出的光照射皮膚，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 （ECG）

當(dāng)心臟經(jīng)歷去極化和再極化時，會產(chǎn)生電流并擴散到全身。這些電脈沖可以通過將電極放置在人體的特定點來檢測。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，范圍從 0.1mV 到 1.5mV，是由于心肌激活，并在身體上的間隔點之間被感應(yīng)到。兩個間隔輸入點之間的電位差被運算放大器放大。然后信號由 ADC 采樣。可以集成 ADC 樣本并用于將補償電流驅(qū)動到放大器的反饋環(huán)路中。該電路的模擬部分可以在電池供電單元的采樣之間關(guān)閉以節(jié)省電力（圖 11）。

【圖11 | 用于 ECG 方法的 PSoC 6 BLE AFE 電路］

心音圖 （PCG）

心臟瓣膜的打開和關(guān)閉會在收縮和擴張過程中產(chǎn)生聲音，這些聲音通?？梢酝ㄟ^聽診器聽到。麥克風(fēng)用于采集心跳，產(chǎn)生的信號用于測量心率。這些聲音與心跳有節(jié)奏。這種聲學(xué)特性用于心音圖儀以確定心率。來自麥克風(fēng)的電信號被放大并且可以通過噪聲濾波器以去除外部噪聲?？梢允褂脭?shù)字濾波器從 ADC 數(shù)據(jù)中過濾各種聲音，以計算心率（圖 12）。

【圖12 | 用于 PCG 方法的 PSoC 6 BLE AFE 電路］

開發(fā)人員在設(shè)計物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備時有很多選擇。通過了解基于物聯(lián)網(wǎng)的 MCU 中可用的各種功能，開發(fā)人員可以選擇集成處理器來簡化設(shè)計、提高性能、提供卓越的電源效率并降低整體系統(tǒng)成本。此外，開發(fā)人員可以實施創(chuàng)新功能，提高易用性并使其產(chǎn)品與市場上的其他產(chǎn)品區(qū)分開來。

審核編輯：郭婷