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(jì)技術(shù)、多核系統(tǒng)的功耗注意事項(xiàng)、內(nèi)核間通信、串行存儲(chǔ)器接口和系統(tǒng)安全性。在第二部分中，我們將介紹高級(jí) BLE 無(wú)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(wú)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)推動(dòng)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(chǎng)需求的一個(gè)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(wú)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(diǎn)：

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(shí)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(qiáng)的加密和身份驗(yàn)證將只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。

就增加的處理器容量、內(nèi)存和功率而言，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 設(shè)備時(shí)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(jì)人員提供 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(shì)）

BLE 正在成為開發(fā)基于物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)人員的首選無(wú)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）都可以從房子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 也有可能取代耗電的 Wi-Fi 來(lái)控制智能家居設(shè)備。范圍的擴(kuò)大也將有利于智能手表等設(shè)備接收來(lái)自智能手機(jī)的即時(shí)通知。

功率（速度優(yōu)勢(shì)）

更高的傳輸速度可以提高響應(yīng)速度。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(zhǎng)的使用壽命。例如，兩倍的傳輸速度可將傳輸/接收時(shí)間減少一半。這可以降低功耗，因?yàn)樵O(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(xiàng)重要功能。

無(wú)連接服務(wù)（廣播容量?jī)?yōu)勢(shì)）

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(wú)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(guò) URL 指向內(nèi)容。這有可能通過(guò)轉(zhuǎn)向無(wú)連接物聯(lián)網(wǎng)而不是藍(lán)牙配對(duì)設(shè)備模型來(lái)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(fèi)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(shí)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(yàn)，觸控顯示器可能還需要能夠支持手勢(shì)識(shí)別、防水、手腕檢測(cè)和戴手套觸控。這些特征中的每一個(gè)都可以使用電容傳感技術(shù)以保持低功耗的方式實(shí)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(lái)檢測(cè)用戶何時(shí)接近設(shè)備以使用它。在 MCU 中集成電容式感應(yīng)無(wú)需單獨(dú)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(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(shì)。這同樣適用于家用電器。啟用智能家電需要兩個(gè)關(guān)鍵構(gòu)建塊。第一個(gè)是無(wú)線鏈接，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(lái)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)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(wú)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)?？梢允褂没陔娙莸慕咏袘?yīng)啟用此功能。

手勢(shì)——憑借檢測(cè)接近和觸摸手勢(shì)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(jiǎn)化了開關(guān)的管理，并支持多個(gè)來(lái)源對(duì)其進(jìn)行控制。

人體檢測(cè)

作為一項(xiàng)技術(shù)，電容感應(yīng)可以檢測(cè)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(cè)設(shè)備是否被佩戴。工作原理很簡(jiǎn)單。電容式傳感器在用戶佩戴時(shí)檢測(cè)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。類似地，當(dāng)設(shè)備沒(méi)有被佩戴時(shí)，設(shè)備會(huì)進(jìn)入低功耗操作模式。這些操作有助于延長(zhǎng)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(wú)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(shí)，非常小的觸摸屏使更改設(shè)備參數(shù)或?yàn)g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(shí)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(guò)手勢(shì)流暢的用戶界面

特殊手勢(shì)在增強(qiáng)用戶體驗(yàn)方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。手勢(shì)還可以幫助物聯(lián)網(wǎng)制造商在市場(chǎng)上區(qū)分他們的產(chǎn)品。例如，可以使用各種手勢(shì)直接訪問(wèn)無(wú)線藍(lán)牙揚(yáng)聲器，以調(diào)節(jié)音量、更改曲目等。手勢(shì)往往是最直觀的用戶界面形式之一。智能手勢(shì)包括向任一方向、向左或向右滑動(dòng)、單擊、雙擊、長(zhǎng)按等。手勢(shì)功能不僅簡(jiǎn)化了 UI，而且還降低了操作功耗，因?yàn)榭梢酝ㄟ^(guò)使用特定的用戶手勢(shì)“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(wú)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(dòng)。傳感器可以豐富人類與周圍環(huán)境的互動(dòng)。

【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(gè)或多個(gè)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(hào)，例如電流或電壓。該信號(hào)的大小與傳感器測(cè)量相關(guān)。市場(chǎng)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(cè)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(guò)電纜或其他傳輸介質(zhì)從傳感器傳輸，沒(méi)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(jì)、GPS 等。

傳感器，無(wú)論是模擬的還是數(shù)字的，都需要一個(gè)接口電路來(lái)將數(shù)據(jù)傳遞到 IoT MCU。在模擬傳感器的情況下，需要一個(gè)信號(hào)調(diào)節(jié)電路來(lái)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、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(gè)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(duì)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(cè)器 （HRM） 來(lái)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)理電路才能可靠地工作。有多種方法可以測(cè)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(cè)量心血管脈搏波的光學(xué)方法。動(dòng)脈血容量的周期性脈動(dòng)引起脈搏波。測(cè)量方法涉及光源和光電二極管（接收器）。在這種方法中，通過(guò)用紅外 LED 發(fā)出的光照射皮膚，然后測(cè)量透射或反射到光電二極管的光量來(lái)檢測(cè)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(shí)，會(huì)產(chǎn)生電流并擴(kuò)散到全身。這些電脈沖可以通過(guò)將電極放置在人體的特定點(diǎn)來(lái)檢測(cè)。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)，范圍從 0.1mV 到 1.5mV，是由于心肌激活，并在身體上的間隔點(diǎn)之間被感應(yīng)到。兩個(gè)間隔輸入點(diǎn)之間的電位差被運(yùn)算放大器放大。然后信號(hào)由 ADC 采樣?？梢约?ADC 樣本并用于將補(bǔ)償電流驅(qū)動(dòng)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(huì)在收縮和擴(kuò)張過(guò)程中產(chǎn)生聲音，這些聲音通?？梢酝ㄟ^(guò)聽診器聽到。麥克風(fēng)用于采集心跳，產(chǎn)生的信號(hào)用于測(cè)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(lái)自麥克風(fēng)的電信號(hào)被放大并且可以通過(guò)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(guò)濾各種聲音，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(guò)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(lái)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、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(shí)施創(chuàng)新功能，提高易用性并使其產(chǎn)品與市場(chǎng)上的其他產(chǎn)品區(qū)分開來(lái)。

審核編輯：郭婷