基于物联网的MCU中可用的各种功能实现简化设计-单片机与物联网应用课程介绍视频

在了解物联网要求 101 的第一部分中，我们介绍了高级工艺技术、低功耗设计技术、多核系统的功耗注意事项、核间通信、串行内存接口和系统安全性。在第二部分中， 我们将介绍高级 BLE 无线链路， 智能触摸界面， 物联网传感器和接口， 以及模拟前端。

高级无线链路

连接的物联网设备仍处于起步阶段。这意味着随着新应用的出现，系统MCU将需要在速度、功耗、范围和容量方面提供显着改进。该领域的潜在商机突破了工程的极限。蓝牙特别兴趣小组 （SIG） 发布的关于蓝牙 5.0 的公告是电子行业如何响应物联网市场需求的一个典型例子。

新的BLE标准将提供两倍的速度，四倍的范围，以及800%的无连接数据广播改进。这将显着改善连接的物联网设备与我们的日常生活的交互方式。由于MCU是物联网设备的核心，它必须跟上协议的进步，以支持新标准所提供的优势。以下是即将推出的BLE标准的一些亮点：

蓝牙 5.0 将比蓝牙快两倍，最大理论吞吐量为 2 Mbps.

与早期版本相比，该范围将翻两番，可扩展至300 +米。

协议优化将实现更好的性能和功耗。

协议优化将展示数据广播容量增加 800%，并以行业领先的电源性能为后盾。

增强的加密和身份验证将仅允许受信任的用户跟踪设备位置并自信地配对设备。

就增加处理器容量、内存和功耗而言，这些功能并非免费提供。对于许多应用程序，需要更改底层硬件以支持这些功能。因此，MCU 制造商在设计下一代 MCU 器件时必须始终牢记这些要求（图 1）。

［图1 |赛普拉斯PSoC 6 BLE MCU为物联网设计人员提供了BLE 5.0就绪功能。

在增加MCU负载的同时，这些功能为最终用户提供了许多好处。

性能（范围优势）

BLE正在成为开发基于物联网的产品的设计人员的首选无线协议。改进的范围将确保任何蓝牙设备（如扬声器、智能锁、灯泡等）都可以从房屋的任何地方完美连接。这是实现真正智能家居的关键一步。BLE 5.0 还有可能取代耗电的 Wi-Fi 来控制智能家居设备。范围扩大也将有利于智能手表等设备接收来自智能手机的即时通知。

功率（速度优势）

更高的传输速度可提高响应能力。对于通常不是数据密集型的物联网设备，更高的速度将表现为更低的功耗和更长的使用寿命。例如，两倍的传输速度将发送/接收时间减少一半。这样可以降低功耗，因为器件可以更快地进入低功耗模式。此外，更高的传输速度可为定期设备软件更新提供卓越的支持。这将是物联网应用的一项重要功能。

无连接服务（广播容量优势）

广播容量的大幅增加将使信息传输更加丰富和智能。信标等无连接服务将能够传输更多信息。例如， 信标将能够传输实际内容，而不是通过 URL 指向内容。这有可能通过转向无连接物联网而不是蓝牙配对设备模型来重新定义当今蓝牙设备传输信息的方式。这有可能使用网状网络使资产跟踪和智能废物管理等BLE应用更加智能。

智能触摸界面

如第一部分所述，物联网设备跨越消费者、工业和商业应用。所有这些应用都可以受益于时尚的用户界面，具有产品差异化功能，如触摸显示屏、按钮/滑块和接近感应。为了获得最佳用户体验，触摸显示器可能还需要能够支持手势识别、防水、手腕检测和戴手套触摸。这些功能中的每一个都可以使用电容式传感技术来实现，以保持低功耗。触摸感应还可以帮助优化功耗，例如使用接近感应来检测用户何时接近设备以使用它。在MCU中集成电容式检测功能，无需单独的专用检测器件。集成还可以提高电源效率、性能和成本。

电容式传感是实现创新应用和产品功能的关键技术。

智能家居开关

使个人能够远程控制家庭设备具有许多优势。这同样适用于家用电器。实现智能家电需要两个关键构建块。第一个是无线链路，它将设备连接到云。另一个元素是智能开关，可以由多个来源控制，例如云、遥控器、智能手机和/或物理用户输入。

具有电容感应功能的智能开关可以实现许多高级功能：

智能调光器 – 电容式感应滑块为调光功能提供直观的物理界面。BLE启用调光器的无线接口，因此可以将其放置在房间的任何位置。

内存 – MCU 可以保存其内部闪存中选择的亮度设置，并在电源中断或后续使用之间恢复设置。

安全 – 由于智能开关的高压交流部分与继电器隔离，因此物理用户界面部分仅处理低功率直流，从而确保用户安全。

照明 – MCU 可以在开关上提供基于 LED 的照明，使用户能够在黑暗条件下定位开关。此功能可以使用基于电容的接近感应来启用。

手势 – 由于能够检测接近和触摸手势，可以将开关配置为快速轻松地执行特定任务。

控制 – 支持具有电容感应功能的基于物联网的MCU的开发生态系统简化了开关管理，并使多个源能够控制开关。

人体检测

作为一种技术，电容式传感可以检测其范围内的任何导电材料，包括人体（由于其质量）。这为 IoT 设备提供了许多有趣的功能。例如，出于安全和低功耗考虑，可穿戴设备需要能够检测设备是否被佩戴。工作原理很简单。每当用户佩戴手腕时，电容式传感器都会检测手腕并触发锁定机制，以保护存储在其中的重要数据不被其他用户查看。同样，当器件未佩戴时，器件将进入低功耗工作模式。这些操作有助于延长电池寿命，这是任何可穿戴应用的关键考虑因素。

电容式触摸滑块

滑块是一种重要的用户输入机制，可帮助人们轻松与 IoT 产品交互。此功能特别适合小型可穿戴设备，在这些设备中，大屏幕是不可行的。非常小的触摸屏使得当手指挡住大部分屏幕时难以更改设备参数或浏览菜单。基于电容的滑块只需滑动即可在各种菜单或屏幕之间切换。这些相同的滑块也可以充当电容式触摸按钮，用于输入数据或选择菜单。

电容式触摸显示屏

触摸显示器为大中型物联网设备提供了丰富的用户界面，从微波炉到手持医疗设备，从智能手表到工业控制器等。通常，触摸显示器采用电容式传感技术，在显示器上使用透明的氧化铟锡（ITO）材料。根据应用的不同，电容式触摸技术需要能够在潮湿的工作条件下可靠地工作。

通过手势实现时尚的用户界面

特殊手势在增强用户体验方面起着关键作用。手势还可以帮助物联网制造商在市场上区分其产品。例如，可以使用各种手势直接访问无线蓝牙扬声器来调节音量、更改曲目等。手势往往是最直观的用户界面形式之一。智能手势包括向任一方向、向左或向右滑动、单击、双击、长按等。手势功能不仅可以简化 UI，还可以降低操作功耗，因为可以使用特定的用户手势“唤醒”设备。

物联网传感器和接口

物联网应用通常是传感器、安全 CPU 和无线链路的组合。传感器是所有物联网应用的关键。人类利用他们的感官与环境互动。传感器可以丰富人类与周围环境的互动。

［图8 |PSoC 6 具有集成的 BLE 连接和电容式触摸块］

所有物联网应用都使用一个或多个传感器。这些传感器本质上是模拟或数字的。模拟传感器输出连续的模拟信号，如电流或电压。该信号的大小与传感器测量相关。市场上有许多类型的模拟传感器，包括环境光传感器、温度传感器、声音传感器、紫外线传感器等。

相比之下，数字传感器以数字方式转换和传输数据。由于测量的信号在传感器内直接从模拟转换为数字，因此在许多应用中，数字传感器正在取代模拟传感器。数字数据通过电缆或其他传输介质从传感器传输，没有传输损耗。常见数字传感器的示例包括数字加速度计传感器、数字压力传感器、磁力计、GPS 等。

传感器，无论是模拟的还是数字的，都需要一个接口电路来将数据传递到物联网MCU。对于模拟传感器，需要信号调理电路来处理/增强传感器输出。这些电路通常称为模拟前端（AFE）。AFE由偏置电路、放大器、比较器、数模转换器（DAC）、模拟多路复用器、基准电压源、用于噪声抑制和误差抑制技术（如失调消除）的滤波器网络以及用于数字化传感器数据的模数转换器（ADC）组成。相比之下，数字传感器只需要UART、I2C或SPI等数字通信通道即可将传感器信息传输到MCU。

要将传感器连接到传统微控制器，需要在芯片外部构建接口电路，尽管某些设备可能在MCU中集成了固定功能的ADC。对于物联网应用，具有一套全面的模拟和数字组件的高度集成的MCU是理想的选择。

［图9 |PSoC 6 BLE AFE & DFE］

物联网应用的模拟前端示例

考虑使用心率监测器 （HRM） 来了解物联网应用中 AFE 的要求。HRM需要模拟信号调理电路才能可靠工作。有多种方法可以测量心率。最流行的方法是：

光电容积脉搏波

心电图

心音图

光电容积脉搏波

PPG是一种测量心血管脉搏波的光学方法。动脉血容量的周期性搏动引起脉搏波。测量方法涉及光源和光电二极管（接收器）。在这种方法中，通过用红外LED的光照射皮肤，然后测量透射或反射到光电二极管的光量来检测由压力脉冲引起的体积变化（图10）。

［图10 |用于PPG方法的PSoC 6 BLE AFE电路］

心电图

当心脏经历去极化和再极化时，会产生电流并扩散到全身。这些电脉冲可以通过在人体的特定点放置电极来检测。心电图（ECG）捕获这种变化的电脉冲，以跟踪心脏的整体节律。这些电信号的范围从0.1mV到1.5mV，是由于心肌激活，并在身体的间隔点之间被感知。两个间隔输入点之间的电位差由运算放大器放大。信号由ADC采样。ADC样本可以集成，用于将补偿电流驱动到放大器的反馈环路。该电路的模拟部分可以在电池供电单元的样本之间关断，以节省功耗（图 11）。

［图11 |PSoC 6 用于心电图方法的 BLE AFE 电路］

心音图

心脏瓣膜的打开和关闭在收缩和扩张过程中产生通常可以通过听诊器听到的声音。麦克风用于拾取心跳，产生的信号用于测量心率。这些声音是有节奏的心跳。这种声学特性在心音仪中用于确定心率。来自麦克风的电信号被放大，可以通过噪声滤波器来消除外部噪声。可以使用数字滤波器从 ADC 数据中滤除各种声音，以计算心率（图 12）。

［图12 |用于PCG方法的PSoC 6 BLE AFE电路］

开发人员在设计物联网设备时有很多选择。通过了解基于物联网的MCU中可用的各种功能，开发人员选择能够简化设计、提高性能、提供卓越的电源效率和降低整体系统成本的集成处理器。此外，开发人员可以实现创新功能，以提高易用性，并将其产品与市场上的其他产品区分开来。

审核编辑：郭婷