剖析物聯(lián)網(wǎng)的需求─第二部分

　　在“剖析物聯(lián)網(wǎng)的要求—第一部分”中介紹了先進的工藝技術、低功耗設計技術、多核系統(tǒng)的功耗問題、內核間的通訊、串行存儲器接口以及系統(tǒng)安全。第二部分, 我們將介紹 BLE 無線鏈路、模擬前端、智能觸摸界面以及其他重要的物聯(lián)網(wǎng)設計技術。

　　無線連接技術的發(fā)展：

　　基于物聯(lián)網(wǎng)的設備連接仍處于起步階段。這意味著，隨著新應用程式的涌現(xiàn)，顯著提高了微控制器(MCU)系統(tǒng)在速度、功耗、范圍和容量方面的需求。該領域的潛在商機打破了在設計方面的局限性。藍牙技術聯(lián)盟最新(特殊利益集團)宣布，藍牙5.0標準定位于電子產(chǎn)業(yè)對物聯(lián)網(wǎng)市場需求的典型布局。內容指出，全新的 BLE 標準可提供兩倍的傳輸速度、四倍的傳輸范圍以及廣播包的數(shù)據(jù)承載量是上一個版本的8倍。這些新的技術特性將極大地促進物聯(lián)網(wǎng)設備與我們日常生活間的各種連接。MCU作為物聯(lián)網(wǎng)設備的核心，必須與時俱進，緊跟協(xié)議的發(fā)展進程，支持新標準提供的各種特性。以下是即將推出的最新BLE標準的主要特性。

　　· 速度(傳輸更快)：藍牙5.0傳輸速度上限為2Mbps，是之前4.2版本的兩倍。

　　· 傳輸距離(通信距離更遠)：有效工作距離可達300米，是舊版本的4倍之多。

　　· 低功耗(延長電池/設備工作時間)：協(xié)議優(yōu)化大大降低了能源消耗，提升了其性能。

　　· 廣播能力(更大的承載量)：協(xié)議優(yōu)化將提升800%增長的數(shù)據(jù)廣播包的承載量。

　　· 安全功能：高安全加密及認證，確保只允許經(jīng)受權用戶跟蹤設備位置和安全配對。

　　擴充處理器容量、內存及功耗方面的性能不會憑空而來。對于許多應用程序而言，底層硬件(例如MCU)需要做出相應調整以適應這些特性。因此，生產(chǎn)商在設計下一代MCU時必須時刻緊記這些要求。例如，賽普拉斯 PSoC 6 BLE MCU(見圖1)為物聯(lián)網(wǎng)設計人員提供BLE 5.0所具備的這些功能。

　　圖1：PSoC 6 BLE子系統(tǒng)框圖

　　盡管這些特點會增加MCU的負載，但也能為終端用戶帶來諸多好處：

　　· 性能(范圍優(yōu)勢)：相比于基于物聯(lián)網(wǎng)的其他協(xié)議，如Wi-Fi及ZigBee，BLE已經(jīng)成為無線通信協(xié)議的首選。改進過的覆蓋范圍將確保藍牙設備(如揚聲器、智能門鎖、燈泡等)可以在家里任意位置實現(xiàn)完全連接。這是真正實現(xiàn)智能家居的關鍵一步。BLE 5.0也有可能取代高功耗的Wi-Fi，控制智能家居設備。改進后的覆蓋范圍還能讓智能手表等設備更方便地接收來自智能手機的即時通知。

　　· 低功耗(速度優(yōu)勢)：更快的轉輸速度提高了響應能力。對于那些非數(shù)據(jù)密集型物聯(lián)網(wǎng)設備來說，更快的速度意味著會帶來更低的消耗及更長的使用壽命。例如，將傳輸速度增加兩倍，發(fā)送/接收時間減少近一半。這樣就可以減少功耗，因為設備可以迅速進入低功耗模式。此外，更高的傳輸速度支持周期性的設備軟件更新，這將是物聯(lián)網(wǎng)應用的一個重要功能。

　　· 無線連接服務(廣播容量優(yōu)勢)：廣播容量的顯著增加將使信息傳輸更加豐富和智能化，Beacon等無線連接服務將能夠傳輸更多的信息。舉例來說，Beacon可以傳輸實際內容，而不是通過URL指向內容。這可能將重新定義藍牙設備傳播信息的方式，因為它通過無需連接的物聯(lián)網(wǎng)傳輸信息，而非藍牙配對設備模式。這有可能讓資產(chǎn)跟蹤和智能垃圾管理等先進的應用更加智能地使用網(wǎng)狀網(wǎng)絡。

　　智能觸摸界面：

　　正如第一部分中所講到的，物聯(lián)網(wǎng)設備跨越消費類、工業(yè)、汽車和商業(yè)應用領域。這些應用都能受惠于美觀的的用戶界面，且具備產(chǎn)品差異化，如觸摸顯示屏、按鈕/滑塊以及近距離感應。為了讓用戶享受最佳體驗，觸摸顯示器還需支持手勢識別、防水、手腕感應及戴手套觸摸。這些特征都可以通過低功耗的電容感應技術實現(xiàn)，除此以外，觸摸感應還可以幫助優(yōu)化功耗，例如使用近距離感應來檢測用戶何時使用設備。將電容感應集成在 MCU 中則無需單獨的專用傳感設備，此外，此項集成還可以提升功效、性能并且降低成本(參見圖2)。

　　圖2：集成BLE連接與電容式觸摸感應的PSoC 6

　　電容感應是實現(xiàn)創(chuàng)新應用和提高產(chǎn)品特色的關鍵技術：

　　智能家居開關─個人遠程控制家用設備可以為生活帶來帶來許多好處，智能家電也是如此。支持智能家電需要兩個關鍵的構建模塊：一、無線連接，用于將設備連接到云端;二、可以由多個源頭控制的智能開關，如云端、遙控、智能手機及/或用戶自身輸入指令。

　　圖3：電容感應的智能開關

　　帶有電容感應的智能開關可以實現(xiàn)許多高級功能：

　　1. 智能調光─電容感應滑塊為調光功能提供了一個直觀的物理接口。BLE使調光器具備無線連接功能，方便其放置在房屋內的任意位置。

　　2. 存儲功能─MCU可以保存其內部存儲中選擇的亮度設置，并在電源中斷或后續(xù)使用時恢復設置。

　　3. 安全性─智能開關的高壓交流部分與繼電器是隔離的，用戶實體操作界面部分只用于處理低功率DC，從而保證用戶安全。

　　4. 照明功能─MCU可以在開關上提供LED照明，以便用戶在黑暗中找到開關。這一特性可以使用基于電容的近距離感應來啟動。

　　5. 手勢功能─智能開關具有檢測近距離和觸摸手勢的能力，可輕松快速實現(xiàn)配置以運行特定任務。

　　6. 控制功能─支持基于物聯(lián)網(wǎng)的MCU與電容式感應的開發(fā)生態(tài)系統(tǒng)，簡化了對開關的管理，并兼容多個來源控制。

　　人體檢測 — 基于電容式感應技術，可以在特定的范圍內探測到包括人體在內的任何導電物質(由于質量的存在)。電容式感應技術豐富了物聯(lián)網(wǎng)(IoT)設備的功能特性趣味化。例如，出于安全性和低功耗因素考慮，可穿戴設備需要能夠檢測出設備是否被使用者配帶在手腕上。其工作原理非常簡單。當用戶佩戴設備時，電容式傳感器就會檢測到手腕上的手環(huán)進而觸發(fā)鎖定裝置，防止他人偷窺到其中的重要數(shù)據(jù)。同理，當用戶沒有佩戴設備時，則會進入低功耗運作模式。這些設計有助于延長電池壽命，同時，這也是任何可穿戴產(chǎn)品所需要考慮的重要因素。

　　圖 4 ：電容式感應手腕檢測功能

　　電容式觸摸滑塊— 滑塊是一種重要的用戶輸入機制，可幫助用戶輕松地與物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品相互作用。相較于大屏幕設備而言，此功能特別適用于小型可穿戴式設備?？紤]到這個屏幕可能很小，當用戶手指覆蓋在屏幕上時，難以觀看和更改參數(shù)或導航菜單。電容滑動模塊使用戶只需輕輕一掃就可以在不同的菜單/屏幕之間滑動。相同的滑塊電極可以被用作點電容式觸摸按鈕，用于輸入數(shù)據(jù)或選擇菜單項。下圖顯示了電容式觸摸滑塊的體現(xiàn)形式。

　　圖 5 ：電容式觸摸滑塊

　　電容式觸摸顯示屏 ─觸摸顯示屏為中型及大型的物聯(lián)網(wǎng)設備提供豐富的用戶界面。從微波爐到手持式醫(yī)療設備，從智能手表到工業(yè)控制器等等。通常，使用電容觸摸技術結合顯示屏上透明的銦錫氧化物層(ITO)來實現(xiàn)觸摸顯示屏。依據(jù)這種應用方式，電容式觸控技術要求能夠在潮濕的環(huán)境下工作。

　　圖6：電容式觸摸顯示屏

　　基于手勢的輕薄用戶界面─ 特殊的手勢在提高用戶體驗方面發(fā)揮著關鍵作用。不同的手勢功能可幫助物聯(lián)網(wǎng)制造商區(qū)分其產(chǎn)品在市場上的地位。例如，一款無線藍牙揚聲器可直接通過不同的手勢來控制音量、上下曲等。手勢功能已逐漸成為用戶界面最簡單直觀的形式之一。智能手勢包括：向左右任意方向滑動、單擊、雙擊、長按鍵等等。設備可以由指定的用戶手勢“喚醒”，因此手勢功能不僅可以簡化UI，而且還能夠降低功耗。

　　圖7 ：電容式觸控 / 手勢接近

　　物聯(lián)網(wǎng)傳感器和接口 ：

　　物聯(lián)網(wǎng)應用通常是由傳感器、安全處理器和無線鏈路組成。傳感器是物聯(lián)網(wǎng)應用的關鍵技術。人類通過感官與外部環(huán)境進行交流。傳感器可以加強人們與其周圍環(huán)境的互動。

　　圖 8 ：集成 BLE 連接的PSoC6及電容式觸控模塊

　　物聯(lián)網(wǎng)應用程序普遍含有一個或多個傳感器。這些傳感器主要分為數(shù)字傳感器和傳統(tǒng)的模擬傳感器。模擬傳感器連續(xù)不間斷的輸出模擬信號，如電流或電壓。通過傳感器的量程獲得所對應的測量值。市面上有多種模擬傳感器，包括環(huán)境光傳感器、溫度傳感器、聲音傳感器和紫外線傳感器等。

　　相比之下，數(shù)字傳感器是通過數(shù)據(jù)的數(shù)字化轉換和傳輸?shù)膫鞲衅?。通過數(shù)字傳感器將被測量值直接從模擬信號轉換為數(shù)字輸出。在許多應用中，數(shù)字傳感器正逐步取代模擬傳感器。數(shù)字數(shù)據(jù)通過電纜或其他媒介傳輸，將不會產(chǎn)生傳輸損耗。常用的數(shù)字傳感器包括加速度傳感器、壓力傳感器、磁力計和GPS等。

　　無論模擬傳感器還是數(shù)字傳感器，都需要通過一個接口電路將數(shù)據(jù)傳遞到基于物聯(lián)網(wǎng)的MCU上。信號調節(jié)電路用來處理/提高模擬傳感器的信號輸出。這些電路通常被稱為模擬前端(AFE)。AFE包含一個偏置電路、一個放大器、多個對比器、一個數(shù)模轉換器(DAC)、多個模擬多路轉換器、多個參考電壓、一個用于抑制噪音的濾波網(wǎng)絡、偏移消除等錯誤抑制技術以及一個用于數(shù)字化和處理傳感器數(shù)據(jù)的模數(shù)轉換器(ADC)。相反，數(shù)字傳感器只需要一個數(shù)字化的通信渠道，需要使用一個通用異步收發(fā)傳輸器(UART)、集成電路總線(I2C)、 串行外設接口(SPI)或SPI通信端口將其輸出傳送到MCU。

　　將傳感器與傳統(tǒng)的微控制器連接起來，需要在芯片外構建接口電路，盡管某些設備可能已經(jīng)將一個固定的ADC集成到了MCU中。對于物聯(lián)網(wǎng)應用而言，最理想的莫過于實現(xiàn)完整的模擬和數(shù)字組件與高度集成的MCU相結合。

　　圖 9 ：PSoC 6 BLE AFE 及 DFE

　　模擬前端在物聯(lián)網(wǎng)中的用例：

　　讓我們以心率監(jiān)視儀( HRM )為例，了解一下物聯(lián)網(wǎng)應用對于模擬前端( AFE )都有哪些需求。當HRM工作時，要求模擬信號調節(jié)電路以便其正常運作。測量心率有多種方法，最常用的三種是：

　　· 光學體積描技術( PPG )

　　· 心電圖( ECG)

　　· 心音圖( PCG)

　　光學體積描技術(PPG ) 是一種測量心血管脈沖波形的光學方法。通過人體動脈血流量的周期性脈動引致脈沖波。該測量方法需要使用一種光源和一個光電二極管(接收器)實現(xiàn)。通過紅外線LED光源照射到皮膚上的光線可以檢測到壓力脈沖所引起的體積變化，然后測量出傳送或者反射到光電二極管上的光的總量。圖10顯示了PPG測量方法的AFE電路。

　　圖 10： PSoC 6 BLE AFE 示例─ 光學體積描技術(PPG ) 心電圖(ECG)：當心臟經(jīng)過去極化和復極化，會產(chǎn)生電流會并擴散到整個身體。通過在人體皮膚上的特定點放置電極來檢測這些電脈沖。心電圖(ECG)通過探測到的這些不同的心電脈沖，來追蹤心臟的整體跳動節(jié)律。由于心臟肌肉的跳動作用和被感應到的身體點之間的間距，這些電信號介乎0.1mV至1.5mV。兩個間距的輸入點間的潛在區(qū)別被運算放大器放大。信號由ADC采樣模擬數(shù)據(jù)轉換，集成的ADC采樣用于引導補償電流進入放大器的反饋回路。通過切斷采樣間的電路模擬部分的電池供電單位以節(jié)省耗電量。

　　圖 11 ： PSoC 6 BLE AFE 示例──心電圖( ECG )

　　心音圖(PCG )：心臟瓣膜在打開和關閉時會產(chǎn)生收縮和擴張的聲音，通常可以通過聽診器聽到。傳聲器用來采集心跳，以及根據(jù)采集到信號來測量心率。這些聲音都顯示為有節(jié)奏的心率跳動。這種聲學特性在心音描記儀中來確定心率。對來自傳聲器的電信號進行放大，并通過噪聲濾波器消除外部噪聲。使用數(shù)字濾波器從ADC數(shù)據(jù)中過濾出雜音和有節(jié)奏的聲音，從而可以正確的計算出心率。

　　圖 12 ： PSoC 6 BLE AFE 示例──心音圖( PCG )

　　開發(fā)人員在設計物聯(lián)網(wǎng)設備時很多選擇。通過了解基于物聯(lián)網(wǎng)MCU的各種功能，選擇集成處理器，可簡化設計、提高性能、顯著提升產(chǎn)品功效，并且降低整個系統(tǒng)的成本。此外，開發(fā)人員可實現(xiàn)創(chuàng)新應用，使設備更具備易用性，從而領先于市場內的其他產(chǎn)品。

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　　1. PSoC 6 BLE 系列數(shù)據(jù)表

　　2. PSoC 6 BLE 架構技術參考手冊(TRM )

　　3. PSoC 6 BLE 寄存器技術參考手冊(TRM )

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