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(jìn)的工藝技術(shù)、低功耗設計技術(shù)、多核系統的功耗問(wèn)題、內核間的通訊、串行存儲器接口以及系統安全。第二部分, 我們將介紹 BLE 無(wú)線(xiàn)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(shù)。

　　無(wú)線(xiàn)連接技術(shù)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(zhù)，隨著(zhù)新應用程式的涌現，顯著(zhù)提高了微控制器(MCU)系統在速度、功耗、范圍和容量方面的需求。該領(lǐng)域的潛在商機打破了在設計方面的局限性。藍牙技術(shù)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(chǎng)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據承載量是上一個(gè)版本的8倍。這些新的技術(shù)特性將極大地促進(jìn)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(shí)俱進(jìn)，緊跟協(xié)議的發(fā)展進(jìn)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(cháng)電池/設備工作時(shí)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(cháng)的數據廣播包的承載量。

　　· 安全功能：高安全加密及認證，確保只允許經(jīng)受權用戶(hù)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(huì )憑空而來(lái)。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(shí)必須時(shí)刻緊記這些要求。例如，賽普拉斯 PSoC 6 BLE MCU(見(jiàn)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子系統框圖

　　盡管這些特點(diǎn)會(huì )增加MCU的負載，但也能為終端用戶(hù)帶來(lái)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(wú)線(xiàn)通信協(xié)議的首選。改進(jìn)過(guò)的覆蓋范圍將確保藍牙設備(如揚聲器、智能門(mén)鎖、燈泡等)可以在家里任意位置實(shí)現完全連接。這是真正實(shí)現智能家居的關(guān)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(jìn)后的覆蓋范圍還能讓智能手表等設備更方便地接收來(lái)自智能手機的即時(shí)通知。

　　· 低功耗(速度優(yōu)勢)：更快的轉輸速度提高了響應能力。對于那些非數據密集型物聯(lián)網(wǎng)設備來(lái)說(shuō)，更快的速度意味著(zhù)會(huì )帶來(lái)更低的消耗及更長(cháng)的使用壽命。例如，將傳輸速度增加兩倍，發(fā)送/接收時(shí)間減少近一半。這樣就可以減少功耗，因為設備可以迅速進(jìn)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(gè)重要功能。

　　· 無(wú)線(xiàn)連接服務(wù)(廣播容量?jì)?yōu)勢)：廣播容量的顯著(zhù)增加將使信息傳輸更加豐富和智能化，Beacon等無(wú)線(xiàn)連接服務(wù)將能夠傳輸更多的信息。舉例來(lái)說(shuō)，Beacon可以傳輸實(shí)際內容，而不是通過(guò)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(guò)無(wú)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(jìn)的應用更加智能地使用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )。

　　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(lèi)、工業(yè)、汽車(chē)和商業(yè)應用領(lǐng)域。這些應用都能受惠于美觀(guān)的的用戶(hù)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(hù)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(guò)低功耗的電容感應技術(shù)實(shí)現，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(lái)檢測用戶(hù)何時(shí)使用設備。將電容感應集成在 MCU 中則無(wú)需單獨的專(zhuān)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(jiàn)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(shí)現創(chuàng )新應用和提高產(chǎn)品特色的關(guān)鍵技術(shù)：

　　智能家居開(kāi)關(guān)─個(gè)人遠程控制家用設備可以為生活帶來(lái)帶來(lái)許多好處，智能家電也是如此。支持智能家電需要兩個(gè)關(guān)鍵的構建模塊：一、無(wú)線(xiàn)連接，用于將設備連接到云端;二、可以由多個(gè)源頭控制的智能開(kāi)關(guān)，如云端、遙控、智能手機及/或用戶(hù)自身輸入指令。

　　圖3：電容感應的智能開(kāi)關(guān)

　　帶有電容感應的智能開(kāi)關(guān)可以實(shí)現許多高級功能：

　　1. 智能調光─電容感應滑塊為調光功能提供了一個(gè)直觀(guān)的物理接口。BLE使調光器具備無(wú)線(xiàn)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使用時(shí)恢復設置。

　　3. 安全性─智能開(kāi)關(guān)的高壓交流部分與繼電器是隔離的，用戶(hù)實(shí)體操作界面部分只用于處理低功率DC，從而保證用戶(hù)安全。

　　4. 照明功能─MCU可以在開(kāi)關(guān)上提供LED照明，以便用戶(hù)在黑暗中找到開(kāi)關(guān)。這一特性可以使用基于電容的近距離感應來(lái)啟動(dòng)。

　　5. 手勢功能─智能開(kāi)關(guān)具有檢測近距離和觸摸手勢的能力，可輕松快速實(shí)現配置以運行特定任務(wù)。

　　6. 控制功能─支持基于物聯(lián)網(wǎng)的MCU與電容式感應的開(kāi)發(fā)生態(tài)系統，簡(jiǎn)化了對開(kāi)關(guān)的管理，并兼容多個(gè)來(lái)源控制。

　　人體檢測 — 基于電容式感應技術(shù)，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(zhì)(由于質(zhì)量的存在)。電容式感應技術(shù)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(jiǎn)單。當用戶(hù)佩戴設備時(shí)，電容式傳感器就會(huì )檢測到手腕上的手環(huán)進(jìn)而觸發(fā)鎖定裝置，防止他人偷窺到其中的重要數據。同理，當用戶(hù)沒(méi)有佩戴設備時(shí)，則會(huì )進(jìn)入低功耗運作模式。這些設計有助于延長(cháng)電池壽命，同時(shí)，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(hù)輸入機制，可幫助用戶(hù)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(gè)屏幕可能很小，當用戶(hù)手指覆蓋在屏幕上時(shí)，難以觀(guān)看和更改參數或導航菜單。電容滑動(dòng)模塊使用戶(hù)只需輕輕一掃就可以在不同的菜單/屏幕之間滑動(dòng)。相同的滑塊電極可以被用作點(diǎn)電容式觸摸按鈕，用于輸入數據或選擇菜單項。下圖顯示了電容式觸摸滑塊的體現形式。

　　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(hù)界面。從微波爐到手持式醫療設備，從智能手表到工業(yè)控制器等等。通常，使用電容觸摸技術(shù)結合顯示屏上透明的銦錫氧化物層(ITO)來(lái)實(shí)現觸摸顯示屏。依據這種應用方式，電容式觸控技術(shù)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(hù)界面─ 特殊的手勢在提高用戶(hù)體驗方面發(fā)揮著(zhù)關(guān)鍵作用。不同的手勢功能可幫助物聯(lián)網(wǎng)制造商區分其產(chǎn)品在市場(chǎng)上的地位。例如，一款無(wú)線(xiàn)藍牙揚聲器可直接通過(guò)不同的手勢來(lái)控制音量、上下曲等。手勢功能已逐漸成為用戶(hù)界面最簡(jiǎn)單直觀(guān)的形式之一。智能手勢包括：向左右任意方向滑動(dòng)、單擊、雙擊、長(cháng)按鍵等等。設備可以由指定的用戶(hù)手勢“喚醒”，因此手勢功能不僅可以簡(jiǎn)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(wú)線(xiàn)鏈路組成。傳感器是物聯(lián)網(wǎng)應用的關(guān)鍵技術(shù)。人類(lèi)通過(guò)感官與外部環(huán)境進(jìn)行交流。傳感器可以加強人們與其周?chē)h(huán)境的互動(dòng)。

　　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(gè)或多個(gè)傳感器。這些傳感器主要分為數字傳感器和傳統的模擬傳感器。模擬傳感器連續不間斷的輸出模擬信號，如電流或電壓。通過(guò)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(xiàn)傳感器等。

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

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

　　將傳感器與傳統的微控制器連接起來(lái)，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(gè)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(guò)于實(shí)現完整的模擬和數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(shí)，要求模擬信號調節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(xué)體積描技術(shù)( PPG )

　　· 心電圖( ECG)

　　· 心音圖( PCG)

　　光學(xué)體積描技術(shù)(PPG ) 是一種測量心血管脈沖波形的光學(xué)方法。通過(guò)人體動(dòng)脈血流量的周期性脈動(dòng)引致脈沖波。該測量方法需要使用一種光源和一個(gè)光電二極管(接收器)實(shí)現。通過(guò)紅外線(xiàn)LED光源照射到皮膚上的光線(xiàn)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(xué)體積描技術(shù)(PPG ) 心電圖(ECG)：當心臟經(jīng)過(guò)去極化和復極化，會(huì )產(chǎn)生電流會(huì )并擴散到整個(gè)身體。通過(guò)在人體皮膚上的特定點(diǎn)放置電極來(lái)檢測這些電脈沖。心電圖(ECG)通過(guò)探測到的這些不同的心電脈沖，來(lái)追蹤心臟的整體跳動(dòng)節律。由于心臟肌肉的跳動(dòng)作用和被感應到的身體點(diǎn)之間的間距，這些電信號介乎0.1mV至1.5mV。兩個(gè)間距的輸入點(diǎn)間的潛在區別被運算放大器放大。信號由ADC采樣模擬數據轉換，集成的ADC采樣用于引導補償電流進(jìn)入放大器的反饋回路。通過(guò)切斷采樣間的電路模擬部分的電池供電單位以節省耗電量。

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

　　心音圖(PCG )：心臟瓣膜在打開(kāi)和關(guān)閉時(shí)會(huì )產(chǎn)生收縮和擴張的聲音，通?？梢酝ㄟ^(guò)聽(tīng)診器聽(tīng)到。傳聲器用來(lái)采集心跳，以及根據采集到信號來(lái)測量心率。這些聲音都顯示為有節奏的心率跳動(dòng)。這種聲學(xué)特性在心音描記儀中來(lái)確定心率。對來(lái)自傳聲器的電信號進(jìn)行放大，并通過(guò)噪聲濾波器消除外部噪聲。使用數字濾波器從ADC數據中過(guò)濾出雜音和有節奏的聲音，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(kāi)發(fā)人員在設計物聯(lián)網(wǎng)設備時(shí)很多選擇。通過(guò)了解基于物聯(lián)網(wǎng)MCU的各種功能，選擇集成處理器，可簡(jiǎn)化設計、提高性能、顯著(zhù)提升產(chǎn)品功效，并且降低整個(gè)系統的成本。此外，開(kāi)發(fā)人員可實(shí)現創(chuàng )新應用，使設備更具備易用性，從而領(lǐng)先于市場(chǎng)內的其他產(chǎn)品。

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　　1. PSoC 6 BLE 系列數據表

　　2. PSoC 6 BLE 架構技術(shù)參考手冊(TRM )

　　3. PSoC 6 BLE 寄存器技術(shù)參考手冊(TRM )

　　4. AN210781- PSoC ? 6 BLE入門(mén)

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