剖析物联网的需求（第二部分）

shuszhao

微控制器（MCU）是物联网产品的核心，选择合适的MCU是满足客户当前和未来需求的关键。本文分两部分，将探讨当今不断增强的嵌入式MCU的丰富功能，第二部分介绍 BLE 无线链路、模拟前端、智能触摸界面以及其他重要的物联网设计技术。

在“剖析物联网的要求——第一部分”中介绍了先进的工艺技术、低功耗设计技术、多核系统的功耗问题、内核间的通讯、串行存储器接口以及系统安全。第二部分, 我们将介绍 BLE 无线链路、模拟前端、智能触摸界面以及其他重要的物联网设计技术。


无线连接技术的发展

基于物联网的设备连接仍处于起步阶段。这意味着——随着新应用的涌现，显著提高了微控制器（MCU）系统在速度、功耗、范围和容量方面的需求。该领域的潜在商机打破了在设计方面的局限性。蓝牙技术联盟最新（特殊利益集团）宣布，蓝牙5.0标准定位于电子产业对物联网市场需求的典型布局。内容指出，全新的BLE标准可提供两倍的传输速度、四倍的传输范围以及广播包的数据承载量是上一个版本的8倍。这些新的技术特性将极大地促进物联网设备与我们日常生活间的各种连接。MCU作为物联网设备的核心，必须与时俱进，紧跟协议的发展进程，支持新标准提供的各种特性。以下是即将推出的最新BLE标准的主要特性。
•    速度（传输更快）：蓝牙5.0传输速度上限为2Mbps，是之前4.2版本的两倍。
•    传输距离（通信距离更远）：有效工作距离可达300米，是旧版本的4倍之多。
•    低功耗（延长电池/设备工作时间）：协议优化大大降低了能源消耗，提升了其性能。
•    广播能力（更大的承载量）：协议优化将提升800%增长的数据广播包的承载量。
•    安全功能：高安全加密及认证，确保只允许经受权用户跟踪设备位置和安全配对。

扩充处理器容量、内存及功耗方面的性能不会凭空而来。对于许多应用程序而言，底层硬件（例如MCU）需要做出相应调整以适应这些特性。因此，生产商在设计下一代MCU时必须时刻紧记这些要求。例如，赛普拉斯PSoC 6 BLEMCU（见图1）为物联网设计人员提供BLE 5.0所具备的这些功能。

                               
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图1：PSoC 6 BLE子系统框图。

尽管这些特点会增加MCU的负载，但也能为终端用户带来诸多好处：
•    性能（范围优势）：相比于基于物联网的其他协议，如Wi-Fi及ZigBee，BLE已经成为无线通信协议的首选。改进过的覆盖范围将确保蓝牙设备（如扬声器、智能门锁、灯泡等）可以在家里任意位置实现完全连接。这是真正实现智能家居的关键一步。BLE 5.0也有可能取代高功耗的Wi-Fi，控制智能家居设备。改进后的覆盖范围还能让智能手表等设备更方便地接收来自智能手机的即时通知。

•    低功耗（速度优势）：更快的传输速度提高了响应能力。对于那些非数据密集型物联网设备来说，更快的速度意味着会带来更低的消耗及更长的使用寿命。例如，将传输速度增加两倍，发送/接收时间减少近一半。这样就可以减少功耗，因为设备可以迅速进入低功耗模式。此外，更高的传输速度支持周期性的设备软件更新，这将是物联网应用的一个重要功能。

•    无线连接服务（广播容量优势）：广播容量的显著增加将使信息传输更加丰富和智能化，Beacon等无线连接服务将能够传输更多的信息。举例来说，Beacon可以传输实际内容，而不是通过URL指向内容。这可能将重新定义蓝牙设备传播信息的方式，因为它通过无需连接的物联网传输信息，而非蓝牙配对设备模式。这有可能让资产跟踪和智能垃圾管理等先进的应用更加智能地使用网状网络。



智能触摸界面

正如第一部分中所讲到的，物联网设备跨越消费类、工业、汽车和商业应用领域。这些应用都能受惠于美观的用户界面，且具备产品差异化，如触摸显示屏、按钮/滑块以及近距离感应。为了让用户享受最佳体验，触摸显示器还需支持手势识别、防水、手腕感应及戴手套触摸。这些特征都可以通过低功耗的电容感应技术实现，除此以外，触摸感应还可以帮助优化功耗，例如使用近距离感应来检测用户何时使用设备。将电容感应集成在 MCU 中则无需单独的专用传感设备，此外，此项集成还可以提升功效、性能并且降低成本（参见图2）。

                               
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图2：集成BLE连接与电容式触摸感应的PSoC 6。

电容感应是实现创新应用和提高产品特色的关键技术：
智能家居开关─个人远程控制家用设备可以为生活带来许多好处，智能家电也是如此。支持智能家电需要两个关键的构建模块：一、无线连接，用于将设备连接到云端；二、可以由多个源头控制的智能开关，如云端、遥控、智能手机及/或用户自身输入指令。

                               
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图3：电容感应的智能开关。

带有电容感应的智能开关可以实现许多高级功能：

[li]智能调光─电容感应滑块为调光功能提供了一个直观的物理接口。BLE使调光器具备无线连接功能，方便其放置在房屋内的任意位置。
[/li][li]存储功能─MCU可以保存其内部存储中选择的亮度设置，并在电源中断或后续使用时恢复设置。
[/li][li]安全性─智能开关的高压交流部分与继电器是隔离的，用户实体操作界面部分只用于处理低功率DC，从而保证用户安全。
[/li][li]照明功能─MCU可以在开关上提供LED照明，以便用户在黑暗中找到开关。这一特性可以使用基于电容的近距离感应来启动。
[/li][li]手势功能─智能开关具有检测近距离和触摸手势的能力，可轻松快速实现配置以运行特定任务。
[/li][li]控制功能─支持基于物联网的MCU与电容式感应的开发生态系统，简化了对开关的管理，并兼容多个来源控制。
[/li]

人体检测：基于电容式感应技术，可以在特定的范围内探测到包括人体在内的任何导电物质（由于质量的存在）。电容式感应技术丰富了物联网（IoT）设备的功能特性趣味化。例如，出于安全性和低功耗因素考虑，可穿戴设备需要能够检测出设备是否被使用者配带在手腕上。其工作原理非常简单。当用户佩戴设备时，电容式传感器就会检测到手腕上的手环进而触发锁定装置，防止他人偷窥到其中的重要数据。同理，当用户没有佩戴设备时，则会进入低功耗运作模式。这些设计有助于延长电池寿命，同时，这也是任何可穿戴产品所需要考虑的重要因素。

                               
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图4：电容式感应手腕检测功能。

电容式触摸滑块：滑块是一种重要的用户输入机制，可帮助用户轻松地与物联网产品相互作用。相较于大屏幕设备而言，此功能特别适用于小型可穿戴式设备。考虑到这个屏幕可能很小，当用户手指覆盖在屏幕上时，难以观看和更改参数或导航菜单。电容滑动模块使用户只需轻轻一扫就可以在不同的菜单/屏幕之间滑动。相同的滑块电极可以被用作点电容式触摸按钮，用于输入数据或选择菜单项。下图显示了电容式触摸滑块的体现形式。

                               
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图5：电容式触摸滑块。

电容式触摸显示屏：触摸显示屏为中型及大型的物联网设备提供丰富的用户界面。从微波炉到手持式医疗设备，从智能手表到工业控制器等等。通常，使用电容触摸技术结合显示屏上透明的铟锡氧化物层（ITO）来实现触摸显示屏。依据这种应用方式，电容式触控技术要求能够在潮湿的环境下工作。

                               
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图6：电容式触摸显示屏。

基于手势的轻薄用户界面：特殊的手势在提高用户体验方面发挥着关键作用。不同的手势功能可帮助物联网制造商区分其产品在市场上的地位。例如，一款无线蓝牙扬声器可直接通过不同的手势来控制音量、上下曲等。手势功能已逐渐成为用户界面最简单直观的形式之一。智能手势包括：向左右任意方向滑动、单击、双击、长按键等等。设备可以由指定的用户手势“唤醒”，因此手势功能不仅可以简化UI，而且还能够降低功耗。

                               
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图7：电容式触控/手势接近。

物联网传感器和接口

物联网应用通常是由传感器、安全处理器和无线链路组成。传感器是物联网应用的关键技术。人类通过感官与外部环境进行交流。传感器可以加强人们与其周围环境的互动。

                               
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图8：集成BLE连接的PSoC6及电容式触控模块。

物联网应用程序普遍含有一个或多个传感器。这些传感器主要分为数字传感器和传统的模拟传感器。模拟传感器连续不间断的输出模拟信号，如电流或电压。通过传感器的量程获得所对应的测量值。市面上有多种模拟传感器，包括环境光传感器、温度传感器、声音传感器和紫外线传感器等。
相比之下，数字传感器是通过数据的数字化转换和传输的传感器。通过数字传感器将被测量值直接从模拟信号转换为数字输出。在许多应用中，数字传感器正逐步取代模拟传感器。数字数据通过电缆或其他媒介传输，将不会产生传输损耗。常用的数字传感器包括加速度传感器、压力传感器、磁力计和GPS等。
无论模拟传感器还是数字传感器，都需要通过一个接口电路将数据传递到基于物联网的MCU上。信号调节电路用来处理/提高模拟传感器的信号输出。这些电路通常被称为模拟前端（AFE）。AFE包含一个偏置电路、一个放大器、多个对比器、一个数模转换器(DAC)、多个模拟多路转换器、多个参考电压、一个用于抑制噪音的滤波网络、偏移消除等错误抑制技术以及一个用于数字化和处理传感器数据的模数转换器（ADC）。相反，数字传感器只需要一个数字化的通信渠道，需要使用一个通用异步收发传输器（UART）、集成电路总线（I2C）、串行外设接口（SPI）或SPI通信端口将其输出传送到MCU。
将传感器与传统的微控制器连接起来，需要在芯片外构建接口电路，尽管某些设备可能已经将一个固定的ADC集成到了MCU中。对于物联网应用而言，最理想的莫过于实现完整的模拟和数字组件与高度集成的MCU相结合。

                               
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图9：PSoC 6 BLE AFE及DFE。

模拟前端在物联网中的用例

让我们以心率监视仪（HRM）为例，了解一下物联网应用对于模拟前端（AFE）都有哪些需求。当HRM工作时，要求模拟信号调节电路以便其正常运作。测量心率有多种方法，最常用的三种是：
•    光学体积描技术（PPG）
•    心电图（ ECG）
•    心音图（PCG）

光学体积描技术（PPG）是一种测量心血管脉冲波形的光学方法。通过人体动脉血流量的周期性脉动引致脉冲波。该测量方法需要使用一种光源和一个光电二极管（接收器）实现。通过红外线LED光源照射到皮肤上的光线可以检测到压力脉冲所引起的体积变化，然后测量出传送或者反射到光电二极管上的光的总量。图10显示了PPG测量方法的AFE电路。

                               
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图10：PSoC 6 BLE AFE示例─ 光学体积描技术（PPG） 。

心电图（ECG）：当心脏经过去极化和复极化，会产生电流会并扩散到整个身体。通过在人体皮肤上的特定点放置电极来检测这些电脉冲。心电图（ECG）通过探测到的这些不同的心电脉冲，来追踪心脏的整体跳动节律。由于心脏肌肉的跳动作用和被感应到的身体点之间的间距，这些电信号介乎0.1mV至1.5mV。两个间距的输入点间的潜在区别被运算放大器放大。信号由ADC采样模拟数据转换，集成的ADC采样用于引导补偿电流进入放大器的反馈回路。通过切断采样间的电路模拟部分的电池供电单位以节省耗电量。

                               
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图11：PSoC 6 BLE AFE示例──心电图（ECG）。

心音图（PCG）：心脏瓣膜在打开和关闭时会产生收缩和扩张的声音，通常可以通过听诊器听到。传声器用来采集心跳，以及根据采集到信号来测量心率。这些声音都显示为有节奏的心率跳动。这种声学特性在心音描记仪中来确定心率。对来自传声器的电信号进行放大，并通过噪声滤波器消除外部噪声。使用数字滤波器从ADC数据中过滤出杂音和有节奏的声音，从而可以正确的计算出心率。

                               
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图12：PSoC 6 BLE AFE示例──心音图（PCG）。

开发人员在设计物联网设备时很多选择。通过了解基于物联网MCU的各种功能，选择集成处理器，可简化设计、提高性能、显著提升产品功效，并且降低整个系统的成本。此外，开发人员可实现创新应用，使设备更具备易用性，从而领先于市场内的其他产品。

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