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在了解 IoT 要求 101 的第一部分中，我们介绍了先进的工艺技术、低功耗设计技术、多核系统的功耗注意事项、内核间通信、串行存储器接口和系统安全性。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。该领域的潜在商机推动了工程的极限。蓝牙特别兴趣小组（SIG）最近关于蓝牙 5.0 的声明是电子行业如何响应物联网市场需求的一个典型例子。
根据公告，新的 BLE 标准将提供两倍的速度、四倍的范围和 800% 的无连接数据广播改进。这将显着改善物联网设备与我们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，以支持新标准必须提供的好处。以下是即将推出的 BLE 标准的一些亮点：
蓝牙 5.0 将比蓝牙 4.2 快两倍，最大理论吞吐量为 2 Mbps。
与早期版本相比，该范围将增加四倍，延伸至 300 多米。
协议优化将实现更好的性能和功耗。
协议优化将展示由行业领先的功率性能支持的数据广播容量增加 800%。
增强的加密和身份验证将只允许受信任的用户跟踪设备位置并自信地配对设备。
就增加的处理器容量、内存和功率而言，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 设备时必须始终牢记这些要求（图 1）。
【图1 | Cypress PSoC 6 BLE MCU为物联网设计人员提供 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）都可以从房子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 也有可能取代耗电的 Wi-Fi 来控制智能家居设备。范围的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）
更高的传输速度可以提高响应速度。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，两倍的传输速度可将传输/接收时间减少一半。这可以降低功耗，因为设备可以更快地进入低功耗模式。此外，更高的传输速度可以更好地支持定期设备软件更新。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）
广播容量的显着提升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 应用程序更加智能。
智能触控界面
如第一部分所述，物联网设备跨越消费者、工业和商业应用程序。所有这些应用程序都可以受益于时尚的用户界面，以及触摸显示屏、按钮/滑块和接近感应等产品差异化功能。为了获得最佳用户体验，触控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控。这些特征中的每一个都可以使用电容传感技术以保持低功耗的方式实现。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 中集成电容式感应无需单独的专用感应设备。集成还提高了电源效率，
【图2 | PSoC 6 集成了 BLE 连接和电容式触摸感应］
电容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。启用智能家电需要两个关键构建块。第一个是无线链接，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。
具有电容感应的智能开关可以实现许多高级功能：
智能调光器——电容感应滑块为调光器功能提供直观的物理界面。BLE 为调光器启用无线接口，因此它可以放置在房间的任何地方。
内存 – MCU 可以保存在其内部 Flash 中选择的亮度设置，并在断电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，物理用户界面部分只处理低功率直流，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。可以使用基于电容的接近感应启用此功能。
手势——凭借检测接近和触摸手势的能力，开关可以配置为快速轻松地执行特定任务。
控制——支持基于物联网的 MCU 和电容感应的开发生态系统简化了开关的管理，并支持多个来源对其进行控制。
人体检测
作为一项技术，电容感应可以检测其范围内的任何导电材料，包括人体（由于其质量）。这为物联网设备启用了许多有趣的功能。例如，出于安全和低功耗的考虑，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。电容式传感器在用户佩戴时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。类似地，当设备没有被佩戴时，设备会进入低功耗操作模式。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，可以帮助人们轻松地与物联网产品进行交互。此功能特别适用于无法使用大屏幕的小型可穿戴设备。当手指挡住大部分屏幕时，非常小的触摸屏使更改设备参数或浏览菜单变得困难。基于电容的滑块只需轻扫即可在各种菜单或屏幕之间切换（图 5）。这些相同的滑块也可以用作输入数据或选择菜单的电容式触摸按钮。
电容式触控显示器
触控显示器为大中型物联网设备提供丰富的用户界面，范围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，触控显示器采用电容感应技术实现，使用透明的显示器上方的氧化铟锡 （ITO） 材料。根据应用的不同，电容式触控技术需要能够在潮湿的操作条件下可靠地工作。
通过手势流畅的用户界面
特殊手势在增强用户体验方面发挥着关键作用。手势还可以帮助物联网制造商在市场上区分他们的产品。例如，可以使用各种手势直接访问无线蓝牙扬声器，以调节音量、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。手势功能不仅简化了 UI，而且还降低了操作功耗，因为可以通过使用特定的用户手势“唤醒”设备。
物联网传感器和接口
IoT 应用程序通常是传感器、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。人类使用他们的感官与他们的环境互动。传感器可以丰富人类与周围环境的互动。
【图8 | 具有集成 BLE 连接和电容式触摸块的 PSoC 6］
所有物联网应用程序都使用一个或多个传感器。这些传感器本质上要么是模拟的，要么是数字的。模拟传感器输出连续的模拟信号，例如电流或电压。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，因此数字传感器正在许多应用中取代模拟传感器。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有数字加速度传感器、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 IoT MCU。在模拟传感器的情况下，需要一个信号调节电路来处理/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、电压基准、用于噪声抑制和误差抑制技术（如偏移消除）的滤波器网络以及用于数字化的模数转换器 （ADC） 组成传感器数据。 相比之下，数字传感器只需要一个数字通信通道（例如 UART、I2C 或 SPI）即可将传感器信息传输到 MCU。
要将传感器连接到传统的微控制器，需要在芯片外部构建接口电路，尽管某些设备可能具有集成到 MCU 中的固定功能 ADC。对于物联网应用，具有一整套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 和 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地工作。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 （PPG）
心电图 （ECG）
心音图 （PCG）
光电容积脉搏波 （PPG）
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脉动引起脉搏波。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 发出的光照射皮肤，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 （ECG）
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将电极放置在人体的特定点来检测。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，范围从 0.1mV 到 1.5mV，是由于心肌激活，并在身体上的间隔点之间被感应到。两个间隔输入点之间的电位差被运算放大器放大。然后信号由 ADC 采样。可以集成 ADC 样本并用于将补偿电流驱动到放大器的反馈环路中。该电路的模拟部分可以在电池供电单元的采样之间关闭以节省电力（图 11）。
【图11 | 用于 ECG 方法的 PSoC 6 BLE AFE 电路］
心音图 （PCG）
心脏瓣膜的打开和关闭会在收缩和扩张过程中产生声音，这些声音通常可以通过听诊器听到。麦克风用于采集心跳，产生的信号用于测量心率。这些声音与心跳有节奏。这种声学特性用于心音图仪以确定心率。来自麦克风的电信号被放大并且可以通过噪声滤波器以去除外部噪声。可以使用数字滤波器从 ADC 数据中过滤各种声音，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，开发人员可以选择集成处理器来简化设计、提高性能、提供卓越的电源效率并降低整体系统成本。此外，开发人员可以实施创新功能，提高易用性并使其产品与市场上的其他产品区分开来。
审核编辑：郭婷
工商网监
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