在了解物聯網要求 101 的第一部分中，我們介紹了高級工藝技術、低功耗設計技術、多核系統的功耗注意事項、核間通信、串行內存接口和系統安全性。在第二部分中， 我們將介紹高級 BLE 無線鏈路， 智能觸摸界面， 物聯網傳感器和接口， 以及模擬前端。

高級無線鏈路

連接的物聯網設備仍處于起步階段。這意味著隨著新應用的出現，系統MCU將需要在速度、功耗、范圍和容量方面提供顯著改進。該領域的潛在商機突破了工程的極限。藍牙特別興趣小組 （SIG） 發布的關于藍牙 5.0 的公告是電子行業如何響應物聯網市場需求的一個典型例子。

新的BLE標準將提供兩倍的速度，四倍的范圍，以及800%的無連接數據廣播改進。這將顯著改善連接的物聯網設備與我們的日常生活的交互方式。由于MCU是物聯網設備的核心，它必須跟上協議的進步，以支持新標準所提供的優勢。以下是即將推出的BLE標準的一些亮點：

藍牙 5.0 將比藍牙快兩倍，最大理論吞吐量為 2 Mbps.

與早期版本相比，該范圍將翻兩番，可擴展至300 +米。

協議優化將實現更好的性能和功耗。

協議優化將展示數據廣播容量增加 800%，并以行業領先的電源性能為后盾。

增強的加密和身份驗證將僅允許受信任的用戶跟蹤設備位置并自信地配對設備。

就增加處理器容量、內存和功耗而言，這些功能并非免費提供。對于許多應用程序，需要更改底層硬件以支持這些功能。因此，MCU 制造商在設計下一代 MCU 器件時必須始終牢記這些要求（圖 1）。

［圖1 |賽普拉斯PSoC 6 BLE MCU為物聯網設計人員提供了BLE 5.0就緒功能。

在增加MCU負載的同時，這些功能為最終用戶提供了許多好處。

性能（范圍優勢）

BLE正在成為開發基于物聯網的產品的設計人員的首選無線協議。改進的范圍將確保任何藍牙設備（如揚聲器、智能鎖、燈泡等）都可以從房屋的任何地方完美連接。這是實現真正智能家居的關鍵一步。BLE 5.0 還有可能取代耗電的 Wi-Fi 來控制智能家居設備。范圍擴大也將有利于智能手表等設備接收來自智能手機的即時通知。

功率（速度優勢）

更高的傳輸速度可提高響應能力。對于通常不是數據密集型的物聯網設備，更高的速度將表現為更低的功耗和更長的使用壽命。例如，兩倍的傳輸速度將發送/接收時間減少一半。這樣可以降低功耗，因為器件可以更快地進入低功耗模式。此外，更高的傳輸速度可為定期設備軟件更新提供卓越的支持。這將是物聯網應用的一項重要功能。

無連接服務（廣播容量優勢）

廣播容量的大幅增加將使信息傳輸更加豐富和智能。信標等無連接服務將能夠傳輸更多信息。例如， 信標將能夠傳輸實際內容，而不是通過 URL 指向內容。這有可能通過轉向無連接物聯網而不是藍牙配對設備模型來重新定義當今藍牙設備傳輸信息的方式。這有可能使用網狀網絡使資產跟蹤和智能廢物管理等BLE應用更加智能。

智能觸摸界面

如第一部分所述，物聯網設備跨越消費者、工業和商業應用。所有這些應用都可以受益于時尚的用戶界面，具有產品差異化功能，如觸摸顯示屏、按鈕/滑塊和接近感應。為了獲得最佳用戶體驗，觸摸顯示器可能還需要能夠支持手勢識別、防水、手腕檢測和戴手套觸摸。這些功能中的每一個都可以使用電容式傳感技術來實現，以保持低功耗。觸摸感應還可以幫助優化功耗，例如使用接近感應來檢測用戶何時接近設備以使用它。在MCU中集成電容式檢測功能，無需單獨的專用檢測器件。集成還可以提高電源效率、性能和成本。

電容式傳感是實現創新應用和產品功能的關鍵技術。

智能家居開關

使個人能夠遠程控制家庭設備具有許多優勢。這同樣適用于家用電器。實現智能家電需要兩個關鍵構建塊。第一個是無線鏈路，它將設備連接到云。另一個元素是智能開關，可以由多個來源控制，例如云、遙控器、智能手機和/或物理用戶輸入。

具有電容感應功能的智能開關可以實現許多高級功能：

智能調光器 – 電容式感應滑塊為調光功能提供直觀的物理界面。BLE啟用調光器的無線接口，因此可以將其放置在房間的任何位置。

內存 – MCU 可以保存其內部閃存中選擇的亮度設置，并在電源中斷或后續使用之間恢復設置。

安全 – 由于智能開關的高壓交流部分與繼電器隔離，因此物理用戶界面部分僅處理低功率直流，從而確保用戶安全。

照明 – MCU 可以在開關上提供基于 LED 的照明，使用戶能夠在黑暗條件下定位開關。此功能可以使用基于電容的接近感應來啟用。

手勢 – 由于能夠檢測接近和觸摸手勢，可以將開關配置為快速輕松地執行特定任務。

控制 – 支持具有電容感應功能的基于物聯網的MCU的開發生態系統簡化了開關管理，并使多個源能夠控制開關。

人體檢測

作為一種技術，電容式傳感可以檢測其范圍內的任何導電材料，包括人體（由于其質量）。這為 IoT 設備提供了許多有趣的功能。例如，出于安全和低功耗考慮，可穿戴設備需要能夠檢測設備是否被佩戴。工作原理很簡單。每當用戶佩戴手腕時，電容式傳感器都會檢測手腕并觸發鎖定機制，以保護存儲在其中的重要數據不被其他用戶查看。同樣，當器件未佩戴時，器件將進入低功耗工作模式。這些操作有助于延長電池壽命，這是任何可穿戴應用的關鍵考慮因素。

電容式觸摸滑塊

滑塊是一種重要的用戶輸入機制，可幫助人們輕松與 IoT 產品交互。此功能特別適合小型可穿戴設備，在這些設備中，大屏幕是不可行的。非常小的觸摸屏使得當手指擋住大部分屏幕時難以更改設備參數或瀏覽菜單。基于電容的滑塊只需滑動即可在各種菜單或屏幕之間切換。這些相同的滑塊也可以充當電容式觸摸按鈕，用于輸入數據或選擇菜單。

電容式觸摸顯示屏

觸摸顯示器為大中型物聯網設備提供了豐富的用戶界面，從微波爐到手持醫療設備，從智能手表到工業控制器等。通常，觸摸顯示器采用電容式傳感技術，在顯示器上使用透明的氧化銦錫（ITO）材料。根據應用的不同，電容式觸摸技術需要能夠在潮濕的工作條件下可靠地工作。

通過手勢實現時尚的用戶界面

特殊手勢在增強用戶體驗方面起著關鍵作用。手勢還可以幫助物聯網制造商在市場上區分其產品。例如，可以使用各種手勢直接訪問無線藍牙揚聲器來調節音量、更改曲目等。手勢往往是最直觀的用戶界面形式之一。智能手勢包括向任一方向、向左或向右滑動、單擊、雙擊、長按等。手勢功能不僅可以簡化 UI，還可以降低操作功耗，因為可以使用特定的用戶手勢“喚醒”設備。

物聯網傳感器和接口

物聯網應用通常是傳感器、安全 CPU 和無線鏈路的組合。傳感器是所有物聯網應用的關鍵。人類利用他們的感官與環境互動。傳感器可以豐富人類與周圍環境的互動。

［圖8 |PSoC 6 具有集成的 BLE 連接和電容式觸摸塊］

所有物聯網應用都使用一個或多個傳感器。這些傳感器本質上是模擬或數字的。模擬傳感器輸出連續的模擬信號，如電流或電壓。該信號的大小與傳感器測量相關。市場上有許多類型的模擬傳感器，包括環境光傳感器、溫度傳感器、聲音傳感器、紫外線傳感器等。

相比之下，數字傳感器以數字方式轉換和傳輸數據。由于測量的信號在傳感器內直接從模擬轉換為數字，因此在許多應用中，數字傳感器正在取代模擬傳感器。數字數據通過電纜或其他傳輸介質從傳感器傳輸，沒有傳輸損耗。常見數字傳感器的示例包括數字加速度計傳感器、數字壓力傳感器、磁力計、GPS 等。

傳感器，無論是模擬的還是數字的，都需要一個接口電路來將數據傳遞到物聯網MCU。對于模擬傳感器，需要信號調理電路來處理/增強傳感器輸出。這些電路通常稱為模擬前端（AFE）。AFE由偏置電路、放大器、比較器、數模轉換器（DAC）、模擬多路復用器、基準電壓源、用于噪聲抑制和誤差抑制技術（如失調消除）的濾波器網絡以及用于數字化傳感器數據的模數轉換器（ADC）組成。相比之下，數字傳感器只需要UART、I2C或SPI等數字通信通道即可將傳感器信息傳輸到MCU。

要將傳感器連接到傳統微控制器，需要在芯片外部構建接口電路，盡管某些設備可能在MCU中集成了固定功能的ADC。對于物聯網應用，具有一套全面的模擬和數字組件的高度集成的MCU是理想的選擇。

［圖9 |PSoC 6 BLE AFE & DFE］

物聯網應用的模擬前端示例

考慮使用心率監測器 （HRM） 來了解物聯網應用中 AFE 的要求。HRM需要模擬信號調理電路才能可靠工作。有多種方法可以測量心率。最流行的方法是：

光電容積脈搏波

心電圖

心音圖

光電容積脈搏波

PPG是一種測量心血管脈搏波的光學方法。動脈血容量的周期性搏動引起脈搏波。測量方法涉及光源和光電二極管（接收器）。在這種方法中，通過用紅外LED的光照射皮膚，然后測量透射或反射到光電二極管的光量來檢測由壓力脈沖引起的體積變化（圖10）。

［圖10 |用于PPG方法的PSoC 6 BLE AFE電路］

心電圖

當心臟經歷去極化和再極化時，會產生電流并擴散到全身。這些電脈沖可以通過在人體的特定點放置電極來檢測。心電圖（ECG）捕獲這種變化的電脈沖，以跟蹤心臟的整體節律。這些電信號的范圍從0.1mV到1.5mV，是由于心肌激活，并在身體的間隔點之間被感知。兩個間隔輸入點之間的電位差由運算放大器放大。信號由ADC采樣。ADC樣本可以集成，用于將補償電流驅動到放大器的反饋環路。該電路的模擬部分可以在電池供電單元的樣本之間關斷，以節省功耗（圖 11）。

［圖11 |PSoC 6 用于心電圖方法的 BLE AFE 電路］

心音圖

心臟瓣膜的打開和關閉在收縮和擴張過程中產生通常可以通過聽診器聽到的聲音。麥克風用于拾取心跳，產生的信號用于測量心率。這些聲音是有節奏的心跳。這種聲學特性在心音儀中用于確定心率。來自麥克風的電信號被放大，可以通過噪聲濾波器來消除外部噪聲。可以使用數字濾波器從 ADC 數據中濾除各種聲音，以計算心率（圖 12）。

［圖12 |用于PCG方法的PSoC 6 BLE AFE電路］

開發人員在設計物聯網設備時有很多選擇。通過了解基于物聯網的MCU中可用的各種功能，開發人員選擇能夠簡化設計、提高性能、提供卓越的電源效率和降低整體系統成本的集成處理器。此外，開發人員可以實現創新功能，以提高易用性，并將其產品與市場上的其他產品區分開來。

審核編輯：郭婷