基於物聯網的設備連接仍處於起步階段。這意味著，隨著新應用程式的湧現，顯著提高了微控製器（MCU）係統在速度、功耗、範圍和容量方麵的需求。該領域的潛在商機打破了在設計方麵的局限性。藍牙技術聯盟最新（特殊利益集團）宣布


，藍牙5.0標準定位於電子產業對物聯網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、四倍的傳輸範圍以及廣播包的數據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網設備與我們日常生活間的各種連接。MCU作為物聯網設備的核心
，必須與時俱進
，緊跟協議的發展進程
，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）：協議優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）：協議優化將提升800%增長的數據廣播包的承載量。

 

•安全功能：高安全加密及認證，確保隻允許經受權用戶跟蹤設備位置和安全配對。

 

擴充處理器容量、內存及功耗方麵的性能不會憑空而來。對於許多應用程序而言
，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）為物聯網設計人員提供BLE 5.0所具備的這些功能。

 

圖1：PSoC 6 BLE子係統框圖

 

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（範圍優勢）：相比於基於物聯網的其他協議，如Wi-Fi及ZigBee，BLE已經成為無線通信協議的首選。改進過的覆蓋範圍將確保藍牙設備（如揚聲器、智能門鎖、燈泡等）可以在家裏任意位置實現完全連接。這是真正實現智能家居的關鍵一步。BLE 5.0也有可能取代高功耗的Wi-Fi，控製智能家居設備。改進後的覆蓋範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（速度優勢）：更(geng)快(kuai)的(de)轉(zhuan)輸(shu)速(su)度(du)提(ti)高(gao)了(le)響(xiang)應(ying)能(neng)力(li)。對(dui)於(yu)那(na)些(xie)非(fei)數(shu)據(ju)密(mi)集(ji)型(xing)物(wu)聯(lian)網(wang)設(she)備(bei)來(lai)說(shuo)，更(geng)快(kuai)的(de)速(su)度(du)意(yi)味(wei)著(zhe)會(hui)帶(dai)來(lai)更(geng)低(di)的(de)消(xiao)耗(hao)及(ji)更(geng)長(chang)的(de)使(shi)用(yong)壽(shou)命(ming)。例(li)如(ru)
，將(jiang)傳(chuan)輸(shu)速(su)度(du)增(zeng)加(jia)兩(liang)倍(bei)，發(fa)送(song)/接jie收shou時shi間jian減jian少shao近jin一yi半ban。這zhe樣yang就jiu可ke以yi減jian少shao功gong耗hao，因yin為wei設she備bei可ke以yi迅xun速su進jin入ru低di功gong耗hao模mo式shi。此ci外wai，更geng高gao的de傳chuan輸shu速su度du支zhi持chi周zhou期qi性xing的de設she備bei軟ruan件jian更geng新xin，這zhe將jiang是shi物wu聯lian網wang應ying用yong的de一yi個ge重zhong要yao功gong能neng。

 

•無線連接服務（廣播容量優勢）：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zhi向xiang內nei容rong。這zhe可ke能neng將jiang重zhong新xin定ding義yi藍lan牙ya設she備bei傳chuan播bo信xin息xi的de方fang式shi，因yin為wei它ta通tong過guo無wu需xu連lian接jie的de物wu聯lian網wang傳chuan輸shu信xin息xi
，而er非fei藍lan牙ya配pei對dui設she備bei模mo式shi。這zhe有you可ke能neng讓rang資zi產chan跟gen蹤zong和he智zhi能neng垃la圾ji管guan理li等deng先xian進jin的de應ying用yong更geng加jia智zhi能neng地di使shi用yong網wang狀zhuang網wang絡luo。

 

正如第一部分中所講到的
，物聯網設備跨越消費類

、工業
、汽車和商業應用領域。這些應用都能受惠於美觀的的用戶界麵，且具備產品差異化，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shou腕wan感gan應ying及ji戴dai手shou套tao觸chu摸mo。這zhe些xie特te征zheng都dou可ke以yi通tong過guo低di功gong耗hao的de電dian容rong感gan應ying技ji術shu實shi現xian，除chu此ci以yi外wai
，觸chu摸mo感gan應ying還hai可ke以yi幫bang助zhu優you化hua功gong耗hao，例li如ru使shi用yong近jin距ju離li感gan應ying來lai檢jian測ce用yong戶hu何he時shi使shi用yong設she備bei。將jiang電dian容rong感gan應ying集ji成cheng在zai 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、性能並且降低成本（參見圖2）。

 

圖2：集成BLE連接與電容式觸摸感應的PSoC 6

 

電容感應是實現創新應用和提高產品特色的關鍵技術：

 

智能家居開關─個人遠程控製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，用於將設備連接到雲端；二、可以由多個源頭控製的智能開關，如雲端
、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，並在電源中斷或後續使用時恢複設置。

 

3.安全性─智能開關的高壓交流部分與繼電器是隔離的
，用戶實體操作界麵部分隻用於處理低功率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於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，可輕鬆快速實現配置以運行特定任務。

 

6.控製功能─支持基於物聯網的MCU與電容式感應的開發生態係統
，簡化了對開關的管理，並兼容多個來源控製。

 

人體檢測 — 基於電容式感應技術，可以在特定的範圍內探測到包括人體在內的任何導電物質（由於質量的存在）。電容式感應技術豐富了物聯網（IoT）設(she)備(bei)的(de)功(gong)能(neng)特(te)性(xing)趣(qu)味(wei)化(hua)。例(li)如(ru)
，出(chu)於(yu)安(an)全(quan)性(xing)和(he)低(di)功(gong)耗(hao)因(yin)素(su)考(kao)慮(lv)
，可(ke)穿(chuan)戴(dai)設(she)備(bei)需(xu)要(yao)能(neng)夠(gou)檢(jian)測(ce)出(chu)設(she)備(bei)是(shi)否(fou)被(bei)使(shi)用(yong)者(zhe)配(pei)帶(dai)在(zai)手(shou)腕(wan)上(shang)。其(qi)工(gong)作(zuo)原(yuan)理(li)非(fei)常(chang)簡(jian)單(dan)。當(dang)用(yong)戶(hu)佩(pei)戴(dai)設(she)備(bei)時(shi)，電(dian)容(rong)式(shi)傳感器就(jiu)會(hui)檢(jian)測(ce)到(dao)手(shou)腕(wan)上(shang)的(de)手(shou)環(huan)進(jin)而(er)觸(chu)發(fa)鎖(suo)定(ding)裝(zhuang)置(zhi)，防(fang)止(zhi)他(ta)人(ren)偷(tou)窺(kui)到(dao)其(qi)中(zhong)的(de)重(zhong)要(yao)數(shu)據(ju)。同(tong)理(li)
，當(dang)用(yong)戶(hu)沒(mei)有(you)佩(pei)戴(dai)設(she)備(bei)時(shi)，則(ze)會(hui)進(jin)入(ru)低(di)功(gong)耗(hao)運(yun)作(zuo)模(mo)式(shi)。這(zhe)些(xie)設(she)計(ji)有(you)助(zhu)於(yu)延(yan)長(chang)電(dian)池(chi)壽(shou)命(ming)，同(tong)時(shi)，這(zhe)也(ye)是(shi)任(ren)何(he)可(ke)穿(chuan)戴(dai)產(chan)品(pin)所(suo)需(xu)要(yao)考(kao)慮(lv)的(de)重(zhong)要(yao)因(yin)素(su)。

 

圖 4 ：電容式感應手腕檢測功能

 

電容式觸摸滑塊— huakuaishiyizhongzhongyaodeyonghushurujizhi，kebangzhuyonghuqingsongdiyuwulianwangchanpinxianghuzuoyong。xiangjiaoyudapingmushebeieryan，cigongnengtebieshiyongyuxiaoxingkechuandaishishebei。kaolvdaozhegepingmukenenghenxiao，dangyonghushouzhifugaizaipingmushangshi，nanyiguankanhegenggaicanshuhuodaohangcaidan。dianronghuadongmokuaishiyonghuzhixuqingqingyisaojiukeyizaibutongdecaidan/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，用於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 ─chumoxianshipingweizhongxingjidaxingdewulianwangshebeitigongfengfudeyonghujiemian。congweiboludaoshouchishiyiliaoshebei
，congzhinengshoubiaodaogongyekongzhiqidengdeng。tongchang
，shiyongdianrongchumojishujiehexianshipingshangtoumingdeyinxiyanghuawuceng（ITO）來實現觸摸顯示屏。依據這種應用方式，電容式觸控技術要求能夠在潮濕的環境下工作。

 

圖6：電容式觸摸顯示屏

 

基於手勢的輕薄用戶界麵─ 特te殊shu的de手shou勢shi在zai提ti高gao用yong戶hu體ti驗yan方fang麵mian發fa揮hui著zhe關guan鍵jian作zuo用yong。不bu同tong的de手shou勢shi功gong能neng可ke幫bang助zhu物wu聯lian網wang製zhi造zao商shang區qu分fen其qi產chan品pin在zai市shi場chang上shang的de地di位wei。例li如ru
，一yi款kuan無wu線xian藍lan牙ya揚yang聲sheng器qi可ke直zhi接jie通tong過guo不bu同tong的de手shou勢shi來lai控kong製zhi音yin量liang
、上下曲等。手勢功能已逐漸成為用戶界麵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

 

 

物聯網應用通常是由傳感器、安(an)全(quan)處(chu)理(li)器(qi)和(he)無(wu)線(xian)鏈(lian)路(lu)組(zu)成(cheng)。傳(chuan)感(gan)器(qi)是(shi)物(wu)聯(lian)網(wang)應(ying)用(yong)的(de)關(guan)鍵(jian)技(ji)術(shu)。人(ren)類(lei)通(tong)過(guo)感(gan)官(guan)與(yu)外(wai)部(bu)環(huan)境(jing)進(jin)行(xing)交(jiao)流(liu)。傳(chuan)感(gan)器(qi)可(ke)以(yi)加(jia)強(qiang)人(ren)們(men)與(yu)其(qi)周(zhou)圍(wei)環(huan)境(jing)的(de)互(hu)動(dong)。

 

圖 8 ：集成 BLE 連接的PSoC6及電容式觸控模塊

 

物(wu)聯(lian)網(wang)應(ying)用(yong)程(cheng)序(xu)普(pu)遍(bian)含(han)有(you)一(yi)個(ge)或(huo)多(duo)個(ge)傳(chuan)感(gan)器(qi)。這(zhe)些(xie)傳(chuan)感(gan)器(qi)主(zhu)要(yao)分(fen)為(wei)數(shu)字(zi)傳(chuan)感(gan)器(qi)和(he)傳(chuan)統(tong)的(de)模(mo)擬(ni)傳(chuan)感(gan)器(qi)。模(mo)擬(ni)傳(chuan)感(gan)器(qi)連(lian)續(xu)不(bu)間(jian)斷(duan)的(de)輸(shu)出(chu)模(mo)擬(ni)信(xin)號(hao)，如(ru)電(dian)流(liu)或(huo)電(dian)壓(ya)。通(tong)過(guo)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)量(liang)程(cheng)獲(huo)得(de)所(suo)對(dui)應(ying)的(de)測(ce)量(liang)值(zhi)。市(shi)麵(mian)上(shang)有(you)多(duo)種(zhong)模(mo)擬(ni)傳(chuan)感(gan)器(qi)，包(bao)括(kuo)環(huan)境(jing)光(guang)傳(chuan)感(gan)器(qi)、溫度傳感器、聲音傳感器和紫外線傳感器等。

 

相(xiang)比(bi)之(zhi)下(xia)
，數(shu)字(zi)傳(chuan)感(gan)器(qi)是(shi)通(tong)過(guo)數(shu)據(ju)的(de)數(shu)字(zi)化(hua)轉(zhuan)換(huan)和(he)傳(chuan)輸(shu)的(de)傳(chuan)感(gan)器(qi)。通(tong)過(guo)數(shu)字(zi)傳(chuan)感(gan)器(qi)將(jiang)被(bei)測(ce)量(liang)值(zhi)直(zhi)接(jie)從(cong)模(mo)擬(ni)信(xin)號(hao)轉(zhuan)換(huan)為(wei)數(shu)字(zi)輸(shu)出(chu)。在(zai)許(xu)多(duo)應(ying)用(yong)中(zhong)，數(shu)字(zi)傳(chuan)感(gan)器(qi)正(zheng)逐(zhu)步(bu)取(qu)代(dai)模(mo)擬(ni)傳(chuan)感(gan)器(qi)。數(shu)字(zi)數(shu)據(ju)通(tong)過(guo)電(dian)纜(lan)或(huo)其(qi)他(ta)媒(mei)介(jie)傳(chuan)輸(shu)，將(jiang)不(bu)會(hui)產(chan)生(sheng)傳(chuan)輸(shu)損(sun)耗(hao)。常(chang)用(yong)的(de)數(shu)字(zi)傳(chuan)感(gan)器(qi)包(bao)括(kuo)加(jia)速(su)度(du)傳(chuan)感(gan)器(qi)、壓力傳感器、磁力計和GPS等。

 

無論模擬傳感器還是數字傳感器，都需要通過一個接口電路將數據傳遞到基於物聯網的MCU上。信號調節電路用來處理/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
、一個數模轉換器（DAC）、多個模擬多路轉換器
、多個參考電壓
、一個用於抑製噪音的濾波網絡、偏移消除等錯誤抑製技術以及一個用於數字化和處理傳感器數據的模數轉換器（ADC）。相反，數字傳感器隻需要一個數字化的通信渠道，需要使用一個通用異步收發傳輸器（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。

 

將傳感器與傳統的微控製器連接起來
，需要在芯片外構建接口電路


，盡管某些設備可能已經將一個固定的ADC集成到了MCU中。對於物聯網應用而言，最理想的莫過於實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 *

 

 

讓我們以心率監視儀（ HRM ）為例，了解一下物聯網應用對於模擬前端（ AFE ）都有哪些需求。當HRM工作時，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：

 

•光學體積描技術（ PPG ）

 

•心電圖（ ECG）

 

•心音圖（ PCG）

 

光學體積描技術（PPG ） 是shi一yi種zhong測ce量liang心xin血xue管guan脈mai衝chong波bo形xing的de光guang學xue方fang法fa。通tong過guo人ren體ti動dong脈mai血xue流liu量liang的de周zhou期qi性xing脈mai動dong引yin致zhi脈mai衝chong波bo。該gai測ce量liang方fang法fa需xu要yao使shi用yong一yi種zhong光guang源yuan和he一yi個ge光guang電dian二er極ji管guan（接收器）實現。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衝所引起的體積變化
，然後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）：當心髒經過去極化和複極化，會產生電流會並擴散到整個身體。通過在人體皮膚上的特定點放置電極來檢測這些電脈衝。心電圖（ECG）tongguotancedaodezhexiebutongdexindianmaichong，laizhuizongxinzangdezhengtitiaodongjielv。youyuxinzangjiroudetiaodongzuoyonghebeiganyingdaodeshentidianzhijiandejianju，zhexiedianxinhaojiehu0.1mV至1.5mV。兩個間距的輸入點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采樣用於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省耗電量。

 

圖 11 ： PSoC 6 BLE AFE 示例──心電圖（ ECG ）

 

心音圖（PCG ）：心(xin)髒(zang)瓣(ban)膜(mo)在(zai)打(da)開(kai)和(he)關(guan)閉(bi)時(shi)會(hui)產(chan)生(sheng)收(shou)縮(suo)和(he)擴(kuo)張(zhang)的(de)聲(sheng)音(yin)
，通(tong)常(chang)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)聽(ting)診(zhen)器(qi)聽(ting)到(dao)。傳(chuan)聲(sheng)器(qi)用(yong)來(lai)采(cai)集(ji)心(xin)跳(tiao)，以(yi)及(ji)根(gen)據(ju)采(cai)集(ji)到(dao)信(xin)號(hao)來(lai)測(ce)量(liang)心(xin)率(lv)。這(zhe)些(xie)聲(sheng)音(yin)都(dou)顯(xian)示(shi)為(wei)有(you)節(jie)奏(zou)的(de)心(xin)率(lv)跳(tiao)動(dong)。這(zhe)種(zhong)聲(sheng)學(xue)特(te)性(xing)在(zai)心(xin)音(yin)描(miao)記(ji)儀(yi)中(zhong)來(lai)確(que)定(ding)心(xin)率(lv)。對(dui)來(lai)自(zi)傳(chuan)聲(sheng)器(qi)的(de)電(dian)信(xin)號(hao)進(jin)行(xing)放(fang)大(da)
，並(bing)通(tong)過(guo)噪(zao)聲(sheng)濾(lv)波(bo)器(qi)消(xiao)除(chu)外(wai)部(bu)噪(zao)聲(sheng)。使(shi)用(yong)數(shu)字(zi)濾(lv)波(bo)器(qi)從(cong)ADC數據中過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 ）

 

開發人員在設計物聯網設備時很多選擇。通過了解基於物聯網MCU的各種功能，選擇集成處理器

，可簡化設計、提高性能、顯xian著zhu提ti升sheng產chan品pin功gong效xiao
，並bing且qie降jiang低di整zheng個ge係xi統tong的de成cheng本ben。此ci外wai，開kai發fa人ren員yuan可ke實shi現xian創chuang新xin應ying用yong，使shi設she備bei更geng具ju備bei易yi用yong性xing

，從cong而er領ling先xian於yu市shi場chang內nei的de其qi他ta產chan品pin。