想要在物聯(lián)網(wǎng)（IoT）市場占據(jù)一席之地，原始設備制造商（OEM）必須加快創(chuàng)新的步伐。物聯(lián)網(wǎng)的應用讓一切變得無限可能，成功的企業(yè)會敦促其開發(fā)人員不斷拓展和采取新的、更實用的方法來發(fā)揮傳感器的功能，監(jiān)測不同類型的數(shù)據(jù)，掌控整個設備的生態(tài)系統(tǒng)。

物聯(lián)網(wǎng)應用覆蓋廣泛，包括可穿戴設備、汽車、住宅、工業(yè)、乃至城市等眾多領(lǐng)域。這些應用需要更加高效節(jié)能的、創(chuàng)新的、安全的體系作為支持。應用程序十分重要，旨在實現(xiàn)軟件開發(fā)的直觀性和易用性。

微控制器（MCU）作為物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的核心，選擇合適的 MCU 是滿足客戶當前和未來需求的關(guān)鍵。本文將探討當今不斷增強的嵌入式 MCU 的豐富功能，MCU 在加速設計的同時還可實現(xiàn)創(chuàng)新應用。在第一部分，我們會介紹到先進的工藝技術(shù)、低功耗設計技術(shù)、多核系統(tǒng)的功耗問題、多核間的通訊、串行存儲器接口以及系統(tǒng)安全性。

物聯(lián)網(wǎng)市場（增長最快的引擎）：

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不斷改變我們的日常工作和生活方式，使我們的生活更加經(jīng)濟、便捷、舒適和智能化。物聯(lián)網(wǎng)市場可以大致分為兩大類：消費型物聯(lián)網(wǎng)和企業(yè)物聯(lián)網(wǎng)。

消費型物聯(lián)網(wǎng)包括住宅、生活方式、健康和出行。個人用戶可以通過這些物聯(lián)網(wǎng)設備產(chǎn)品提高其生產(chǎn)力、安全性和生活質(zhì)量。從智能住宅到聯(lián)網(wǎng)汽車，消費者市場正在為下一波浪潮做好準備。

圖1：消費型物聯(lián)網(wǎng)市場細分

企業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的覆蓋范圍巨大，包括零售、醫(yī)療、能源、出行、城市、制造業(yè)和公共服務。企業(yè)物聯(lián)網(wǎng)細分市場會改變組織和社區(qū)，從而創(chuàng)造一個實現(xiàn)經(jīng)濟增長的新時代。物聯(lián)網(wǎng)通過連接數(shù)據(jù)、人員和機器來提高生產(chǎn)力、生產(chǎn)效率以及日常運營水平。企業(yè)物聯(lián)網(wǎng)也可以作為幫助企業(yè)識別未開發(fā)領(lǐng)域新增長機會的工具。

圖2：企業(yè)物聯(lián)網(wǎng)市場細分

工藝技術(shù)（尺寸 — 十分重要）：制造 MCU 的工藝技術(shù)對于其本身的性能、低功耗和成本而言至關(guān)重要。物聯(lián)網(wǎng)應用需要高效的有源功耗和低功耗模式消耗來提高系統(tǒng)的整體功效。隨著制造技術(shù)的不斷進步，促使硅核心面積不斷縮小。同一塊硅片上可以制造出更多的 MCU，從而降低了芯片的整體成本，性能和功耗也因此直接受到影響。尺寸的縮小減少了開啟／關(guān)閉每個晶體管所需的電流，同時保證了時鐘頻率不變。因此，更小的芯片意味著具備更高的的最大時鐘頻率，可以在較低的功耗下實現(xiàn)更高的性能。

例如，用于制造賽普拉斯半導體 PSoC 6 BLE 系列 MCU 的 40 納米工藝技術(shù)，為各種物聯(lián)網(wǎng)應用提供了高性能，且高效節(jié)能的解決方案。深度睡眠時的電流僅為幾微安，且能夠完全保留RAM數(shù)據(jù)。運行、睡眠、低功耗運行和低功耗睡眠等其他功耗模式，助力開發(fā)人員能夠在靈活地優(yōu)化系統(tǒng)功耗的同時根據(jù)需求保持應用的高性能。

圖3：用于物聯(lián)網(wǎng)應用的低功耗 MCU 框圖

功率（至關(guān)重要）：設計物聯(lián)網(wǎng)設備時所面臨的一大挑戰(zhàn)是高能耗。大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)設備處于實時在線、小體積，這意味著自身電池容量非常有限。MCU 供應商在優(yōu)化其在物聯(lián)網(wǎng)應用時需要考慮諸多因素，比如：

改進工藝技術(shù)

提供高度靈活的功耗模式

實現(xiàn)功耗優(yōu)化過的硬件 IP 模塊

更高的集成度以減少組件數(shù)量

優(yōu)化閃存頻率

啟用高速緩存

支持更大范圍的工作電壓

然而，在工藝技術(shù)縮小體積、提高性能、改進功耗和集成度的同時，也出現(xiàn)了電流泄漏的管理問題，尤其是在低功耗模式下。為了應對電流泄漏問題的挑戰(zhàn)，MCU 供應商采用了特殊的晶體管工藝技術(shù)，如多柵器件、高壓晶體管／邏輯／電路、專門設計的存儲單元以及其多方面的技術(shù)。

靈活的功耗模式能夠促使開發(fā)人員安排獨立系統(tǒng)活動，從而優(yōu)化整體功耗。提供多種可以在低功耗模式下運行且可以在不喚醒 CPU 的情況下被喚醒執(zhí)行其功能的外設，是這方面的關(guān)鍵技術(shù)。一些 MCU 還提供外圍設備，只能執(zhí)行有限功能的特殊低功耗工作模式（例如較低的工作頻率和電壓）以進一步優(yōu)化應用功耗，甚至可以設計優(yōu)化功耗的特定外設，即BLE 無線電可以采用支持低功率無線通訊的設計。

影響功耗的另一個因素是非易失性（NV）內(nèi)存訪問，尤其是使用閃存（NV存儲器）存儲固件代碼的 MCU。閃存訪問的任何優(yōu)化都會大大降低功耗，其目標是盡量減少閃存訪問的頻率。這里使用了兩種常用的技術(shù)，其中一種是提供一個高速緩沖存儲器。這樣，實際的代碼存儲器（閃存）就無需在每個執(zhí)行周期都被訪問。另一種方法是增加一個周期內(nèi)獲取的數(shù)據(jù)量，通過使用范圍更廣的閃存訪問降低閃存的訪問頻率。

基于物聯(lián)網(wǎng)的 MCU 也可以提供靈活的電源系統(tǒng)。在支持寬電源電壓范圍的情況下，MCU 可以由多個電源供電。例如像健身跟蹤器這類簡單的物聯(lián)網(wǎng)應用，可以由紐扣電池來供電，而智能手表這類復雜的物聯(lián)網(wǎng)應用則需要由 PMIC （電源管理集成電路）供電。另外，一些 MCU 通過其內(nèi)部的降壓轉(zhuǎn)換器來有效地調(diào)節(jié)自身電源。

在考慮 MCU 的功耗模式時，超越其基本架構(gòu)十分重要。例如，標準 ARM CPU 內(nèi)核支持運行、睡眠和深度睡眠。附加功耗模式通常由特定的 MCU 供應商添加。例如，賽普拉斯的 PSoC 6 BLE MCU可執(zhí)行包括，低功耗運行、低功耗睡眠和休眠狀態(tài)在內(nèi)的六種工作功耗模式。

圖4：PSoC 6 BLE MCU 的功耗模式轉(zhuǎn)換示例

多處理器 MCU（加快并行應用程序任務的運行速度）：基于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)功能特性的增長，其復雜性也隨之增加，而實際尺寸則越來越小。MCU 制造商的目標是提高系統(tǒng)的性能，同時盡可能降低尺寸和減少功耗。多核 MCU 和片上系統(tǒng)（SoC）通過在單個芯片中集成更多功能和最大限度地減少芯片面積提供更高的性能。多核處理器是包含兩個或更多個獨立核心（或 CPU）的 MCU 或 SoC。這些內(nèi)核通常集成在單個芯片上，它們也可以作為一個封裝中的多個芯片。

多核 MCU 有助于提供高性能并保持小尺寸。可穿戴設備等典型的物聯(lián)網(wǎng)設計需要多個MCU，包括：一個用于無線通信的 BLE 控制器、用于執(zhí)行用戶界面的 Touch MCU 和一個用來實現(xiàn)該應用程序運行的主要的 MCU。這三種 MCU 的功能可以由一個高度集成的多核 MCU 提供。

多核 MCU 可帶來許多其他益處。例如，它可以集成足夠的資源使 CPU 能夠并行處理密集型任務，從而充分發(fā)揮多任務處理的效率。這也使開發(fā)人員可以有效地將系統(tǒng)事件分配給特定的內(nèi)核，從而達到功耗和性能目標。再比如，在雙核可穿戴設計中，可以將需要較少 CPU 干預的周期性功能（例如無線廣播和觸摸感應）分配給一個內(nèi)核。其他“頻繁接觸”的功能，如需要 CPU 頻繁干預的傳感器融合等，可以分配給另一個內(nèi)核。當在系統(tǒng)中運行多個應用程序時，這種分區(qū)縮短了延遲時間。通過整合協(xié)議棧和程序存儲器的集成還可以提高效率。

圖5：物聯(lián)網(wǎng)多核 MCU 示例

圖6表示的是一個多核 MCU — 賽普拉斯 MCU PSoC 6 BLE。該雙核 MCU 具有兩個32位 ARM Cortex CPU — Cortex－M4 和 Cortex－M0＋。這兩個 CPU 都是具備一個32位的數(shù)據(jù)路徑、寄存器和存儲器接口的32位處理器。Cortex－M4是專為實現(xiàn)短中斷響應時間、高代碼密度和高32位吞吐量同時保證嚴格的成本和功耗預算而設計的主 CPU。Cortex－M0＋ 作為輔助 CPU，用于提供網(wǎng)絡安全、物理安全和保護功能。Cortex CPU 執(zhí)行 Thumb指令集的一個子集，并具有兩種被稱為線程模式和處理者模式的操作模式。這些 CPU 在退出復位并執(zhí)行應用程序軟件時會進入線程模式。為了處理異常情況，CPU 會進入處理者模式。當所有異常處理完成后，CPU 返回到線程模式。

圖6：多核嵌入式 MCU 示例（PSoC 6 BLE）

處理器間通訊（實現(xiàn)外設共享和信息交換）：

多核 MCU 通過需要處理器間通訊（IPC）來協(xié)調(diào)內(nèi)核之間的運行。IPC 充當分配處理器間消息的通信管理器?，F(xiàn)代 CPU 架構(gòu)（如 ARM Cortex）支持硬件和固件中的多核通信，比如 SEV（發(fā)送事件）指令在執(zhí)行時會提示設備中的所有核心。MCU 供應商采用多種方法來實現(xiàn) IPC：

中斷法：這種方法讓一個內(nèi)核向另一個內(nèi)核發(fā)送一個中斷來指示一個應用程序事件。通常中斷程序非常緊湊，不會占用太多的代碼存儲空間。與任何中斷機制一樣，每個中斷都有自己的 ISR（中斷服務程序），通過它可以讓相應的內(nèi)核執(zhí)行特定的任務。在實際的數(shù)據(jù)傳遞中，有一個可以被多個內(nèi)核訪問的共享內(nèi)存。除了共享數(shù)據(jù)之外，它還提供了請求和確認消息的機制。

郵箱：郵箱是 RAM 中的專用存儲空間，用于讓每個 CPU 相互發(fā)送和接收消息。每個內(nèi)核都要維護自己的 RAM 內(nèi)存（郵箱）并將消息發(fā)送到其他內(nèi)核的郵箱。

消息隊列：消息隊列使用共享內(nèi)存的兩個區(qū)域來存儲每個核心發(fā)送給另一個核心的消息。第一個區(qū)域是被稱為命令緩沖器的專用存儲器，用于存儲從主機發(fā)送到從機的命令。另一個專用存儲器被稱為消息緩沖器，它使從機能夠響應主機。

圖7：處理器間通訊（IPC）的各種模式

信號量：信號量是一種防止多個源同時訪問共享資源的機制。在多核處理器中，共享硬件位置作為信號量指示特定內(nèi)核是否正在使用特定的共享外設等。在訪問外設之前，系統(tǒng)中的其他內(nèi)核會讀取信號量狀態(tài)以查看是否可用。

串行存儲器接口（IoT 內(nèi)存的選擇）：

內(nèi)存是任何物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)不可缺少的組成部分。其功能主要是代碼和數(shù)據(jù)存儲?，F(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)設備不斷增長的智能化需求帶動了對更大代碼和數(shù)據(jù)存儲器的需求。但是將所有這些內(nèi)存作為內(nèi)部存儲器集成到設備中會增加 MCU 的芯片尺寸和成本。另一種方法是根據(jù)需要提供外部擴展內(nèi)存。這樣開發(fā)人員就能夠根據(jù)最終應用程序的需要添加內(nèi)存。另外，如果在開發(fā)過程中內(nèi)部存儲空間預算不足，則可以增加外部存儲器而不必重新設計整個系統(tǒng)。

了解外部存儲器接口的速度和安全性以及使用方法也很重要。通常情況下，在節(jié)省 MCU上有限的 IO 引腳方面，串行存儲器比并行存儲器更好?；?SPI 的串行存儲器為數(shù)據(jù)記錄提供了理想的接口速度，而直接執(zhí)行外部代碼則需要更高的速度。這些要求使 MCU 制造商必須提供 SPI 的替代品。以下是不同方案的數(shù)據(jù)吞吐量速度比較。

SPI：支持1位／循環(huán)的吞吐量

雙路SPI：支持2位／循環(huán)的吞吐量

四路SPI：支持4位／循環(huán)的吞吐量

雙四路SPI：支持1字節(jié)／循環(huán)的吞吐量

通常情況下，MCU 同時支持多種類型的存儲器，為開發(fā)人員提供了最大的靈活性。

由于許多物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)會處理用戶的個人數(shù)據(jù)，因此確保數(shù)據(jù)的安全尤為重要。代碼存儲器也同樣需要保護，以防止設備被非法入侵。外部存儲器在安全性方面更加脆弱，因此需要特殊的機制來保護外部存儲的數(shù)據(jù)。為此，MCU 使用各種加密技術(shù)（例如 AES、DES、RSA）來保護數(shù)據(jù)和代碼免受非法訪問。例如，賽普拉斯半導體的 PSoC 6 BLE MCU 提供了一個特殊的串行存儲器接口（SMIF）外設，該外設支持直接執(zhí)行外部代碼的 XIP（現(xiàn)場執(zhí)行）模式和記錄數(shù)據(jù)的 MMIO（內(nèi)存映射 IO）模式。它使用特殊命令進行控制，比如閃存的編程／擦除、存儲器設備的睡眠模式輸入等。

圖8：串行存儲接口（SMIF）示例

SMIF 允許用戶配置多個相同或不同類型和大小的存儲設備。在內(nèi)存（XIP）模式下，多個內(nèi)存設備被映射到不同的地址。它們可以是不同類型和用途的存儲器，也可以是在連續(xù)地址空間中配置以模擬連續(xù)大存儲器的相同存儲器設備。SMIF 外設和 SPI 閃存的組合使用可以替代外部 NAND 和 NOR 閃存，并且可以節(jié)省電路板空間。由于串行閃存直接映射到處理器的內(nèi)存空間數(shù)據(jù)存儲中并且支持 XIP 的執(zhí)行，所以其易用性高于 NAND 內(nèi)存。

系統(tǒng)的網(wǎng)絡安全、隱私和設備安全（信任根源）：

設備一旦連網(wǎng)就存在被黑客入侵的可能性。因此，無論設備是運動手環(huán)還是聯(lián)網(wǎng)汽車，物聯(lián)網(wǎng)設備的安全性都是一個不容忽視的因素。所有層面都需要數(shù)據(jù)保護，包括存儲、處理和通訊期間，從而確保系統(tǒng)的可靠性。另外，任何處理數(shù)據(jù)的軟件或固件都應得到保護?？梢栽趦蓚€層面上實現(xiàn)這種安全性。第一個層面是軟件安全，第二個層面是硬件安全，即通過硬件保護軟件。

通常，安全軟件使用存儲在代碼空間內(nèi)的密鑰。雖然這在技術(shù)上可以實現(xiàn)加密和解密，但這個過程仍然容易受到黑客攻擊。這是因為它是一個存儲代碼，當代碼被解碼的那一刻，安全性就蕩然無存了。

安全硬件則使用集成電路來保護系統(tǒng)，比如代碼和數(shù)據(jù)的加密和解密。安全硬件是獨立的，不需要任何額外的軟件來操作，這杜絕了惡意代碼、感染、污染或其他漏洞破壞系統(tǒng)、客戶數(shù)據(jù)和服務的可能性。因此，在保護敏感數(shù)據(jù)或代碼時，安全硬件是首選方法。所以用于物聯(lián)網(wǎng)的 MCU 具有復雜的集成硬件安全特性，如密碼塊、代碼保護 IP 和其他基于硬件的機制。

與固件相比，安全硬件還具有提供更快性能和更低功耗的優(yōu)勢。比如，賽普拉斯 PSoC 6 BLE MCU 中的專用加密模塊可加速加密功能。此外，該模塊提供了真隨機數(shù)生成功能、對稱密鑰加密和解密、哈希、消息認證、隨機數(shù)生成（偽隨機和真隨機）、循環(huán)冗余校驗以及諸如啟用／禁用、中斷設置和標記等實用功能。該 MCU 組件還配備了安全啟動功能。該功能使用 ROM 程序在閃存中驗證用戶數(shù)據(jù)。安全啟動是一項包含加密技術(shù)的過程，它使物聯(lián)網(wǎng)設備開始執(zhí)行已認證的可信軟件。因此，系統(tǒng)可以從一個已知、可信的狀態(tài)開啟。

在第一部分中，我們介紹了先進的工藝技術(shù)、低功耗設計技術(shù)、多核系統(tǒng)的功耗、內(nèi)核間通訊、串行存儲器接口以及系統(tǒng)安全性。第二部分將介紹高級 BLE 無線鏈路、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)。

圖9：物聯(lián)網(wǎng) MCU 的安全生態(tài)系統(tǒng)

在“剖析物聯(lián)網(wǎng)的要求—第一部分”中介紹了先進的工藝技術(shù)、低功耗設計技術(shù)、多核系統(tǒng)的功耗問題、內(nèi)核間的通訊、串行存儲器接口以及系統(tǒng)安全。第二部分， 我們將介紹 BLE 無線鏈路、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)。

無線連接技術(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，隨著新應用程式的涌現(xiàn)，顯著提高了微控制器（MCU）系統(tǒng)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)市場需求的典型布局。內(nèi)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(shù)據(jù)承載量是上一個版本的8倍。這些新的技術(shù)特性將極大地促進物聯(lián)網(wǎng)設備與我們?nèi)粘Ｉ铋g的各種連接。MCU作為物聯(lián)網(wǎng)設備的核心，必須與時俱進，緊跟協(xié)議的發(fā)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(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%增長的數(shù)據(jù)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(quán)用戶跟蹤設備位置和安全配對。

擴充處理器容量、內(nèi)存及功耗方面的性能不會憑空而來。對于許多應用程序而言，底層硬件（例如MCU）需要做出相應調(diào)整以適應這些特性。因此，生產(chǎn)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(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(tǒng)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（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)成為無線通信協(xié)議的首選。改進過的覆蓋范圍將確保藍牙設備（如揚聲器、智能門鎖、燈泡等）可以在家里任意位置實現(xiàn)完全連接。這是真正實現(xiàn)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。改進后的覆蓋范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(yōu)勢）：更快的轉(zhuǎn)輸速度提高了響應能力。對于那些非數(shù)據(jù)密集型物聯(lián)網(wǎng)設備來說，更快的速度意味著會帶來更低的消耗及更長的使用壽命。例如，將傳輸速度增加兩倍，發(fā)送/接收時間減少近一半。這樣就可以減少功耗，因為設備可以迅速進入低功耗模式。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)應用的一個重要功能。

● 無線連接服務（廣播容量優(yōu)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(nèi)容，而不是通過URL指向內(nèi)容。這可能將重新定義藍牙設備傳播信息的方式，因為它通過無需連接的物聯(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的應用更加智能地使用網(wǎng)狀網(wǎng)絡。

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、工業(yè)、汽車和商業(yè)應用領(lǐng)域。這些應用都能受惠于美觀的的用戶界面，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低功耗的電容感應技術(shù)實現(xiàn)，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檢測用戶何時使用設備。將電容感應集成在 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、性能并且降低成本（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(xiàn)創(chuàng)新應用和提高產(chǎn)品特色的關(guān)鍵技術(shù)：

智能家居開關(guān)─個人遠程控制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(guān)鍵的構(gòu)建模塊：一、無線連接，用于將設備連接到云端；二、可以由多個源頭控制的智能開關(guān)，如云端、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(guān)

帶有電容感應的智能開關(guān)可以實現(xiàn)許多高級功能：

1. 智能調(diào)光─電容感應滑塊為調(diào)光功能提供了一個直觀的物理接口。BLE使調(diào)光器具備無線連接功能，方便其放置在房屋內(nèi)的任意位置。

2. 存儲功能─MCU可以保存其內(nèi)部存儲中選擇的亮度設置，并在電源中斷或后續(xù)使用時恢復設置。

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

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

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

6. 控制功能─支持基于物聯(lián)網(wǎng)的MCU與電容式感應的開發(fā)生態(tài)系統(tǒng)，簡化了對開關(guān)的管理，并兼容多個來源控制。

人體檢測 — 基于電容式感應技術(shù)，可以在特定的范圍內(nèi)探測到包括人體在內(nèi)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。其工作原理非常簡單。當用戶佩戴設備時，電容式傳感器就會檢測到手腕上的手環(huán)進而觸發(fā)鎖定裝置，防止他人偷窺到其中的重要數(shù)據(jù)。同理，當用戶沒有佩戴設備時，則會進入低功耗運作模式。這些設計有助于延長電池壽命，同時，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輸入機制，可幫助用戶輕松地與物聯(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]到這個屏幕可能很小，當用戶手指覆蓋在屏幕上時，難以觀看和更改參數(shù)或?qū)Ш讲藛?。電容滑動模塊使用戶只需輕輕一掃就可以在不同的菜單/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，用于輸入數(shù)據(jù)或選擇菜單項。下圖顯示了電容式觸摸滑塊的體現(xiàn)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界面。從微波爐到手持式醫(yī)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(jié)合顯示屏上透明的銦錫氧化物層（ITO）來實現(xiàn)觸摸顯示屏。依據(jù)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界面─ 特殊的手勢在提高用戶體驗方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。不同的手勢功能可幫助物聯(lián)網(wǎng)制造商區(qū)分其產(chǎn)品在市場上的地位。例如，一款無線藍牙揚聲器可直接通過不同的手勢來控制音量、上下曲等。手勢功能已逐漸成為用戶界面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(lián)網(wǎng)傳感器和接口 ：

物聯(lián)網(wǎng)應用通常是由傳感器、安全處理器和無線鏈路組成。傳感器是物聯(lián)網(wǎng)應用的關(guān)鍵技術(shù)。人類通過感官與外部環(huán)境進行交流。傳感器可以加強人們與其周圍環(huán)境的互動。

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或多個傳感器。這些傳感器主要分為數(shù)字傳感器和傳統(tǒng)的模擬傳感器。模擬傳感器連續(xù)不間斷的輸出模擬信號，如電流或電壓。通過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傳感器等。

相比之下，數(shù)字傳感器是通過數(shù)據(jù)的數(shù)字化轉(zhuǎn)換和傳輸?shù)膫鞲衅?。通過數(shù)字傳感器將被測量值直接從模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸出。在許多應用中，數(shù)字傳感器正逐步取代模擬傳感器。數(shù)字數(shù)據(jù)通過電纜或其他媒介傳輸，將不會產(chǎn)生傳輸損耗。常用的數(shù)字傳感器包括加速度傳感器、壓力傳感器、磁力計和GPS等。

無論模擬傳感器還是數(shù)字傳感器，都需要通過一個接口電路將數(shù)據(jù)傳遞到基于物聯(lián)網(wǎng)的MCU上。信號調(diào)節(jié)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(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）、多個模擬多路轉(zhuǎn)換器、多個參考電壓、一個用于抑制噪音的濾波網(wǎng)絡、偏移消除等錯誤抑制技術(shù)以及一個用于數(shù)字化和處理傳感器數(shù)據(jù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。相反，數(shù)字傳感器只需要一個數(shù)字化的通信渠道，需要使用一個通用異步收發(fā)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(tǒng)的微控制器連接起來，需要在芯片外構(gòu)建接口電路，盡管某些設備可能已經(jīng)將一個固定的ADC集成到了MCU中。對于物聯(lián)網(wǎng)應用而言，最理想的莫過于實現(xiàn)完整的模擬和數(shù)字組件與高度集成的MCU相結(jié)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(jiān)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，要求模擬信號調(diào)節(jié)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(shù)（ PPG ）

● 心電圖（ ECG）

● 心音圖（ PCG）

光學體積描技術(shù)（PPG ） 是一種測量心血管脈沖波形的光學方法。通過人體動脈血流量的周期性脈動引致脈沖波。該測量方法需要使用一種光源和一個光電二極管（接收器）實現(xiàn)。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─ 光學體積描技術(shù)（PPG ）

心電圖（ECG）：當心臟經(jīng)過去極化和復極化，會產(chǎn)生電流會并擴散到整個身體。通過在人體皮膚上的特定點放置電極來檢測這些電脈沖。心電圖（ECG）通過探測到的這些不同的心電脈沖，來追蹤心臟的整體跳動節(jié)律。由于心臟肌肉的跳動作用和被感應到的身體點之間的間距，這些電信號介乎0.1mV至1.5mV。兩個間距的輸入點間的潛在區(qū)別被運算放大器放大。信號由ADC采樣模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，集成的ADC采樣用于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(jié)省耗電量。

圖 11 ： PSoC 6 BLE AFE 示例──心電圖（ ECG ）

心音圖（PCG ）：心臟瓣膜在打開和關(guān)閉時會產(chǎn)生收縮和擴張的聲音，通常可以通過聽診器聽到。傳聲器用來采集心跳，以及根據(jù)采集到信號來測量心率。這些聲音都顯示為有節(jié)奏的心率跳動。這種聲學特性在心音描記儀中來確定心率。對來自傳聲器的電信號進行放大，并通過噪聲濾波器消除外部噪聲。使用數(shù)字濾波器從ADC數(shù)據(jù)中過濾出雜音和有節(jié)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(fā)人員在設計物聯(lián)網(wǎng)設備時很多選擇。通過了解基于物聯(lián)網(wǎng)MCU的各種功能，選擇集成處理器，可簡化設計、提高性能、顯著提升產(chǎn)品功效，并且降低整個系統(tǒng)的成本。此外，開發(fā)人員可實現(xiàn)創(chuàng)新應用，使設備更具備易用性，從而領(lǐng)先于市場內(nèi)的其他產(chǎn)品。