剖析重要的物联网设计技术(二)

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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

注：本文由赛普拉斯供稿