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如何為物聯網應用選擇合適的通信接口

互聯網 2019-06-04 12:49:23

[導讀] 對于許多高速8位單片機來說,有大量需要"位反轉"的總線接口。就8051架構的本質和它的響應時間而言,能夠實現30ns以下的外部引腳反轉。在其他一些情況下,中斷層次結構能夠帶來延遲,這使得具有"位反轉"能力的接口不適合那些需要快速總線反轉的情形。

SiliconLabs已經在"采集、計算和通信"的指導思想下開發出各類兼容8051內核的8位MCU。在之前的文章中,我們已經對模擬采集接口和8051計算引擎有關的主題進行過詳細論述。本文主要討論內建在基于8051內核MCU之中的通信接口如何滿足當今快速涌現的物聯網應用的需求。

 

簡介

通信接口按照使用場景通常分為兩類:機器對機器(M2M)和人與機器(HMI)。M2M接口種類眾多,從普通型的SPI/I2C/UART串行接口到更復雜的定制串行接口、免晶體USB無線電。HMI常見于微控制器MCU)中的內置接口,例如電容觸摸感應、LCD、圖形驅動器、手勢和接近感應。M2M和HMI性能-以及支持它們的MCU-已經成為當今物聯網中大多數可連接設備應用的關鍵所在。

 

提供M2M和HMI接口的8位引擎不能為所有嵌入式系統使用案例提供最佳解決方案,尤其是那些需要密集計算、32位數據處理和超大Flash空間選擇的基于ARM的MCU的系統。然而,需要確定性行為和嚴格實時控制的應用能夠受益于帶有這些通信接口的8位引擎。

 

通用接口

許多8051MCU有至少1個UART、1個I2C接口以及1個SPI接口。更先進的8位MCU架構,例如SiliconLabs提供的那些MCU,能夠同時支持這些接口,并且能夠通過I/OCrossbar無縫的分配到外部引腳。I/OCrossbar提供一種機制,可以通過帶優先級的Crossbar把任意外設映射到任意引腳。SiliconLabs的8位MCU集成有2%精確度的內部振蕩器,這使得MCU可以在沒有片外晶體的情況下正常工作,同時滿足UART通信的精確度要求。

 

在高速設備中,預分頻器使得這些外設可以運行在適當的速率。這類UART的高級版本也集成了波特率發生器,從而無需定時器類資源,并且允許支持更寬的波特率。

 

對于許多高速8位單片機來說,有大量需要"位反轉"的總線接口。就8051架構的本質和它的響應時間而言,能夠實現30ns以下的外部引腳反轉。在其他一些情況下,中斷層次結構能夠帶來延遲,這使得具有"位反轉"能力的接口不適合那些需要快速總線反轉的情形。

 

免晶體USB

更復雜的通信接口之一是"免晶體"USB,這是SiliconLabs首家開發并獲得專利的一項創新技術。這一突破性創新技術支持全速USB設備接口,無需外部晶體,因此對于大多數嵌入式系統開發人員來說這項技術能夠降低BOM成本。

 

無晶體USB實現的秘訣在于時鐘恢復技術。采用鎖相環(PLL)的全模擬解決方案容易受到泄漏引起的漂移的影響,而全數字解決方案需要快速本地時鐘以減少輸出抖動和鋸齒影響。最佳的解決方案是使用混合信號方式,由數字反饋控制器和可調整的模擬振蕩器組成。這需要本地時鐘和參考時鐘之間的相對誤差從不增加。這也是完全數據無關的(即不需要任何特別的USB通信),并且與傳統的基于晶體的解決方案相比,附加一個好處是更加節能。

 

RF通信

8位MCU上最復雜的通信接口是在超低功耗8051內核上集成最大傳輸速率256kbps、最大輸出功率20dBm的sub-GHz收發器。這類器件,又稱為sub-GHz無線MCU,通過對敏感的模擬信號在源端進行感應,然后利用無線電發送到集中設備或節點,從而為許多遠程傳感應用提供了最佳解決方案。8位無線MCU的低功耗特性使得該類器件非常適用于電池供電的操作環境,例如物聯網傳感器節點應用。該類器件憑借其低功耗處理、無線連接和遠程傳感能力,會非常適用于物聯網

 

LIN/CAN接口

兩種特別針對汽車應用的工業標準接口,LIN2.1(主/從)和CAN2.0,也已經集成在面向各種汽車應用的8位器件之中。SiliconLabs的汽車級8位MCU集成±0.5%的精確度振蕩器(全電壓和溫度范圍內),這使得CAN接口能夠在無需片外晶體的情況下正常工作。這種性能也是同類器件中獨一無二的。這種精度可調節的片上振蕩器的另一好處是可以生成高精確度PWM邊沿信號(120ps量級),這在小電機控制應用和一些電源控制應用中已被證明非常實用。

 

人機接口

許多8位MCU支持人機接口功能,這包括低功耗段式-LCD驅動器、電容式觸摸感應接口、手勢和接近感應。物聯網應用需要各種人機接口功能,因為大量可連接設備,例如安全系統、智能恒溫器和照明控制系統,可能擁有人機交互組件。

 

電容式觸摸

電容式觸摸接口幾乎可以用于任何地方(包括在玻璃和塑料下面),并且通常是非常可靠和抗噪聲干擾的。SiliconLabs的電容式觸摸MCU提供次微安級的觸摸喚醒平均電流和100:1的動態范圍。由于每個引腳轉換和檢測需要大約40μs,因此整個16引腳的掃描能夠在700μs以內完成。這種特殊的電容感應性能能夠使能活動事件的高速周期掃描以及延長的休眠間隔,從而減少整體功耗。例如,SiliconLabs的超低功耗電容感應MCU能夠使2節AA電池供電的遙控器工作7年。電容感應技術也優于按鍵和滑動條,常見于白色家電、廚房電器和安全觸摸面板等設備中。

 

段式LCD

段式LCD驅動器能夠集成到8位MCU或者作為獨立功能器件。作為獨立器件,LCD控制器提供給LCD解決方案最佳的泄漏和動態功耗特性。這類器件通過SPI或者I2C連接到鄰近的MCU。它消耗電量非常少,以至于可以僅通過一個輸入引腳為自己供電,不需要連接VDD。此外,LCD驅動器的晶片尺寸極小,非常適用于作為裸片或者集成在玻璃中,而不是作為一個獨立包裝器件。(如圖1所示。)

 

圖1-獨立式LCD控制器示例

 

手勢、接近和環境照明

在許多的物聯網末端節點以及需要手勢控制和檢測的便攜式醫療和移動計算產品中,接近感測高度滿足需求。SiliconLabs提供一系列的8位產品支持基于紅外的接近控制,也支持環境光和紫外線感應。例如,Si114xMCU系列產品可實現高達50cm感應距離的單、雙和三LED接近檢測,多維移動感測,心率/血氧和臉部檢測功能。該傳感器架構可以工作在陽光直射的地方,內置的光傳感器可以感應最大128kLux光強。光感應技術通常需要特別封裝特性,例如光傳感器周圍的透明窗口。(如圖2所示,接近感應MCU示例。)

 

圖2-集成先進混合信號外設、接口和驅動的接近感應MCU

 

接口堆棧和驅動程序

所有MCU接口需要協議棧與/或驅動,以便能夠快速集成到系統。本文中討論的接口(除了非常簡單的如UART、SPI和I2C等)都能夠從SiliconLabs官網上免費下載驅動和/或協議棧。例如,在SiliconLabs的集成免晶體USB的8位MCU的全功能USB驅動包含在USBXpress開發套件中,它提供一個完整的主機和設備軟件解決方案。

 

MCU接口和物聯網

當今的互聯的物聯網生態系統有利于集成各種接口的IC器件,因此嵌入式市場的多樣性本質需要這些器件能夠盡可能多的支持各類"專用接口"的轉換。

 

大多數物聯網應用本質上都是"瘦客戶端"。這使得它們自然的適用于Flash和板上RAM大小受限的8位器件。例如,大多數傳感器應用需要感應和操作電壓/電流,然后上傳數據,這非常適合8位器件。又比如互聯家居應用中的氣體和氧氣傳感器和商業/工業應用中的壓力傳感器

 

比起32位器件,8位器件更適合于簡單控制應用,尤其是如果有必要進行復雜的實時I/O操作時。具體而言,8051架構允許進行帶有并發邏輯運算的快速I/O位操作,這對控制應用非常有用。這些應用通常空間受限且對功耗敏感,這也是8位器件(例如來自SiliconLabs的高速8051MCU)的優勢。需要注意的是各種ARMCortex-M系列器件也能夠在這些應用中發揮作用,但是考慮到系統的板面積、功耗和實時性的限制,具有更高確定性執行模式的8位器件將有更好的表現。

 

結論

當今的物聯網連接設備應用需要全能型MCU以滿足多協議環境帶來的負載通信的挑戰。物聯網生態系統是如此多樣性,要求MCU接口和連接技術的優勢必須在同一晶片上簡單的共存。RF集成出色的融合了兩種基本的物聯網性能:超低功耗和無線通信。此外,極佳的模擬性能使得創建無線傳感器節點僅需要極少的外部支持電路。

 

雖然8位MCU可能不會適合所有物聯網連接設備應用,但是對于需要小封裝尺寸、小存儲空間大小、高功能密度、確定性和響應速度的成本敏感的應用來說是非常好的選擇。高性能的80518位架構,以及當今眾多可用接口,是大多數物聯網應用的理想解決方案。

[整理編輯:CK365測控網]
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