物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)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(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。人類通過感官與外部環(huán)境進(jìn)行交流。傳感器可以加強(qiáng)人們與其周圍環(huán)境的互動(dòng)。
圖 8 ：集成 BLE 連接的PSoC6及電容式觸控模塊
物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序普遍含有一個(gè)或多個(gè)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(yīng)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(yīng)用中，數(shù)字傳感器正逐步取代模擬傳感器。數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通過電纜或其他媒介傳輸，將不會(huì)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(jì)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(gè)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(gè)偏置電路、一個(gè)放大器、多個(gè)對比器、一個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)、多個(gè)模擬多路轉(zhuǎn)換器、多個(gè)參考電壓、一個(gè)用于抑制噪音的濾波網(wǎng)絡(luò)、偏移消除等錯(cuò)誤抑制技術(shù)以及一個(gè)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(gè)數(shù)字化的通信渠道，需要使用一個(gè)通用異步收發(fā)傳輸器(UART)、集成電路總線(I2C)、 串行外設(shè)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(shè)備可能已經(jīng)將一個(gè)固定的ADC集成到了MCU中。對于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用而言，最理想的莫過于實(shí)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(yīng)用對于模擬前端( AFE )都有哪些需求。當(dāng)HRM工作時(shí)，要求模擬信號調(diào)節(jié)電路以便其正常運(yùn)作。測量心率有多種方法，最常用的三種是：
· 光學(xué)體積描技術(shù)( PPG )
· 心電圖( ECG)
· 心音圖( PCG)
光學(xué)體積描技術(shù)(PPG ) 是一種測量心血管脈沖波形的光學(xué)方法。通過人體動(dòng)脈血流量的周期性脈動(dòng)引致脈沖波。該測量方法需要使用一種光源和一個(gè)光電二極管(接收器)實(shí)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(xué)體積描技術(shù)(PPG )
心電圖(ECG)： 當(dāng)心臟經(jīng)過去極化和復(fù)極化，會(huì)產(chǎn)生電流會(huì)并擴(kuò)散到整個(gè)身體。通過在人體皮膚上的特定點(diǎn)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(dòng)節(jié)律。由于心臟肌肉的跳動(dòng)作用和被感應(yīng)到的身體點(diǎn)之間的間距，這些電信號介乎0.1mV至1.5mV。兩個(gè)間距的輸入點(diǎn)間的潛在區(qū)別被運(yùn)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(dǎo)補(bǔ)償電流進(jìn)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(shí)會(huì)產(chǎn)生收縮和擴(kuò)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(dòng)。這種聲學(xué)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(jìn)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(jì)算出心率。
圖 12 ： PSoC 6 BLE AFE 示例──心音圖( PCG )
開發(fā)人員在設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備時(shí)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(shè)計(jì)、提高性能、顯著提升產(chǎn)品功效，并且降低整個(gè)系統(tǒng)的成本。此外，開發(fā)人員可實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新應(yīng)用，使設(shè)備更具備易用性，從而領(lǐng)先于市場內(nèi)的其他產(chǎn)品。
注：本文由賽普拉斯供稿
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