利用PSoC 4 BLE設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)

大多數(shù)人在某個(gè)時(shí)候都聽(tīng)過(guò)“物聯(lián)網(wǎng)”這個(gè)術(shù)語(yǔ)，或者更常見(jiàn)的是物聯(lián)網(wǎng)。物聯(lián)網(wǎng)描述了物理物體如何慢慢地連接到互聯(lián)網(wǎng)，一個(gè)簡(jiǎn)單的例子就是家中的恒溫器，現(xiàn)在可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)通過(guò)手機(jī)控制。據(jù)估計(jì)，到2020年，將有60億這樣的日常物理對(duì)象連接到物聯(lián)網(wǎng)。這意味著物聯(lián)網(wǎng)不僅僅是一種時(shí)尚或市場(chǎng)趨勢(shì)，而是一種真正的商業(yè)現(xiàn)實(shí)，其中涉及到大量資金?；?a href="http://www.ttokpm.com/v/tag/117/" target="_blank">傳感器的系統(tǒng)將現(xiàn)實(shí)世界連接到物聯(lián)網(wǎng)。這些系統(tǒng)必須彼此交互地操作，并且自主地操作，并且它們通常使用無(wú)線通信來(lái)這樣做。這些用于物聯(lián)網(wǎng)的基于傳感器的系統(tǒng)也必須具有非常低的功率，以便它們可以長(zhǎng)時(shí)間使用電池。

藍(lán)牙?低能耗或BLE現(xiàn)已成為物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)中低功耗無(wú)線的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。僅在2013年就銷(xiāo)售了超過(guò)12億個(gè)Bluetooth Smart Ready產(chǎn)品。其中包括iPad，iPhone，MacBook，Android和Windows手機(jī)以及筆記本電腦和臺(tái)式電腦等產(chǎn)品，這實(shí)際上意味著您可以輕松連接整個(gè)主機(jī)生態(tài)系統(tǒng)。此外，BLE專(zhuān)為基于低功耗傳感器的產(chǎn)品而設(shè)計(jì)，如可穿戴電子產(chǎn)品，醫(yī)療設(shè)備和家庭自動(dòng)化設(shè)備。物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品需要基于傳感器的BLE系統(tǒng)。

圖1顯示了一些物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的例子。第一個(gè)是Jawbone的健身監(jiān)測(cè)器，它是可穿戴電子設(shè)備的一個(gè)例子，第二個(gè)是Mio的心率監(jiān)測(cè)器，這是醫(yī)療設(shè)備的一個(gè)很好的例子，第三個(gè)例子是Kwikset的Kevo Deadbolt ，這是一個(gè)家庭自動(dòng)化設(shè)備，連接到互聯(lián)網(wǎng)，允許您以交互方式和遠(yuǎn)程解鎖門(mén)。

圖1：示例物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。

PSoC由于其架構(gòu)而實(shí)現(xiàn)了低功耗設(shè)計(jì)。 PSoC是世界上第一個(gè)可編程嵌入式設(shè)計(jì)平臺(tái)。它包括一個(gè)CPU，例如32位ARM Cortex-M0，并具有模擬和數(shù)字可編程模塊。正因?yàn)槿绱耍ㄟ^(guò)可靠且易于使用的解決方案（如觸摸傳感）加速了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

讓我們面對(duì)現(xiàn)實(shí)，為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)基于無(wú)線傳感器的系統(tǒng)很困難。這是因?yàn)樵O(shè)計(jì)此類(lèi)系統(tǒng)需要工程師使用來(lái)自多個(gè)IC供應(yīng)商的多種設(shè)計(jì)工具。由于BLE協(xié)議棧之類(lèi)的復(fù)雜規(guī)范，實(shí)現(xiàn)無(wú)線本身非常復(fù)雜;當(dāng)你進(jìn)入電路板設(shè)計(jì)時(shí)，做RF板設(shè)計(jì)并不容易，這也是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程。使用多個(gè)IC設(shè)計(jì)系統(tǒng)會(huì)增加BOM成本。在為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)這些基于傳感器的系統(tǒng)時(shí)，通常需要用于傳感器的模擬前端，用于控制的數(shù)字邏輯，藍(lán)牙能量無(wú)線電和MCU。此外，如果您正在嘗試創(chuàng)建復(fù)雜的用戶界面，則可能需要額外的觸摸或顯示IC。所有這些都很快增加了系統(tǒng)BOM成本。最后，實(shí)現(xiàn)低系統(tǒng)功率是困難的。這些用于物聯(lián)網(wǎng)的無(wú)線系統(tǒng)通常采用幣形電池供電，優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng)的功耗需要非常小心地使用低功耗模式。

PSoC 4 BLE通過(guò)以下方式解決了這些問(wèn)題：

在PSoC Creator中灌輸完整的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

使用易于使用的BLE組件簡(jiǎn)化BLE協(xié)議棧和配置文件配置

通過(guò)集成簡(jiǎn)化RF板設(shè)計(jì)Balun

集成可編程AFE和數(shù)字邏輯，CapSense與ARM Cortex-M0 CPU和BLE無(wú)線電集成

提供五種靈活，易用，低功耗模式

PSoC Creator可在一個(gè)工具中實(shí)現(xiàn)完整的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。您在圖2中看到的是藍(lán)牙低能量心率監(jiān)測(cè)器，例如，它實(shí)現(xiàn)了PSoC Creator中顯示的自定義AFE。首先，您將探索超過(guò)75個(gè)組件的庫(kù)，然后將這些組件拖放到原理圖中以完成硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在這種情況下，我們使用模擬組件的組合來(lái)設(shè)計(jì)AFE以及用于提供無(wú)線通信的BLE組件。然后，您將使用組件配置工具配置每個(gè)組件;這些組件中的每一個(gè)都有自己的數(shù)據(jù)表，可以為您提供更多信息并列出所有API，您可以同時(shí)在IDE的應(yīng)用程序固件和硬件中共同設(shè)計(jì)這些API。賽普拉斯還提供App Notes等文檔。 “PSoC BLE入門(mén)”應(yīng)用筆記非常棒，可幫助您開(kāi)始使用該解決方案并為設(shè)計(jì)提供系統(tǒng)指南。

圖2：BLE心率監(jiān)測(cè)示例項(xiàng)目。

BLE組件本身簡(jiǎn)化了藍(lán)牙低能量堆棧和配置文件配置?，F(xiàn)在，您可以在簡(jiǎn)單，直觀，易用的圖形用戶界面中完成代碼中數(shù)百行和數(shù)百行的操作。 PSoC Creator中的BLE組件包含藍(lán)牙4.1規(guī)范，它還包含BLE協(xié)議棧，包括所有支持的BLE配置文件，并且具有非常簡(jiǎn)單易用的API用于固件開(kāi)發(fā)。如果您可以回憶一下，可以右鍵單擊PSoC Creator中的BLE組件以打開(kāi)其配置工具。在配置文件選項(xiàng)卡屏幕截圖（圖3）中，您可以看到它如何包含可以單擊的心率測(cè)量的配置文件。該圖還顯示了可用于協(xié)議棧和配置文件設(shè)置的非常簡(jiǎn)單配置的所有各種參數(shù)。

圖3：BLE組件配置工具。

PSoC 4 BLE還簡(jiǎn)化了RF板設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)天線匹配網(wǎng)絡(luò)（AMN）并不容易，這是一項(xiàng)非常重要的工作。這是因?yàn)檫@些AMN對(duì)PCB布局和寄生效應(yīng)很敏感，您需要調(diào)整它以獲得最佳RF性能。當(dāng)使用許多外部組件時(shí)，天線匹配網(wǎng)絡(luò)的調(diào)諧增加，而調(diào)諧的復(fù)雜性顯著增加。典型的AMN最多使用9個(gè)外部組件，而賽普拉斯的AMN僅使用2個(gè)，因?yàn)锽alun是集成的。圖4是賽普拉斯解決方案的一個(gè)示例。您只需使用兩個(gè)外部組件 - 電感器和電容器，而使用Nordic時(shí)，您必須使用七個(gè)外部組件，而使用TI解決方案時(shí)，您必須使用九個(gè)外部組件。 PSoC 4 BLE集成的Balun簡(jiǎn)化了RF板設(shè)計(jì)，減少了PCB占用空間。當(dāng)然，它還可以降低您的BOM成本，因?yàn)槟槐刭?gòu)買(mǎi)外部元件或外部Balun IC。

圖4：PSoC 4 BLE簡(jiǎn)化了RF板。

PSoC 4 BLE將可編程AFE，可編程數(shù)字邏輯和CapSense集成在一個(gè)芯片中。所有這些塊的集成可以降低系統(tǒng)的BOM成本。您可以使用運(yùn)算放大器，比較器，ADC和DAC等可編程模擬模塊為模擬傳感器創(chuàng)建自定義AFE。您可以使用可編程數(shù)字模塊（如定時(shí)器計(jì)數(shù)器PWM，串行通信模塊，甚至UDB（通用數(shù)字模塊））來(lái)集成數(shù)字邏輯。此外，您還可以利用賽普拉斯業(yè)界領(lǐng)先的CapSense技術(shù)實(shí)現(xiàn)可靠而復(fù)雜的用戶界面。

此外，PSoC的可編程架構(gòu)提供了一些非常獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。首先，您可以通過(guò)將CPU任務(wù)卸載到UDB來(lái)降低電池供電應(yīng)用的功耗。這大大節(jié)省了CPU周期。您還可以使用UDB創(chuàng)建自定義數(shù)字外設(shè);稍后我們將展示一個(gè)示例，其中我從加速度計(jì)輸入中放置了一個(gè)定制的I 2 C喚醒芯片。您還可以在運(yùn)行時(shí)或操作期間重新配置這些塊以創(chuàng)建多個(gè)功能，從而允許您使用相同的塊來(lái)執(zhí)行不同的操作。當(dāng)然，借助PSoC靈活的架構(gòu)，您可以將芯片上的任何引腳用作模擬或數(shù)字I/O，因?yàn)槠?a href="http://www.ttokpm.com/tags/多路復(fù)用器/" target="_blank">多路復(fù)用器。我們?cè)趫D5中看到的是一個(gè)實(shí)際的PSoC Creator原理圖，它顯示了完整系統(tǒng)的完整生產(chǎn)設(shè)計(jì)。從左側(cè)開(kāi)始，我從心率監(jiān)測(cè)器的電極輸入，這些輸入到我的模擬前置，使用四個(gè)運(yùn)算放大器創(chuàng)建。其中一些用作儀表放大器，而另一個(gè)用作濾波器。一旦使用模擬前置輸入調(diào)制信號(hào)，它就會(huì)進(jìn)入12位SARADC。我們還添加了一個(gè)使用定制組件的加速度計(jì)，一個(gè)用于提供用戶界面的CapSense組件，一個(gè)可以驅(qū)動(dòng)LED的PWM組件，一個(gè)用于驅(qū)動(dòng)顯示器的分段LCD組件，當(dāng)然還有用于提供藍(lán)牙低功耗無(wú)線通信的BLE組件。您可以看到如何在單個(gè)芯片中完成整個(gè)設(shè)計(jì)，并且只需使用PSoC Creator的單個(gè)工具，就可以為物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)建完整的系統(tǒng)。

圖5：完整的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

PSoC 4 BLE還支持超低功耗無(wú)線系統(tǒng)，因?yàn)樗峁┝宋宸N非常靈活的功耗模式，即主動(dòng)，睡眠，深度睡眠，休眠和停止模式。詳細(xì)信息如圖6所示。

PSoC 4 BLE具有同類(lèi)最佳的低功耗模式。在休眠和停止模式下，它消耗的電流最低;停止模式下為60納安，休眠模式下為150納安。它還在休眠模式下保留SRAM數(shù)據(jù)，同時(shí)在深度睡眠模式下保持完整的系統(tǒng)狀態(tài)。 PSoC Creator還為您提供了非常易于使用的API，可以在這些低功耗模式之間輕松切換，并且對(duì)于一秒鐘的連接間隔，這是一種藍(lán)牙低能耗規(guī)范，PSoC系統(tǒng)平均消耗18.9微安當(dāng)前的。這是因?yàn)樾酒诤芏痰臅r(shí)間內(nèi)處于活動(dòng)狀態(tài)，可以在剩余的時(shí)間內(nèi)進(jìn)入睡眠狀態(tài)或深度睡眠狀態(tài)。

圖6：完成物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

現(xiàn)在讓我們快速瀏覽一下PSoC 4 BLE芯片（圖7），它將用于什么類(lèi)型的應(yīng)用，以及它具有哪些功能。 PSoC 4 BLE的目標(biāo)應(yīng)用包括運(yùn)動(dòng)和健身監(jiān)視器，可穿戴電子設(shè)備，醫(yī)療設(shè)備，家庭自動(dòng)化解決方案，游戲控制器以及物聯(lián)網(wǎng)的任何基于傳感器的低功耗系統(tǒng)。正如我所提到的，這是32位ARM Cortex-M0 CPU，主頻高達(dá)48 MHz。我們將提供高達(dá)256 kb閃存和32 kb SRAM的器件。您有四個(gè)運(yùn)算放大器可配置為PGA，比較器，濾波器，然后是一個(gè)12位，1 Msps SAR ADC。這些模擬組件將允許您創(chuàng)建自定義或可編程AFE。當(dāng)然，我們的CapSense包含SmartSense自動(dòng)調(diào)整功能。

此部分提供通過(guò)CapSense組件執(zhí)行觸摸板和手勢(shì)的功能。在數(shù)字方面，我們有四個(gè)UDB，四個(gè)TCPWM模塊，兩個(gè)串行通信模塊，可以配置為I 2 C主機(jī)或從機(jī)，SPI主機(jī)或從機(jī)，或UART。該器件提供兩種封裝，56引腳QFN和68 CSP。最重要的是，PSoC 4 BLE提供具有藍(lán)牙4.1規(guī)范的藍(lán)牙智能連接，并具有集成的BLE，2.4 GHz無(wú)線電和集成的巴倫。

圖7：PSoC 4 BLE CY8C4xx7-BL。

圖8是使用PSoC 4 BLE芯片的解決方案示例。在這個(gè)解決方案中，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)可穿戴的健身監(jiān)視器，非常類(lèi)似于你從Jawbone看到的東西。在這個(gè)特定的解決方案中，我們想嘗試將BLE連接添加到傳感器集線器，與多個(gè)模擬和數(shù)字傳感器接口，驅(qū)動(dòng)基于PWM的振動(dòng)電機(jī)，并以非常低的功耗完成所有這一切，因?yàn)槲蚁脒\(yùn)行此產(chǎn)品一個(gè)紐扣電池。因此，PSoC 4 BLE允許您通過(guò)簡(jiǎn)單的單芯片實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)BLE連接，從而輕松實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。使用模擬前端，您可以為傳感器創(chuàng)建傳感器接口，如溫度，濕度，壓力和電池電壓。我們使用所有可編程模擬模塊實(shí)現(xiàn)了自定義AFE，IDAC充當(dāng)電流源，所有這些都饋入靈活的模擬MUX，然后將所有內(nèi)容發(fā)送到SAR ADC。我還可以使用我的數(shù)字SCB與其他傳感器（如加速度計(jì)）連接，當(dāng)然我可以使用PWM組件驅(qū)動(dòng)振動(dòng)電機(jī)，并使用BLE子系統(tǒng)與藍(lán)牙智能就緒主機(jī)通信。因此，您可以看到單個(gè)芯片如何集成MCU，AFE和數(shù)字邏輯以及BLE無(wú)線電，所有這些都在一個(gè)簡(jiǎn)單易用的解決方案中。

圖8：解決方案示例 - 可穿戴健身監(jiān)測(cè)器。

總之，PSoC 4 BLE可在PSoC Creator中實(shí)現(xiàn)完整的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化了BLE協(xié)議棧和配置文件配置使用BLE組件，通過(guò)集成平衡 - 不平衡轉(zhuǎn)換器，集成可編程AFE和數(shù)字邏輯以及CapSense與ARM Cortex-M0 CPU和BLE無(wú)線電，簡(jiǎn)化了RF板設(shè)計(jì)，并提供五種靈活，易用，低功耗模式。