如何為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用選擇合適的通信接口

SiliconLabs已經(jīng)在"采集、計算和通信"的指導思想下開發(fā)出各類兼容8051內(nèi)核的8位MCU。在之前的文章中，我們已經(jīng)對模擬采集接口和8051計算引擎有關(guān)的主題進行過詳細論述。本文主要討論內(nèi)建在基于8051內(nèi)核MCU之中的通信接口如何滿足當今快速涌現(xiàn)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)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(fù)雜的定制串行接口、免晶體USB和無線電。HMI常見于微控制器（MCU）中的內(nèi)置接口，例如電容觸摸感應(yīng)、LCD、圖形驅(qū)動器、手勢和接近感應(yīng)。M2M和HMI性能-以及支持它們的MCU-已經(jīng)成為當今物聯(lián)網(wǎng)中大多數(shù)可連接設(shè)備應(yīng)用的關(guān)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(tǒng)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(shù)據(jù)處理和超大Flash空間選擇的基于ARM的MCU的系統(tǒng)。然而，需要確定性行為和嚴格實時控制的應(yīng)用能夠受益于帶有這些通信接口的8位引擎。

通信接口

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(gòu)，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(yōu)先級的Crossbar把任意外設(shè)映射到任意引腳。SiliconLabs的8位MCU集成有2%精確度的內(nèi)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(shè)備中，預(yù)分頻器使得這些外設(shè)可以運行在適當?shù)乃俾?。這類UART的高級版本也集成了波特率發(fā)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(zhuǎn)"的總線接口。就8051架構(gòu)的本質(zhì)和它的響應(yīng)時間而言，能夠?qū)崿F(xiàn)30ns以下的外部引腳反轉(zhuǎn)。在其他一些情況下，中斷層次結(jié)構(gòu)能夠帶來延遲，這使得具有"位反轉(zhuǎn)"能力的接口不適合那些需要快速總線反轉(zhuǎn)的情形。

免晶體USB

更復(fù)雜的通信接口之一是"免晶體"USB，這是SiliconLabs首家開發(fā)并獲得專利的一項創(chuàng)新技術(shù)。這一突破性創(chuàng)新技術(shù)支持全速USB設(shè)備接口，無需外部晶體，因此對于大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員來說這項技術(shù)能夠降低BOM成本。

無晶體USB實現(xiàn)的秘訣在于時鐘恢復(fù)技術(shù)。采用鎖相環(huán)（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(shù)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(shù)字反饋控制器和可調(diào)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(shù)據(jù)無關(guān)的（即不需要任何特別的USB通信），并且與傳統(tǒng)的基于晶體的解決方案相比，附加一個好處是更加節(jié)能。

RF通信

8位MCU上最復(fù)雜的通信接口是在超低功耗8051內(nèi)核上集成最大傳輸速率256kbps、最大輸出功率20dBm的sub-GHz收發(fā)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(yīng)，然后利用無線電發(fā)送到集中設(shè)備或節(jié)點，從而為許多遠程傳感應(yīng)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(huán)境，例如物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點應(yīng)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(lián)網(wǎng)。

LIN/CAN接口

兩種特別針對汽車應(yīng)用的工業(yè)標準接口，LIN2.1（主/從）和CAN2.0，也已經(jīng)集成在面向各種汽車應(yīng)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(nèi)），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(diào)節(jié)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(yīng)用和一些電源控制應(yīng)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(qū)動器、電容式觸摸感應(yīng)接口、手勢和接近感應(yīng)。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需要各種人機接口功能，因為大量可連接設(shè)備，例如安全系統(tǒng)、智能恒溫器和照明控制系統(tǒng)，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(tài)范圍。由于每個引腳轉(zhuǎn)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(nèi)完成。這種特殊的電容感應(yīng)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(yīng)MCU能夠使2節(jié)AA電池供電的遙控器工作7年。電容感應(yīng)技術(shù)也優(yōu)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(shè)備中。

段式LCD

段式LCD驅(qū)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(tài)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(qū)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(huán)境照明

在許多的物聯(lián)網(wǎng)末端節(jié)點以及需要手勢控制和檢測的便攜式醫(yī)療和移動計算產(chǎn)品中，接近感測高度滿足需求。SiliconLabs提供一系列的8位產(chǎn)品支持基于紅外的接近控制，也支持環(huán)境光和紫外線感應(yīng)。例如，Si114xMCU系列產(chǎn)品可實現(xiàn)高達50cm感應(yīng)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(gòu)可以工作在陽光直射的地方，內(nèi)置的光傳感器可以感應(yīng)最大128kLux光強。光感應(yīng)技術(shù)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(yīng)MCU示例。）

圖2-集成先進混合信號外設(shè)、接口和驅(qū)動的接近感應(yīng)MCU

接口堆棧和驅(qū)動程序

所有MCU接口需要協(xié)議棧與/或驅(qū)動，以便能夠快速集成到系統(tǒng)。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(wǎng)上免費下載驅(qū)動和/或協(xié)議棧。例如，在SiliconLabs的集成免晶體USB的8位MCU的全功能USB驅(qū)動包含在USBXpress開發(fā)套件中，它提供一個完整的主機和設(shè)備軟件解決方案。

MCU接口和物聯(lián)網(wǎng)

當今的互聯(lián)的物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)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(zhì)需要這些器件能夠盡可能多的支持各類"專用接口"的轉(zhuǎn)換。

大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用本質(zhì)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(shù)傳感器應(yīng)用需要感應(yīng)和操作電壓/電流，然后上傳數(shù)據(jù)，這非常適合8位器件。又比如互聯(lián)家居應(yīng)用中的氣體和氧氣傳感器和商業(yè)/工業(yè)應(yīng)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(yīng)用，尤其是如果有必要進行復(fù)雜的實時I/O操作時。具體而言，8051架構(gòu)允許進行帶有并發(fā)邏輯運算的快速I/O位操作，這對控制應(yīng)用非常有用。這些應(yīng)用通?？臻g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(yōu)勢。需要注意的是各種ARMCortex-M系列器件也能夠在這些應(yīng)用中發(fā)揮作用，但是考慮到系統(tǒng)的板面積、功耗和實時性的限制，具有更高確定性執(zhí)行模式的8位器件將有更好的表現(xiàn)。

結(jié)論

當今的物聯(lián)網(wǎng)連接設(shè)備應(yīng)用需要全能型MCU以滿足多協(xié)議環(huán)境帶來的負載通信的挑戰(zhàn)。物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)是如此多樣性，要求MCU接口和連接技術(shù)的優(yōu)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(lián)網(wǎng)性能：超低功耗和無線通信。此外，極佳的模擬性能使得創(chuàng)建無線傳感器節(jié)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(lián)網(wǎng)連接設(shè)備應(yīng)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(yīng)速度的成本敏感的應(yīng)用來說是非常好的選擇。高性能的80518位架構(gòu)，以及當今眾多可用接口，是大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的理想解決方案。