物聯(lián)網應用通常是由傳感器、安全處理器和無線鏈路組成。傳感器是物聯(lián)網應用的關鍵技術。人類通過感官與外部環(huán)境進行交流。傳感器可以加強人們與其周圍環(huán)境的互動。
圖 8 ：集成 BLE 連接的PSoC6及電容式觸控模塊
物聯(lián)網應用程序普遍含有一個或多個傳感器。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換為數(shù)字輸出。在許多應用中，數(shù)字傳感器正逐步取代模擬傳感器。數(shù)字數(shù)據(jù)通過電纜或其他媒介傳輸，將不會產生傳輸損耗。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，都需要通過一個接口電路將數(shù)據(jù)傳遞到基于物聯(lián)網的MCU上。信號調節(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包含一個偏置電路、一個放大器、多個對比器、一個數(shù)模轉換器(DAC)、多個模擬多路轉換器、多個參考電壓、一個用于抑制噪音的濾波網絡、偏移消除等錯誤抑制技術以及一個用于數(shù)字化和處理傳感器數(shù)據(jù)的模數(shù)轉換器(ADC)。相反，數(shù)字傳感器只需要一個數(shù)字化的通信渠道，需要使用一個通用異步收發(fā)傳輸器(UART)、集成電路總線(I2C)、 串行外設接口(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，需要在芯片外構建接口電路，盡管某些設備可能已經將一個固定的ADC集成到了MCU中。對于物聯(lián)網應用而言，最理想的莫過于實現(xiàn)完整的模擬和數(shù)字組件與高度集成的MCU相結合。
圖 9 ：PSoC 6 BLE AFE 及 DFE
模擬前端在物聯(lián)網中的用例：
讓我們以心率監(jiān)視儀( HRM )為例，了解一下物聯(lián)網應用對于模擬前端( AFE )都有哪些需求。當HRM工作時，要求模擬信號調節(jié)電路以便其正常運作。測量心率有多種方法，最常用的三種是：
· 光學體積描技術( PPG )
· 心電圖( ECG)
· 心音圖( PCG)
光學體積描技術(PPG ) 是一種測量心血管脈沖波形的光學方法。通過人體動脈血流量的周期性脈動引致脈沖波。該測量方法需要使用一種光源和一個光電二極管(接收器)實現(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─ 光學體積描技術(PPG )
心電圖(ECG)： 當心臟經過去極化和復極化，會產生電流會并擴散到整個身體。通過在人體皮膚上的特定點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節(jié)律。由于心臟肌肉的跳動作用和被感應到的身體點之間的間距，這些電信號介乎0.1mV至1.5mV。兩個間距的輸入點間的潛在區(qū)別被運算放大器放大。信號由ADC采樣模擬數(shù)據(jù)轉換，集成的ADC采樣用于引導補償電流進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閉時會產生收縮和擴張的聲音，通?？梢酝ㄟ^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。這種聲學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，從而可以正確的計算出心率。
圖 12 ： PSoC 6 BLE AFE 示例──心音圖( PCG )
開發(fā)人員在設計物聯(lián)網設備時很多選擇。通過了解基于物聯(lián)網MCU的各種功能，選擇集成處理器，可簡化設計、提高性能、顯著提升產品功效，并且降低整個系統(tǒng)的成本。此外，開發(fā)人員可實現(xiàn)創(chuàng)新應用，使設備更具備易用性，從而領先于市場內的其他產品。
注：本文由賽普拉斯供稿
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