基于8051內(nèi)核MCU的滿(mǎn)足物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求的通信接口選擇淺析

SiliconLabs已經(jīng)在“采集、計(jì)算和通信”的指導(dǎo)思想下開(kāi)發(fā)出各類(lèi)兼容8051內(nèi)核的8位MCU。在之前的文章中，我們已經(jīng)對(duì)模擬采集接口和8051計(jì)算引擎有關(guān)的主題進(jìn)行過(guò)詳細(xì)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(mǎn)足當(dāng)今快速涌現(xiàn)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的需求。

通信接口按照使用場(chǎng)景通常分為兩類(lèi)：機(jī)器對(duì)機(jī)器(M2M)和人與機(jī)器(HMI)。M2M接口種類(lèi)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(wú)線(xiàn)電。HMI常見(jiàn)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(dòng)器、手勢(shì)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(dāng)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(jì)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(yán)格實(shí)時(shí)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(gè)UART、1個(gè)I2C接口以及1個(gè)SPI接口。更先進(jìn)的8位MCU架構(gòu)，例如SiliconLabs提供的那些MCU，能夠同時(shí)支持這些接口，并且能夠通過(guò)I/OCrossbar無(wú)縫的分配到外部引腳。I/OCrossbar提供一種機(jī)制，可以通過(guò)帶優(yōu)先級(jí)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(méi)有片外晶體的情況下正常工作，同時(shí)滿(mǎn)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(yùn)行在適當(dāng)?shù)乃俾省＿@類(lèi)UART的高級(jí)版本也集成了波特率發(fā)生器，從而無(wú)需定時(shí)器類(lèi)資源，并且允許支持更寬的波特率。

對(duì)于許多高速8位單片機(jī)來(lái)說(shuō)，有大量需要“位反轉(zhuǎn)”的總線(xiàn)接口。就8051架構(gòu)的本質(zhì)和它的響應(yīng)時(shí)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(lái)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(xiàn)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(kāi)發(fā)并獲得專(zhuān)利的一項(xiàng)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(wú)需外部晶體，因此對(duì)于大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)這項(xiàng)技術(shù)能夠降低BOM成本。

無(wú)晶體USB實(shí)現(xiàn)的秘訣在于時(shí)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(shí)鐘以減少輸出抖動(dòng)和鋸齒影響。最佳的解決方案是使用混合信號(hào)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(shí)鐘和參考時(shí)鐘之間的相對(duì)誤差從不增加。這也是完全數(shù)據(jù)無(wú)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(gè)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(lèi)器件，又稱(chēng)為sub-GHz無(wú)線(xiàn)MCU，通過(guò)對(duì)敏感的模擬信號(hào)在源端進(jìn)行感應(yīng)，然后利用無(wú)線(xiàn)電發(fā)送到集中設(shè)備或節(jié)點(diǎn)，從而為許多遠(yuǎn)程傳感應(yīng)用提供了最佳解決方案。8位無(wú)線(xiàn)MCU的低功耗特性使得該類(lèi)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(diǎn)應(yīng)用。該類(lèi)器件憑借其低功耗處理、無(wú)線(xiàn)連接和遠(yuǎn)程傳感能力，會(huì)非常適用于物聯(lián)網(wǎng)。

LIN/CAN接口

兩種特別針對(duì)汽車(chē)應(yīng)用的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口，LIN2.1(主/從)和CAN2.0，也已經(jīng)集成在面向各種汽車(chē)應(yīng)用的8位器件之中。SiliconLabs的汽車(chē)級(jí)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(wú)需片外晶體的情況下正常工作。這種性能也是同類(lèi)器件中獨(dú)一無(wú)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(hào)(120ps量級(jí))，這在小電機(jī)控制應(yīng)用和一些電源控制應(yīng)用中已被證明非常實(shí)用。

人機(jī)接口

許多8位MCU支持人機(jī)接口功能，這包括低功耗段式-LCD驅(qū)動(dòng)器、電容式觸摸感應(yīng)接口、手勢(shì)和接近感應(yīng)。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需要各種人機(jī)接口功能，因?yàn)榇罅靠蛇B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(jī)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?？煽亢涂乖肼暩蓴_的。SiliconLabs的電容式觸摸MCU提供次微安級(jí)的觸摸喚醒平均電流和100:1的動(dòng)態(tài)范圍。由于每個(gè)引腳轉(zhuǎn)換和檢測(cè)需要大約40μs，因此整個(gè)16引腳的掃描能夠在700μs以?xún)?nèi)完成。這種特殊的電容感應(yīng)性能能夠使能活動(dòng)事件的高速周期掃描以及延長(zhǎng)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(dòng)條，常見(jiàn)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(dòng)器能夠集成到8位MCU或者作為獨(dú)立功能器件。作為獨(dú)立器件，LCD控制器提供給LCD解決方案最佳的泄漏和動(dòng)態(tài)功耗特性。這類(lèi)器件通過(guò)SPI或者I2C連接到鄰近的MCU。它消耗電量非常少，以至于可以?xún)H通過(guò)一個(gè)輸入引腳為自己供電，不需要連接VDD。此外，LCD驅(qū)動(dòng)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(gè)獨(dú)立包裝器件。(如圖1所示。)

手勢(shì)、接近和環(huán)境照明

在許多的物聯(lián)網(wǎng)末端節(jié)點(diǎn)以及需要手勢(shì)控制和檢測(cè)的便攜式醫(yī)療和移動(dòng)計(jì)算產(chǎn)品中，接近感測(cè)高度滿(mǎn)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(xiàn)感應(yīng)。例如，Si114xMCU系列產(chǎn)品可實(shí)現(xiàn)高達(dá)50cm感應(yīng)距離的單、雙和三LED接近檢測(cè)，多維移動(dòng)感測(cè)，心率/血氧和臉部檢測(cè)功能。該傳感器架構(gòu)可以工作在陽(yáng)光直射的地方，內(nèi)置的光傳感器可以感應(yīng)最大128kLux光強(qiáng)。光感應(yīng)技術(shù)通常需要特別封裝特性，例如光傳感器周?chē)耐该鞔翱凇?如圖2所示，接近感應(yīng)MCU示例。)

接口堆棧和驅(qū)動(dòng)程序

所有MCU接口需要協(xié)議棧與/或驅(qū)動(dòng)，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(jiǎn)單的如UART、SPI和I2C等)都能夠從SiliconLabs官網(wǎng)上免費(fèi)下載驅(qū)動(dòng)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(dòng)包含在USBXpress開(kāi)發(fā)套件中，它提供一個(gè)完整的主機(jī)和設(shè)備軟件解決方案。

MCU接口和物聯(lián)網(wǎng)

當(dāng)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(chǎng)的多樣性本質(zhì)需要這些器件能夠盡可能多的支持各類(lèi)“專(zhuān)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(hù)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(jiǎn)單控制應(yīng)用，尤其是如果有必要進(jìn)行復(fù)雜的實(shí)時(shí)I/O操作時(shí)。具體而言，8051架構(gòu)允許進(jìn)行帶有并發(fā)邏輯運(yùn)算的快速I(mǎi)/O位操作，這對(duì)控制應(yīng)用非常有用。這些應(yīng)用通?？臻g受限且對(duì)功耗敏感，這也是8位器件(例如來(lái)自SiliconLabs的高速8051MCU)的優(yōu)勢(shì)。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(shí)時(shí)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(dāng)今的物聯(lián)網(wǎng)連接設(shè)備應(yīng)用需要全能型MCU以滿(mǎn)足多協(xié)議環(huán)境帶來(lái)的負(fù)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(shì)必須在同一晶片上簡(jiǎn)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(wú)線(xiàn)通信。此外，極佳的模擬性能使得創(chuàng)建無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)僅需要極少的外部支持電路。

雖然8位MCU可能不會(huì)適合所有物聯(lián)網(wǎng)連接設(shè)備應(yīng)用，但是對(duì)于需要小封裝尺寸、小存儲(chǔ)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(lái)說(shuō)是非常好的選擇。高性能的80518位架構(gòu)，以及當(dāng)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。