利用PSoC 4 BLE设计物联网系统

大多数人在某个时候都听过“物联网”这个术语，或者更常见的是物联网。物联网描述了物理物体如何慢慢地连接到互联网，一个简单的例子就是家中的恒温器，现在可以通过互联网通过手机控制。据估计，到2020年，将有60亿这样的日常物理对象连接到物联网。这意味着物联网不仅仅是一种时尚或市场趋势，而是一种真正的商业现实，其中涉及到大量资金。基于传感器的系统将现实世界连接到物联网。这些系统必须彼此交互地操作，并且自主地操作，并且它们通常使用无线通信来这样做。这些用于物联网的基于传感器的系统也必须具有非常低的功率，以便它们可以长时间使用电池。

蓝牙®低能耗或BLE现已成为物联网市场中低功耗无线的事实标准。仅在2013年就销售了超过12亿个Bluetooth Smart Ready产品。其中包括iPad，iPhone，MacBook，Android和Windows手机以及笔记本电脑和台式电脑等产品，这实际上意味着您可以轻松连接整个主机生态系统。此外，BLE专为基于低功耗传感器的产品而设计，如可穿戴电子产品，医疗设备和家庭自动化设备。物联网产品需要基于传感器的BLE系统。

图1显示了一些物联网产品的例子。第一个是Jawbone的健身监测器，它是可穿戴电子设备的一个例子，第二个是Mio的心率监测器，这是医疗设备的一个很好的例子，第三个例子是Kwikset的Kevo Deadbolt ，这是一个家庭自动化设备，连接到互联网，允许您以交互方式和远程解锁门。

图1：示例物联网设备。

PSoC由于其架构而实现了低功耗设计。 PSoC是世界上第一个可编程嵌入式设计平台。它包括一个CPU，例如32位ARM Cortex-M0，并具有模拟和数字可编程模块。正因为如此，它通过可靠且易于使用的解决方案(如触摸传感)加速了系统设计。

让我们面对现实，为物联网设计基于无线传感器的系统很困难。这是因为设计此类系统需要工程师使用来自多个IC供应商的多种设计工具。由于BLE协议栈之类的复杂规范，实现无线本身非常复杂;当你进入电路板设计时，做RF板设计并不容易，这也是一个复杂的过程。使用多个IC设计系统会增加BOM成本。在为物联网设计这些基于传感器的系统时，通常需要用于传感器的模拟前端，用于控制的数字逻辑，蓝牙能量无线电和MCU。此外，如果您正在尝试创建复杂的用户界面，则可能需要额外的触摸或显示IC。所有这些都很快增加了系统BOM成本。最后，实现低系统功率是困难的。这些用于物联网的无线系统通常采用币形电池供电，优化整个系统的功耗需要非常小心地使用低功耗模式。

PSoC 4 BLE通过以下方式解决了这些问题：

在PSoC Creator中灌输完整的系统设计

使用易于使用的BLE组件简化BLE协议栈和配置文件配置

通过集成简化RF板设计Balun

集成可编程AFE和数字逻辑，CapSense与ARM Cortex-M0 CPU和BLE无线电集成

提供五种灵活，易用，低功耗模式

PSoC Creator可在一个工具中实现完整的系统设计。您在图2中看到的是蓝牙低能量心率监测器，例如，它实现了PSoC Creator中显示的自定义AFE。首先，您将探索超过75个组件的库，然后将这些组件拖放到原理图中以完成硬件系统设计。在这种情况下，我们使用模拟组件的组合来设计AFE以及用于提供无线通信的BLE组件。然后，您将使用组件配置工具配置每个组件;这些组件中的每一个都有自己的数据表，可以为您提供更多信息并列出所有API，您可以同时在IDE的应用程序固件和硬件中共同设计这些API。赛普拉斯还提供App Notes等文档。 “PSoC BLE入门”应用笔记非常棒，可帮助您开始使用该解决方案并为设计提供系统指南。

图2：BLE心率监测示例项目。

BLE组件本身简化了蓝牙低能量堆栈和配置文件配置。现在，您可以在简单，直观，易用的图形用户界面中完成代码中数百行和数百行的操作。 PSoC Creator中的BLE组件包含蓝牙4.1规范，它还包含BLE协议栈，包括所有支持的BLE配置文件，并且具有非常简单易用的API用于固件开发。如果您可以回忆一下，可以右键单击PSoC Creator中的BLE组件以打开其配置工具。在配置文件选项卡屏幕截图(图3)中，您可以看到它如何包含可以单击的心率测量的配置文件。该图还显示了可用于协议栈和配置文件设置的非常简单配置的所有各种参数。

图3：BLE组件配置工具。

PSoC 4 BLE还简化了RF板设计。设计天线匹配网络(AMN)并不容易，这是一项非常重要的工作。这是因为这些AMN对PCB布局和寄生效应很敏感，您需要调整它以获得最佳RF性能。当使用许多外部组件时，天线匹配网络的调谐增加，而调谐的复杂性显着增加。典型的AMN最多使用9个外部组件，而赛普拉斯的AMN仅使用2个，因为Balun是集成的。图4是赛普拉斯解决方案的一个示例。您只需使用两个外部组件 - 电感器和电容器，而使用Nordic时，您必须使用七个外部组件，而使用TI解决方案时，您必须使用九个外部组件。 PSoC 4 BLE集成的Balun简化了RF板设计，减少了PCB占用空间。当然，它还可以降低您的BOM成本，因为您不必购买外部元件或外部Balun IC。

图4：PSoC 4 BLE简化了RF板。

PSoC 4 BLE将可编程AFE，可编程数字逻辑和CapSense集成在一个芯片中。所有这些块的集成可以降低系统的BOM成本。您可以使用运算放大器，比较器，ADC和DAC等可编程模拟模块为模拟传感器创建自定义AFE。您可以使用可编程数字模块(如定时器计数器PWM，串行通信模块，甚至UDB(通用数字模块))来集成数字逻辑。此外，您还可以利用赛普拉斯业界领先的CapSense技术实现可靠而复杂的用户界面。

此外，PSoC的可编程架构提供了一些非常独特的优势。首先，您可以通过将CPU任务卸载到UDB来降低电池供电应用的功耗。这大大节省了CPU周期。您还可以使用UDB创建自定义数字外设;稍后我们将展示一个示例，其中我从加速度计输入中放置了一个定制的I 2 C唤醒芯片。您还可以在运行时或操作期间重新配置这些块以创建多个功能，从而允许您使用相同的块来执行不同的操作。当然，借助PSoC灵活的架构，您可以将芯片上的任何引脚用作模拟或数字I/O，因为片上多路复用器。我们在图5中看到的是一个实际的PSoC Creator原理图，它显示了完整系统的完整生产设计。从左侧开始，我从心率监测器的电极输入，这些输入到我的模拟前置，使用四个运算放大器创建。其中一些用作仪表放大器，而另一个用作滤波器。一旦使用模拟前置输入调制信号，它就会进入12位SARADC。我们还添加了一个使用定制组件的加速度计，一个用于提供用户界面的CapSense组件，一个可以驱动LED的PWM组件，一个用于驱动显示器的分段LCD组件，当然还有用于提供蓝牙低功耗无线通信的BLE组件。您可以看到如何在单个芯片中完成整个设计，并且只需使用PSoC Creator的单个工具，就可以为物联网创建完整的系统。

图5：完整的物联网系统设计。

PSoC 4 BLE还支持超低功耗无线系统，因为它提供了五种非常灵活的功耗模式，即主动，睡眠，深度睡眠，休眠和停止模式。详细信息如图6所示。

PSoC 4 BLE具有同类最佳的低功耗模式。在休眠和停止模式下，它消耗的电流最低;停止模式下为60纳安，休眠模式下为150纳安。它还在休眠模式下保留SRAM数据，同时在深度睡眠模式下保持完整的系统状态。 PSoC Creator还为您提供了非常易于使用的API，可以在这些低功耗模式之间轻松切换，并且对于一秒钟的连接间隔，这是一种蓝牙低能耗规范，PSoC系统平均消耗18.9微安当前的。这是因为芯片在很短的时间内处于活动状态，可以在剩余的时间内进入睡眠状态或深度睡眠状态。

图6：完成物联网系统设计。

现在让我们快速浏览一下PSoC 4 BLE芯片(图7)，它将用于什么类型的应用，以及它具有哪些功能。 PSoC 4 BLE的目标应用包括运动和健身监视器，可穿戴电子设备，医疗设备，家庭自动化解决方案，游戏控制器以及物联网的任何基于传感器的低功耗系统。正如我所提到的，这是32位ARM Cortex-M0 CPU，主频高达48 MHz。我们将提供高达256 kb闪存和32 kb SRAM的器件。您有四个运算放大器可配置为PGA，比较器，滤波器，然后是一个12位，1 Msps SAR ADC。这些模拟组件将允许您创建自定义或可编程AFE。当然，我们的CapSense包含SmartSense自动调整功能。

此部分提供通过CapSense组件执行触摸板和手势的功能。在数字方面，我们有四个UDB，四个TCPWM模块，两个串行通信模块，可以配置为I 2 C主机或从机，SPI主机或从机，或UART。该器件提供两种封装，56引脚QFN和68 CSP。最重要的是，PSoC 4 BLE提供具有蓝牙4.1规范的蓝牙智能连接，并具有集成的BLE，2.4 GHz无线电和集成的巴伦。

图7：PSoC 4 BLE CY8C4xx7-BL。

图8是使用PSoC 4 BLE芯片的解决方案示例。在这个解决方案中，我们设计了一个可穿戴的健身监视器，非常类似于你从Jawbone看到的东西。在这个特定的解决方案中，我们想尝试将BLE连接添加到传感器集线器，与多个模拟和数字传感器接口，驱动基于PWM的振动电机，并以非常低的功耗完成所有这一切，因为我想运行此产品一个纽扣电池。因此，PSoC 4 BLE允许您通过简单的单芯片实现实现BLE连接，从而轻松实现这一目标。使用模拟前端，您可以为传感器创建传感器接口，如温度，湿度，压力和电池电压。我们使用所有可编程模拟模块实现了自定义AFE，IDAC充当电流源，所有这些都馈入灵活的模拟MUX，然后将所有内容发送到SAR ADC。我还可以使用我的数字SCB与其他传感器(如加速度计)连接，当然我可以使用PWM组件驱动振动电机，并使用BLE子系统与蓝牙智能就绪主机通信。因此，您可以看到单个芯片如何集成MCU，AFE和数字逻辑以及BLE无线电，所有这些都在一个简单易用的解决方案中。

图8：解决方案示例 - 可穿戴健身监测器。

总之，PSoC 4 BLE可在PSoC Creator中实现完整的系统设计，简化了BLE协议栈和配置文件配置使用BLE组件，通过集成平衡 - 不平衡转换器，集成可编程AFE和数字逻辑以及CapSense与ARM Cortex-M0 CPU和BLE无线电，简化了RF板设计，并提供五种灵活，易用，低功耗模式。