为物联网应用选择合适的8位MCU通信接口

只看该作者 · 2018-10-13 13:44

为物联网应用选择合适的8位MCU通信接口

本文主要讨论内建在基于8051内核MCU之中的通信接口如何满足当今快速涌现的物联网应用的需求。

简介

通信接口按照使用场景通常分为两类：机器对机器（M2M）和人与机器（HMI）。M2M接口种类众多，从普通型的SPI/I2C/UART串行接口到更复杂的定制串行接口、免晶体USB和无线电。HMI常见于微控制器（MCU）中的内置接口，例如电容触摸感应、LCD、图形驱动器、手势和接近感应。M2M和HMI性能 — 以及支持它们的MCU — 已经成为当今物联网中大多数可连接设备应用的关键所在。
提供M2M和HMI接口的8位引擎不能为所有嵌入式系统使用案例提供最佳解决方案，尤其是那些需要密集计算、32位数据处理和超大Flash空间选择的基于ARM的MCU的系统。然而，需要确定性行为和严格实时控制的应用能够受益于带有这些通信接口的8位引擎。

通信接口
通用接口
许多8051 MCU有至少1个UART、1个I2C接口以及1个SPI接口。更先进的8位MCU架构，例如Silicon Labs提供的那些MCU，能够同时支持这些接口，并且能够通过I/O Crossbar无缝的分配到外部引脚。I/O Crossbar提供一种机制，可以通过带优先级的Crossbar把任意外设映射到任意引脚。Silicon Labs的8位MCU集成有2%精确度的内部振荡器，这使得MCU可以在没有片外晶体的情况下正常工作，同时满足UART通信的精确度要求。
在高速设备中，预分频器使得这些外设可以运行在适当的速率。这类UART的高级版本也集成了波特率发生器，从而无需定时器类资源，并且允许支持更宽的波特率。
对于许多高速8位单片机来说，有大量需要“位反转”的总线接口。就8051架构的本质和它的响应时间而言，能够实现30ns以下的外部引脚反转。在其他一些情况下，中断层次结构能够带来延迟，这使得具有“位反转”能力的接口不适合那些需要快速总线反转的情形。

免晶体USB
更复杂的通信接口之一是“免晶体”USB，这一突破性创新技术支持全速USB设备接口，无需外部晶体，因此对于大多数嵌入式系统开发人员来说这项技术能够降低BOM成本。
无晶体USB实现的秘诀在于时钟恢复技术。采用锁相环（PLL）的全模拟解决方案容易受到泄漏引起的漂移的影响，而全数字解决方案需要快速本地时钟以减少输出抖动和锯齿影响。最佳的解决方案是使用混合信号方式，由数字反馈控制器和可调整的模拟振荡器组成。这需要本地时钟和参考时钟之间的相对误差从不增加。这也是完全数据无关的（即不需要任何特别的USB通信），并且与传统的基于晶体的解决方案相比，附加一个好处是更加节能。

RF通信
8位MCU上最复杂的通信接口是在超低功耗8051内核上集成最大传输速率256kbps、最大输出功率20dBm的sub-GHz收发器。这类器件，又称为sub-GHz无线MCU，通过对敏感的模拟信号在源端进行感应，然后利用无线电发送到集中设备或节点，从而为许多远程传感应用提供了最佳解决方案。8位无线MCU的低功耗特性使得该类器件非常适用于电池供电的操作环境，例如物联网传感器节点应用。该类器件凭借其低功耗处理、无线连接和远程传感能力，会非常适用于物联网。

LIN/CAN接口
两种特别针对汽车应用的工业标准接口，LIN2.1（主/从）和CAN2.0，也已经集成在面向各种汽车应用的8位器件之中。Silicon Labs的汽车级8位MCU集成±0.5％的精确度振荡器（全电压和温度范围内），这使得CAN接口能够在无需片外晶体的情况下正常工作。这种性能也是同类器件中独一无二的。这种精度可调节的片上振荡器的另一好处是可以生成高精确度PWM边沿信号（120ps量级），这在小电机控制应用和一些电源控制应用中已被证明非常实用。

人机接口
许多8位MCU支持人机接口功能，这包括低功耗段式-LCD驱动器、电容式触摸感应接口、手势和接近感应。物联网应用需要各种人机接口功能，因为大量可连接设备，例如安全系统、智能恒温器和照明控制系统，可能拥有人机交互组件。

电容式触摸
电容式触摸接口几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声干扰的。Silicon Labs的电容式触摸MCU提供次微安级的触摸唤醒平均电流和100:1的动态范围。由于每个引脚转换和检测需要大约40μs，因此整个16引脚的扫描能够在700μs以内完成。这种特殊的电容感应性能能够使能活动事件的高速周期扫描以及延长的休眠间隔，从而减少整体功耗。例如，Silicon Labs的超低功耗电容感应MCU能够使2节AA电池供电的遥控器工作7年。电容感应技术也优于按键和滑动条，常见于白色家电、厨房电器和安全触摸面板等设备中。

段式LCD
段式LCD驱动器能够集成到8位MCU或者作为独立功能器件。作为独立器件，LCD控制器提供给LCD解决方案最佳的泄漏和动态功耗特性。这类器件通过SPI或者I2C连接到邻近的MCU。它消耗电量非常少，以至于可以仅通过一个输入引脚为自己供电，不需要连接VDD。此外，LCD驱动器的晶片尺寸极小，非常适用于作为裸片或者集成在玻璃中，而不是作为一个独立包装器件。（如图1所示。）

图1 - 独立式LCD控制器示例

手势、接近和环境照明
在许多的物联网末端节点以及需要手势控制和检测的便携式医疗和移动计算产品中，接近感测高度满足需求。例如，Si114x MCU系列产品可实现高达50cm感应距离的单、双和三LED接近检测，多维移动感测，心率/血氧和脸部检测功能。该传感器架构可以工作在阳光直射的地方，内置的光传感器可以感应最大128kLux光强。光感应技术通常需要特别封装特性，例如光传感器周围的透明窗口。（如图2所示，接近感应MCU示例。）

图2 – 集成先进混合信号外设、接口和驱动的接近感应MCU

接口堆栈和驱动程序
所有MCU接口需要协议栈与/或驱动，以便能够快速集成到系统。本文中讨论的接口（除了非常简单的如UART、SPI和I2C等）都能够从Silicon Labs官网上免费下载驱动和/或协议栈。

MCU接口和物联网
当今的互联的物联网生态系统有利于集成各种接口的IC器件，因此嵌入式市场的多样性本质需要这些器件能够尽可能多的支持各类“专用接口”的转换。
大多数物联网应用本质上都是“瘦客户端”。这使得它们自然的适用于Flash和板上RAM大小受限的8位器件。例如，大多数传感器应用需要感应和操作电压/电流，然后上传数据，这非常适合8位器件。又比如互联家居应用中的气体和氧气传感器和商业/工业应用中的压力传感器。
比起32位器件，8位器件更适合于简单控制应用，尤其是如果有必要进行复杂的实时I/O操作时。具体而言，8051架构允许进行带有并发逻辑运算的快速I/O位操作，这对控制应用非常有用。这些应用通常空间受限且对功耗敏感，这也是8位器件（例如来自Silicon Labs的高速8051 MCU）的优势。需要注意的是各种ARM Cortex-M系列器件也能够在这些应用中发挥作用，但是考虑到系统的板面积、功耗和实时性的限制，具有更高确定性执行模式的8位器件将有更好的表现。

结论
当今的物联网连接设备应用需要全能型MCU以满足多协议环境带来的负载通信的挑战。物联网生态系统是如此多样性，要求MCU接口和连接技术的优势必须在同一晶片上简单的共存。RF集成出色的融合了两种基本的物联网性能：超低功耗和无线通信。此外，极佳的模拟性能使得创建无线传感器节点仅需要极少的外部支持电路。
虽然8位MCU可能不会适合所有物联网连接设备应用，但是对于需要小封装尺寸、小存储空间大小、高功能密度、确定性和响应速度的成本敏感的应用来说是非常好的选择。高性能的8051 8位架构，以及当今众多可用接口，是大多数物联网应用的理想解决方案。