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Silicon Labs已經(jīng)在“采集、計算和通信”的指導思想下開(kāi)發(fā)出各類(lèi)兼容8051內核的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(jìn)行過(guò)詳細論述。本文主要討論內建在基于8051內核MCU之中的通信接口如何滿(mǎn)足當今快速涌現的物聯(lián)網(wǎng)應用的需求。 簡(jiǎn)介 通信接口按照使用場(chǎng)景通常分為兩類(lèi)：機器對機器（M2M）和人與機器（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）中的內置接口，例如電容觸摸感應、LCD、圖形驅動(dòng)器、手勢和接近感應。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)中大多數可連接設備應用的關(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位數據處理和超大Flash空間選擇的基于ARM的MCU的系統。然而，需要確定性行為和嚴格實(shí)時(shí)控制的應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8051 MCU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，例如Silicon Labs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/O Crossbar無(wú)縫的分配到外部引腳。I/O Crossbar提供一種機制，可以通過(guò)帶優(yōu)先級的Crossbar把任意外設映射到任意引腳。Silicon Labs的8位MCU集成有2%精確度的內部振蕩器，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。 在高速設備中，預分頻器使得這些外設可以運行在適當的速率。這類(lèi)UART的高級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。 對于許多高速8位單片機來(lái)說(shuō)，有大量需要“位反轉”的總線(xiàn)接口。就8051架構的本質(zhì)和它的響應時(shí)間而言，能夠實(shí)現30ns以下的外部引腳反轉。在其他一些情況下，中斷層次結構能夠帶來(lái)延遲，這使得具有“位反轉”能力的接口不適合那些需要快速總線(xiàn)反轉的情形。 免晶體USB 更復雜的通信接口之一是“免晶體”USB，這是Silicon Labs首家開(kāi)發(fā)并獲得專(zhuān)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設備接口，無(wú)需外部晶體，因此對于大多數嵌入式系統開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)這項技術(shù)能夠降低BOM成本。 無(wú)晶體USB實(shí)現的秘訣在于時(shí)鐘恢復技術(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方式，由數字反饋控制器和可調整的模擬振蕩器組成。這需要本地時(shí)鐘和參考時(shí)鐘之間的相對誤差從不增加。這也是完全數據無(wú)關(guān)的（即不需要任何特別的USB通信），并且與傳統的基于晶體的解決方案相比，附加一個(gè)好處是更加節能。 RF通信 8位MCU上最復雜的通信接口是在超低功耗8051內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)對敏感的模擬信號在源端進(jìn)行感應，然后利用無(wú)線(xiàn)電發(fā)送到集中設備或節點(diǎn)，從而為許多遠程傳感應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)傳感器節點(diǎn)應用。該類(lèi)器件憑借其低功耗處理、無(wú)線(xiàn)連接和遠程傳感能力，會(huì )非常適用于物聯(lián)網(wǎng)。 LIN/CAN接口 兩種特別針對汽車(chē)應用的工業(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(chē)應用的8位器件之中。Silicon Labs的汽車(chē)級8位MCU集成±0.5％的精確度振蕩器（全電壓和溫度范圍內），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)器件中獨一無(wú)二的。這種精度可調節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），這在小電機控制應用和一些電源控制應用中已被證明非常實(shí)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驅動(dòng)器、電容式觸摸感應接口、手勢和接近感應。物聯(lián)網(wǎng)應用需要各種人機接口功能，因為大量可連接設備，例如安全系統、智能恒溫器和照明控制系統，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�？煽亢涂乖肼暩蓴_的。Silicon Labs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(dòng)態(tài)范圍。由于每個(gè)引腳轉換和檢測需要大約40μs，因此整個(gè)16引腳的掃描能夠在700μs以?xún)韧瓿�。這種特殊的電容感應性能能夠使能活動(dòng)事件的高速周期掃描以及延長(cháng)的休眠間隔，從而減少整體功耗。例如，Silicon Labs的超低功耗電容感應MCU能夠使2節AA電池供電的遙控器工作7年。電容感應技術(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備中。 段式LCD 段式LCD驅動(dòng)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(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)末端節點(diǎn)以及需要手勢控制和檢測的便攜式醫療和移動(dòng)計算產(chǎn)品中，接近感測高度滿(mǎn)足需求。Silicon Labs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。例如，Si114x MCU系列產(chǎn)品可實(shí)現高達50cm感應距離的單、雙和三LED接近檢測，多維移動(dòng)感測，心率/血氧和臉部檢測功能。該傳感器架構可以工作在陽(yáng)光直射的地方，內置的光傳感器可以感應最大128kLux光強。光感應技術(shù)通常需要特別封裝特性，例如光傳感器周?chē)耐该鞔翱�。（如圖2所示，接近感應MCU示例。） 圖2 – 集成先進(jìn)混合信號外設、接口和驅動(dòng)的接近感應MCU 接口堆棧和驅動(dòng)程序 所有MCU接口需要協(xié)議棧與/或驅動(dòng)，以便能夠快速集成到系統。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Silicon Labs官網(wǎng)上免費下載驅動(dòng)和/或協(xié)議棧。例如，在Silicon Labs的集成免晶體USB的8位MCU的全功能USB驅動(dòng)包含在USBXpress開(kāi)發(fā)套件中，它提供一個(gè)完整的主機和設備軟件解決方案。 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”的轉換。 大多數物聯(lián)網(wǎng)應用本質(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，大多數傳感器應用需要感應和操作電壓/電流，然后上傳數據，這非常適合8位器件。又比如互聯(lián)家居應用中的氣體和氧氣傳感器和商業(yè)/工業(yè)應用中的壓力傳感器。 比起32位器件，8位器件更適合于簡(jiǎn)單控制應用，尤其是如果有必要進(jìn)行復雜的實(shí)時(shí)I/O操作時(shí)。具體而言，8051架構允許進(jìn)行帶有并發(fā)邏輯運算的快速I(mǎi)/O位操作，這對控制應用非常有用。這些應用通�？臻g受限且對功耗敏感，這也是8位器件（例如來(lái)自Silicon Labs的高速8051 MCU）的優(yōu)勢。需要注意的是各種ARM Cortex-M系列器件也能夠在這些應用中發(fā)揮作用，但是考慮到系統的板面積、功耗和實(shí)時(shí)性的限制，具有更高確定性執行模式的8位器件將有更好的表現。 結論 當今的物聯(lián)網(wǎng)連接設備應用需要全能型MCU以滿(mǎn)足多協(xié)議環(huán)境帶來(lái)的負載通信的挑戰。物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統是如此多樣性，要求MCU接口和連接技術(shù)的優(yōu)勢必須在同一晶片上簡(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)連接設備應用，但是對于需要小封裝尺寸、小存儲空間大小、高功能密度、確定性和響應速度的成本敏感的應用來(lái)說(shuō)是非常好的選擇。高性能的8051 8位架構，以及當今眾多可用接口，是大多數物聯(lián)網(wǎng)應用的理想解決方案。 |
