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智能家居中的單片機選型與應用

2020-12-21 來源:EEWORLD

物聯網應用正在快速成長,并在過去幾年中一直影響著我們的生活。物聯網應用的潛在范圍是無限的,而智能家居仍然是消費者中最受歡迎的物聯網應用。我們的房屋日趨智能,對智能家居設備的需求呈指數增長,預測到2023年我們將擁有超過10億臺智能家居設備。


智能家居是一個相對的術語,對于某些人來說,它只是意味著將智能揚聲器和智能恒溫器,對于其他人,它可能包括智能燈泡,智能門禁鎖或智能監控攝像頭。這些家用設備(例如燈泡,照相機和恒溫器)已經存在了很長時間,但是現在使它們變得更智能了,通過感知和適應性,直觀的用戶界面,與云的連接以及安全的執行環境是使它們變得智能的主要因素。本文介紹了此類智能家居設計的各個方面,并介紹了如何實現它們。


市場趨勢


物聯網技術正在將普通家居轉變為智能家居,人們喜歡通過集成網絡控制整個房屋的能力。預計對智能家居設備的需求呈指數增長,2023年我們將擁有超過10億臺相關設備。智能家居設備的趨勢如下圖所示(圖1)。


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來源-https://boosthigh.com/smart-home-trends-2019/


智能家居設備


人與人的互動繁榮發展了幾十萬年,對于人類來說,期望他們的設備和小工具表現出類人的行為就不足為奇了。小工具之間相互連接或與網絡連接的能力使它們變得更加聰明。需要智能控制器/處理器和連接設備來實現這些智能家居設備所需的功能。需求是使用集成盡可能多功能的控制器,以最佳成本設計獨特的解決方案。最重要的功能包括具有豐富圖形用戶界面的顯示屏,可從用戶和環境中獲取輸入的觸摸和感應,交換數據和云處理的連接性,用于數據記錄的安全執行環境,經過驗證和加密的應用程序執行,無線安全(OTA)更新等,如圖2所示。


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圖2:智能家居設備所需的關鍵功能


顯示界面:具有豐富圖形用戶界面的顯示。 MCU提供諸如RGB,Intel 8080,SPI,I2C等接口來驅動顯示器。


觸摸并感應以獲取用戶和環境的輸入。需要具有集成觸摸功能和靈活外設的MCU,以用于模擬和數字傳感器接口。


處理能力:MCU需要具有像Cortex-M4這樣的處理器內核,才能處理智能家居應用程序的大量處理需求。


連接性,可與家庭中的云和其他設備交換數據。 WiFi和藍牙是用于云和本地連接的最受歡迎的接口。


用于存儲,操作系統和通信的安全執行環境。


顯示和圖形


用戶界面是最重要的功能之一,因為這是用戶與智能設備之間的第一接觸點。大多數智能設備提供了多種與用戶進行交互的方法,包括內置顯示器,智能手機,遙控器,語音控制等。具有內置顯示器的設備最為流行,因為用戶無需其他即可進行交互。額外的設備,從而節省成本。通常,內置的顯示器具有觸摸功能,并帶有信息豐富的GUI,可讓用戶輕松使用該設備。


串行顯示接口包括串行外圍設備接口(SPI),內部集成電路(I2C),RGB,移動工業處理器接口(MIPI)等。每種類型在使用的引腳,帶寬,顯示尺寸和刷新率方面都有自己的優勢。


RGB接口在智能家居應用的顯示接口中非常受歡迎,因為它可以以合理的顏色深度和良好的刷新率驅動中型顯示器,同時又具有成本效益。但是驅動RGB接口通常需要在MCU中集成專用的圖形IP。通常,MCU不帶有集成控制器。那些帶有集成圖形IP的MCU往往成本更高,并且對于智能家居應用而言通常過于浪費。


在本文中,我們將說明使用簡單的MCU外設(無需CPU干預)驅動這些顯示器的創新方法,從而為解決此問題提供一種經濟高效的方法。在我們展示如何實現之前使用沒有專用昂貴圖形IP的MCU的播放控制器,讓我們花一些時間來了解RGB接口。RGB接口是并行接口,其中直接驅動顯示器的紅色,綠色和藍色像素。它需要2組信號,分別稱為控制信號和像素數據。控制信號包括垂直同步,水平同步,數據使能和時鐘。控制信號如下圖3所示。


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圖3,RGB接口控制信號


如果我們仔細觀察這些信號,就會發現這些信號是以特定方式同步的PWM。確定像素顏色的數據必須與時鐘和數據使能同步發送到顯示器。這可以使用DMA來完成。除PWM和DMA外,還需要一些邏輯來實現控制信號。下面的圖4中使用PWM,DMA和Smart IO(用于邏輯功能)顯示了一種使用PSoC 6連接設備的實現方式。


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圖4:RGB接口


通過更改PWM,幾種方法均可獲得相同的結果。一切都取決于底層芯片提供了多少個IP。您可能還會注意到圖4中放置了邏輯與塊。它可以由執行所需的與操作的任何硬件塊代替(例如PSoC 6中的Smart-IO)。模塊之間的同步(最終是控制信號之間的同步)是通過公共時鐘源和PWM對齊實現的。應該注意的一個重要因素是,此實現需要零CPU利用率來連續驅動顯示器。


現在硬件實現已經準備就緒,我們需要適當的固件來完成圖形界面。有很多嵌入式圖形庫可以處理圖形操作。 emWin圖形庫就是這樣的例子。該庫僅需要一個驅動程序即可與硬件進行通信。該庫提供的API為用戶抽象了基礎圖形硬件,從而大大簡化了GUI設計。


觸摸屏


觸摸屏已經完全改變了我們與設備交互的方式。它們非常直觀,方便用戶無需任何學習或培訓即可進行操作。對于許多OEM而言,這僅僅是在智能設備中使用觸摸屏的主要驅動因素。目前兩種最受歡迎的觸摸屏是電阻式和電容式。


電阻式觸摸的工作原理是使觸摸時頂層與底層接觸。這樣就閉合了電路,提供了接觸點。電阻式觸摸通常用于單點觸摸檢測。電容式觸摸通過檢測觸摸感應層上的電容變化來起作用。與電阻式觸摸相比,電容式觸摸可以檢測多個觸摸點,并且所需的物理力較小。電容觸摸屏是智能家居應用中最常用的觸摸屏。多個MCU提供了與電容式觸摸面板/屏幕(即PSoC 6 MCU中的CapSense外設)交互的集成解決方案。


智能家居中的觸摸感應


電容觸摸技術相對電阻式觸摸,在易用性,耐用性和響應能力等方面都具有優勢。如今,問題不在于選擇電阻式或電容式觸摸屏,而在于在給定要求的應用中使用哪種級別的電容式觸摸解決方案。電容式觸摸屏解決方案范圍從簡單,經濟高效的單點觸摸解決方案到具有防水功能和懸停功能的功能豐富的多點觸摸解決方案。


對于諸如恒溫器或咖啡機之類的設備所需的簡單智能家居用戶界面,首選更簡單,經濟高效的實現方式。對于更復雜的GUI(例如運行全功能操作系統的智能家居中央控制單元)需要功能豐富的實現,才能使用戶訪問所有可用功能。最后,這是成本與觸摸屏提供的功能之間的權衡。


許多OEM提供具有集成電容式感應功能的MCU,以簡化設計并降低系統成本。例如,PSoC 6 MCU系列提供了智能家居應用所需的全部電容式觸摸解決方案。它提供用于簡單單點觸摸解決方案的CSD自電容方法,用于多點觸摸解決方案的CSX互電容方法,以及兩者的動態組合,以提供具有防水,接近和懸停支持的多點觸摸解決方案。取決于應用,抗噪聲(信噪比)和防水性是重要的考慮因素。從軟件的角度來看,訪問直觀工具也很重要。例如,CapSense配置器和中間件庫與ModusToolbox IDE相結合,極大地簡化了觸摸感應設計。


隨著觸摸和圖形技術的發展,嵌入式圖形庫通常也具有用于處理觸摸的API。用戶應用程序應獲取的x-y坐標觸摸點通過觸摸庫,然后將這些坐標傳遞到圖形庫以執行預期的操作。圖形庫還提供了用于創建智能家居設備所需的UI工具。


另外,接近感測被廣泛用于將設備從低功耗模式中喚醒。這樣可確保在不使用設備時關閉顯示和觸摸處理。電容式觸摸處理通常也將能夠使用相同的傳感器處理接近度。


環境傳感器


使智能家居設備取得成功的因素之一是無需人機交互即可感知周圍環境的能力。通過了解設備的周圍環境,設備可以使算法做出解釋并為用戶提供合適的選項。一些廣泛使用的傳感器及其應用包括:


運動傳感器:用于家庭安全系統。如果在非預期時間有動靜,則通知所有者。


溫度傳感器:用于恒溫器和閉環溫度控制系統。


環境光傳感器:用于花園和其他感興趣區域的自動照明系統。


煙霧傳感器:用于自動滅火器。


土壤水分和濕度傳感器:用于植物自動澆水系統;智能園藝。


傳感器提供數據,真正執行處理的是MCU。傳感器可大致分為模擬和數字傳感器。模擬傳感器以模擬電壓/電流形式提供感測數據,數字傳感器根據配置范圍以數字計數形式提供感測數據。


要讀取模擬數據,您需要一個ADC(模數轉換器)。大多數MCU(如PSoC 6)都提供集成ADC,以在內部執行此模數轉換。有時,模擬信號在轉換前可能必須經過一些預處理(例如放大,濾波等)。如果像運算放大器這樣的可編程外設是MCU本身的一部分,則預處理也可以在內部進行處理。


許多傳感器具有額外的電路,可處理模擬數據并以數字方式輸出。該數字數據通常通過串行通信總線發送出去。這不僅減輕了MCU端的處理負擔,而且可以更快地采樣數據。數字傳感器的主要缺點是由于其額外的電路,其成本較高。


綜上所述,如果您擔心設計成本和面積,選擇能夠高效處理模擬數據的MCU更具成本效益。 MCU還應通過其外設的可配置性和可編程性來靈活地進行調整,以使其適應應用程序的要求。


本文作者:


Jaya Kathuria Bindra,賽普拉斯高級應用經理,在該公司她負責使用PSoC和WiFi / BT平臺管理嵌入式應用程序組和解決方案開發。她在半導體行業擁有15年以上的經驗。她從班加羅爾IIM獲得了MBA證書,并在Kurukshetra大學獲得了電子工程學士學位。


Yeshwanth KT,賽普拉斯應用工程師。他使用賽普拉斯的PSoC平臺從事嵌入式應用程序開發。他在嵌入式系統和解決方案開發方面擁有2年以上的經驗。他擁有SJCE Mysuru的電子和通信工程學士學位。


Meenakshi Sundaram,賽普拉斯首席應用工程師。他使用賽普拉斯的PSoC平臺從事藍牙低功耗和片上系統解決方案開發工作。他在嵌入式系統和解決方案開發方面擁有9年以上的經驗。他擁有安娜大學電子與通信工程學士學位。


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