對于物聯(lián)網(wǎng)(IoT)設(shè)備的開發(fā)人員而言，藍牙是一種快速，安全的連接路徑，無線片上系統(tǒng)(SoC)設(shè)備已成為實現(xiàn)藍牙設(shè)計的現(xiàn)成解決方案。盡管如此，上市時間的壓力仍然在增加，因此即使這些高度集成的解決方案也不盡如人意，需要時間和資源來添加完整物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計所需的硬件和軟件。

本文介紹了藍牙 - 啟用傳感器板為即時物聯(lián)網(wǎng)解決方案提供了圣杯，也可以作為家庭或個人使用的定制無線傳感器物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的基礎(chǔ)。然后使用電路板的應(yīng)用程序和板載MEMS麥克風(fēng)，使用代碼描述一個真實的傳感實現(xiàn)示例。

模塊簡化藍牙

藍牙低功耗(BLE)提供多個優(yōu)勢包括低功耗，高安全性以及移動平臺(包括智能手機，平板電腦和筆記本電腦)的近乎普遍的可用性。雖然低成本收發(fā)器的廣泛應(yīng)用推動了藍牙連接的快速接受，但這些收發(fā)器仍然需要在RF設(shè)計方面的重要專業(yè)知識來構(gòu)建優(yōu)化設(shè)計。

藍牙模塊簡化設(shè)計，提供完整的RF子系統(tǒng)，需要工程師簡單地集成MCU和相關(guān)的子電路，以構(gòu)建支持藍牙的系統(tǒng)。諸如Silicon Labs Gecko MCU系列等無線SoC是這一發(fā)展的最新舉措，簡化了實施，同時減小了設(shè)計尺寸和成本。

例如，SiLabs EFR32MG1P Mighty Gecko MCU集成了32位ARM® Cortex®-M4內(nèi)核，存儲器，加密硬件加速器，DC/DC轉(zhuǎn)換器，多個外設(shè)以及用于2.4 GHz和sub-GHz通信的收發(fā)器(圖1)。

圖1：SiLabs EFR32MG1P無線SoC將完整的基于Cortex-M4的系統(tǒng)與先進的收發(fā)器相結(jié)合，能夠支持sub-GHz和2.4 GHz通信。 (圖片：Silicon Labs)

無線傳感器板

高度集成，高能效的無線SoC提供了現(xiàn)成的解決方案，但仍然讓設(shè)計人員負責(zé)實現(xiàn)傳感器接口，I/O連接，電源管理和RF。在電池供電的傳感器節(jié)點中，每個子系統(tǒng)都需要特別注意以確保最小的功耗。特別是，當(dāng)工程師處理包括天線匹配，布局和電磁干擾減輕在內(nèi)的RF優(yōu)化問題時，RF設(shè)計要求可能會減慢項目進程。

SiLabs Thunderboard Sense板為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供了即時，可擴展的解決方案。該電路板基于EFR32MG1P無線SoC，包括六個傳感器，8-Mbit閃存和高亮度RGB LED，以及用于用戶交互的雙色LED和按鈕(圖2)。此外，Thunderboard Sense可作為參考設(shè)計，用于實現(xiàn)基于上述EFR32MG1P Mighty Gecko無線SoC的定制藍牙IoT設(shè)計。

圖2：SiLabs Thunderboard Sense主板提供現(xiàn)成的電池供電的藍牙IoT設(shè)計，配備了大量傳感器并以全面的軟件環(huán)境為后盾。 (圖片：Silicon Labs)

Thunderboard Sense的設(shè)計僅適用于插入其板載連接器的CR2032紐扣電池。實際上，該設(shè)計強調(diào)從MCU本身開始的低功耗操作。 EFR32MG1P MCU在工作模式下僅消耗63μA/MHz，在DeepSleep模式下僅消耗1.4μA，從而保留RAM并保持實時時鐘運行。

然而，在無線傳感器設(shè)計中，功率優(yōu)化要求將電源管理應(yīng)用于外部傳感器及其調(diào)理電路。 Sense板將這些外圍電路分組到電源域，并使用專用的SiLabs EFM8SB MCU作為電源和中斷控制器來管理這些域。

例如，從電路板的內(nèi)置MEMS麥克風(fēng)獲取數(shù)據(jù)， EFR32MG1P MCU將0x01寫入EFM8SB外設(shè)控制器MCU中的ENV_SENSOR_CTRL寄存器。 EFM8SB反過來為低壓差(LDO)穩(wěn)壓器供電，為MEMS麥克風(fēng)和相關(guān)的模擬信號鏈供電(圖3)。接下來，來自EFM8SB的中斷信號使EFR32MG1P MCU通過其集成的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)開始數(shù)據(jù)采集。

圖3：Thunderboard Sense使用專用的EFM8SB MCU作為電源和中斷控制器，以優(yōu)化數(shù)字和模擬傳感器的功率利用率以及在他們的調(diào)理電路中。 (圖片：Silicon Labs)

該板還為高功率應(yīng)用或開發(fā)過程中的線路供電操作提供了替代供電選擇。例如，對于以高強度運行板載LED的應(yīng)用，您可以通過板內(nèi)置的連接器添加外部電池。此外，您還可以通過USB連接器或Mini Simplicity連接器為電路板供電。后一種方法還允許使用外部SiLabs調(diào)試器的高級能量監(jiān)控功能執(zhí)行精確的電流測量。

起點

使用Sense板和隨附的應(yīng)用程序只需幾個簡單的步驟。啟動Thunderboard應(yīng)用程序(從iOS App或Google Play商店)后，您只需為Thunderboard Sense主板供電，該主板立即開始通過藍牙進行自我宣傳，同時閃爍綠色LED。當(dāng)Thunderboard Sense出現(xiàn)在Thunderboard應(yīng)用程序上時，用戶選擇該設(shè)備并繼續(xù)使用特定應(yīng)用程序。

事實上，Thunderboard Sense主板和應(yīng)用程序為許多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序提供了現(xiàn)成的解決方案。除了作為現(xiàn)成的解決方案使用外，Thunderboard Sense還提供了允許開發(fā)人員輕松擴展其功能的功能。除了Micro-B USB連接器和SiLabs的Mini Simplicity連接器外，Thunderboard Sense還提供了20個分線焊盤，開發(fā)人員可以使用它們連接其他外圍設(shè)備或電路板。分線焊盤包含許多EFR32MG1P MCU I/O引腳，包括I 2 C和SPI引腳，以及主板電源，5 V電壓軌和3.3 V LDO電源軌。設(shè)計人員還可以利用EFR32MG1P MCU的靈活引腳布線來訪問其任何集成外設(shè)。

除了作為現(xiàn)成解決方案的實用性外，Thunderboard Sense硬件和附帶軟件提供了一個起點用于自定義IoT應(yīng)用程序。該設(shè)計解決了與I 2 C和SPI數(shù)字傳感器以及模擬外設(shè)和RF天線相關(guān)的常見接口問題。為了幫助加速基于Sense板的定制設(shè)計的開發(fā)，SiLabs為每個外設(shè)和IO提供完整的原理圖，包括一個合適的2.4 GHz匹配網(wǎng)絡(luò)，將MCU的2.4 GHz RF I/O引腳連接到板載芯片天線。

例如，MEMS麥克風(fēng)電路的原理圖為MEMS麥克風(fēng)輸出提供了模擬信號鏈的完整設(shè)計。在該電路中，德州儀器TLV342S運算放大器用于32.1 dB增益放大器級和用于Knowles SPV1840 MEMS麥克風(fēng)輸出的一階有源低通濾波器(圖4)。該設(shè)計將信號鏈的MIC輸出連接到MCU的12位逐次逼近寄存器(SAR)ADC，用于麥克風(fēng)數(shù)據(jù)采集。

圖4：除了Thunderboard Sense工具包的硬件和軟件外，Silicon Labs還提供裝配圖，材料清單和完整的原理圖，例如這種模擬信號調(diào)理電路用于MEMS麥克風(fēng)信號采集。 (圖片：Silicon Labs)

軟件設(shè)計和調(diào)試

Silicon Labs支持Thunderboard Sense套件，其中包含一系列可用于其免費Simplicity Studio開發(fā)環(huán)境的軟件庫。除了用于MCU硬件功能的軟件庫外，該軟件包還包括用于Thunderboard Sense的板級支持包(BSP)以及隨附的示例C代碼。例如，SenseApp模塊提供了一個BLE應(yīng)用程序，可將數(shù)據(jù)從其全套傳感器傳輸?shù)街悄苁謾C應(yīng)用程序。

除了作為正常運行的應(yīng)用程序之外，SenseApp代碼還說明了基于EFR32MG1P MCU實現(xiàn)IoT傳感器設(shè)計的關(guān)鍵軟件設(shè)計模式。例如，BLE堆棧接管實時時鐘，防止其用于應(yīng)用程序本身的定時事件。 SenseApp示例代碼演示了如何使用MCU軟件定時器定期輪詢各種軟件功能，包括傳感器數(shù)據(jù)捕獲功能。

在SenseApp應(yīng)用程序中，主程序啟動設(shè)備并開始等待無限循環(huán)對于一個事件并調(diào)用一個應(yīng)用程序事件處理程序來處理該事件(清單1)。

復(fù)制

while(1){

struct gecko_cmd_packet * evt;

/*檢查堆棧事件。 */

evt = gecko_wait_event();

/*運行應(yīng)用程序和事件處理程序。 */

appHandleEvents(evt);

}

清單1：SenseApp主程序中的實用程序循環(huán)不斷循環(huán)，將事件移交給事件處理程序以調(diào)用傳感器采樣等操作。 (列表：Silicon Labs)

位于app.c中， appHandleEvents 調(diào)用 RADIO_bleStackLoopIteration()(位于radio_ble.c中)，如果設(shè)備是不在藍牙廣告模式。如果連接處于活動狀態(tài)，則此例程輪流調(diào)用 connectionActiveIteration()(在radio_ble.c中)，它提供核心數(shù)據(jù)采樣功能。

connectionActiveIteration( )例程檢查板載按鈕的狀態(tài)，并定期調(diào)用負責(zé)更新每個板傳感器數(shù)據(jù)的服務(wù)程序。最后，此例程檢查麥克風(fēng)活動，如果麥克風(fēng)處于活動狀態(tài)，它會通過設(shè)置聲級并通過調(diào)用 MIC_start()函數(shù)啟動麥克風(fēng)數(shù)據(jù)采集來啟動麥克風(fēng)數(shù)據(jù)采集(清單2)

<跨度>復(fù)制 <代碼>

**************************** **************************************************/

void MIC_start(uint32_t nSamples)

{

if(nSamples> sampleBufferLen){

sampleCount = sampleBufferLen;

}

else {

sampleCount = nSamples;

}

if(!dmaBusy){

/*配置DMA */

DMADRV_PeripheralMemory(dmadrvChannelId，//channelId

dmadrvPeripheralSignal_ADC0_SCAN，//peripheralSignal

(void *)sampleBuffer，//* dst

(void *)&(ADC0 - > SCANDATA)，//* src

true，//dstInc

sampleCount，//len

dmadrvDataSize2，//size

dmaCompleteCallback，//callback

NULL);//* cbUserParam

adcEnable(true);

dmaBusy = true;

sampleBufferReady = false;

< p>}

返回;

}

清單2：mic.c模塊位于BSP包中，包括麥克風(fēng)支持例程，包括 MIC_start()例程，通過從MCU的片上ADC啟動DMA傳輸來執(zhí)行麥克風(fēng)數(shù)據(jù)采集。 (列表：Silicon Labs)

MIC_start()例程啟動來自MCU的片上ADC( dmadrvPeripheralSignal_ADC0_SCAN)的DMA傳輸，使用dmadrv.c模塊中的 DMADRV_PeripheralMemory 例程。 (如前所述，MEMS麥克風(fēng)信號鏈的輸出與MCU ADC相連。)該模塊是github上可用的SiLabs emdrv EnergyAware驅(qū)動程序庫的一部分。

完成ADC數(shù)據(jù)采集后序列， dmaCompleteCallback()回調(diào)例程禁用進一步的ADC采樣，并為下一輪采樣準(zhǔn)備設(shè)備。超越這個基本應(yīng)用程序，開發(fā)人員可以構(gòu)建這些代碼示例和基本設(shè)計模式，以實現(xiàn)更復(fù)雜的應(yīng)用程序特定功能。

結(jié)論

藍牙低功耗提供了一個特別引人注目的連接選項用于設(shè)計用于移動應(yīng)用程序的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序。盡管無線SoC減輕了設(shè)計負擔(dān)，但即使是這些高度集成的設(shè)備也需要額外的工作來實現(xiàn)全功能物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計所需的其他硬件和軟件組件。 SiLabs Thunderboard Sense套件基于Silicon Labs Mighty Gecko無線SoC，為移動連接的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供完整的現(xiàn)成解決方案，并作為更復(fù)雜的定制物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計的起點。