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用MCU打造智能恒温器_从功耗通讯/人机介面逐个击破

2018年02月14日 09:39 次阅读

在物联网风潮的驱动下,恒温器已朝向物联网与智慧化发展。微控制器(MCU)开发商遂推出低功耗,且具备段式LCD显示控制与Wi-Fi/蓝牙/ZigBee无线连结支援能力,以及256位元AES先进加密功能的新方案,助力智慧型恒温器应用发展。

目前,市场上涌现出越来越多的物联网(IoT)恒温器产品。本文阐述如何使用微控制器(MCU)打造IoT恒温器,并以爱特梅尔(Atmel)SMART SAM L22 MCU为例,同时也介绍此MCU作为段式液晶显示器(LCD)控制器平台实现恒温器应用的功能。该MCU内置一个主频32MHz的ARM Cortex-M0+处理器,拓展该公司现有的低功耗MCU系列。它专为本文描述的恒温器等人机介面(HMI)应用而设计,内置一个支持上至三百二十段的段式显示控制器、一个用于实现按键、滑块和滚轮的外接周边设备触摸控制器(PTC)以及USB、TImer、SERCOM等可配置为USART、SPI和I2C介面的其他众多外接的周边设备。 低功耗/通讯/安全性 IoT恒温器必备功能

IoT应用强调万物联网,因此IoT恒温器也须具备联网通讯功能,此外为因应设备功能与资料传输增多,其亦须符合低功耗、安全性和简易使用的人机介面等特性。

用MCU打造智能恒温器_从功耗通讯/人机介面逐个击破

低功耗

与其他很多IoT应用一样,功耗是IoT恒温器的重要考虑因素。IoT应用通常是电池供电型,或者用户希望它们比之前型号在提供更多功能的同时,减少电量消耗。 SAM L22 MCU专为低功耗应用而设计。使用快闪记忆体进行EEMBC Coremark测试时,其工作模式下的功耗低于39μA/MHz,待机模式下的功耗仅为1.87μA(RTC处于工作状态时)。 此MCU之所以能实现上述低功耗,凭藉的是其独特设计和众多特性。例如功率级特性让其能为具体任务选择正确的性能。控制器能将内核电压从1.2伏特(V)迅速切换到0.9V。降低内核电压可大幅降低总功耗,因为中央处理器(CPU)的功耗随着频率和电压的升高而增加。当内核电压为0.9V时,CPU的最大频率为12MHz;而当内核电压为1.2V时,CPU的最大频率为32MHz。例如当内核电压为0.9V,频率为12MHz时,该MCU计算一次斐波那契数列须消耗28μA/MHz;当内核电压为1.2V,频率为32MHz时,同样计算却须消耗37μA/MHz。

除了一个低压差稳压器(LDO)之外,该款MCU还内置一个降压转换器。此前的功耗是采用降压转换器和3.3V电压测量。在此电压下,降压转换器的工作效率最高。这比LDO的效率高出很多,能实现低功耗。

此MCU的另一个优势是直接记忆体存取(DMA)和事件系统(Event System),它们能在无需CPU参与的情况下,实现资料通讯和控制外接的周边设备。各个外接的周边设备在独立执行任务或相互控制时,Cortex-M0+处理器可进入睡眠状态。

这款MCU的模拟功能也是专为此类低功耗应用而设计的。12位1MSPS类比数位转换器(ADC)可在10Ksps和单端模式下测量温度感测器,仅需60μA用于模数转换。

通讯

其次,IoT应用须通过射频(RF)与互联网、智慧手机、感测器、致动器或其他IoT设备通讯。此MCU提供多个输入/输出(I/O)介面,用于连接各种RF模组和其他外接的周边设备。它最多可配备六个片上SERCOM外接的周边设备,足够用于将更多元件连接至恒温器。每个SERCOM外接的周边设备可被配置为USART、UART、SPI或I2C。Atmel SmartConnect WINC3400 Wi-Fi/蓝牙组合解决方案或面向ZigBee设备的SAM R21都可以通过I2C或SPI连接该款MCU。内置USB可用于实现其他有线通讯。该USB是一个无石英的全速USB设备,这意味着无需精准的外部振荡器,从而降低应用的物料成本(BOM)。

安全性

所有IoT应用都必须有重要元件:安全性。为了实现安全的通讯,该款MCU配有一个256位元的先进加密标准(AES)外接的周边设备。它可以在不增加软体开支的情况下进行加密和解密。此外,它还支援多种模式,如密码段连结模式(Cipher Block Chaining)、伽罗瓦计数器模式(Galois Counter Mode)等等。

AES外接的周边设备内置抗差分功耗分析攻击(DifferenTIal Power Analysis Attacks)措施。通过差分功耗分析,攻击者能得知控制器的功耗,并利用这些资料探测出加解密金钥。

通过采用这种方法,AES外接的周边设备能随机增加加解密运算的周期,加大攻击者探测出金钥的难度。此MCU还内置一个真乱数产生器(TRNG)外接的周边设备,它能生成真乱数的所有八十四个周期。这个数对于加密至关重要,因为真乱数不能被预测,因此也不能通过数学方法被计算出来。乱数可用于通过IP网路进行身份验证。

加密金钥可保存在备份区暂存器、快闪记忆体或静态随机存取记忆体(SRAM)中。为了提高安全性,此MCU内置一个防篡改单元,它能检测出是否有人试图打开恒温器。防篡改引脚与恒温器的外壳相连。当攻击者通过机械方式打开恒温器的外壳时,防篡改线将断裂,从而检测到篡改攻击。

在这种情况下,防篡改单元将发起“事件”,内核则执行相应的软体功能,删除SRAM、串列电子抹除式可复写唯读记忆体(EEPROM)、快闪记忆体或其他外部记忆体中的加密金钥或其他资料。

为进一步增强安全性,该MCU还内置活动层防护(AcTIve Layer ProtecTIon)功能。

讯号通过印刷电路板(PCB)/外壳发送到防篡改输入埠。程式将对该输入讯号与输出讯号进行对比,如果不匹配,则检测到篡改。如果攻击者在PCB上钻孔,并剪断PCB上的防篡改线,该功能也将检测到篡改,并发起“事件”。

人机介面

同样重要的是,IoT应用需有人机介面(HMI)或使用者介面。该IoT恒温器功能由最终用户通过智慧手机控制。但它须提供一个手动更改和监测温度的选项,因为智慧手机有可能发生故障或者丢失。

在这种情况下,内置的段式LCD显示器可向使用者显示温度和其他资讯。段式LCD控制器最多可控制三百二十个段,而且能从五十二个LCD I/O引脚中选择四十八个LCD引脚。设计人员还可选择未使用的LCD引脚,用于实现SERCOM等协助工具或模拟功能。

此外,SLCD控制器还支持各种用于降低功耗的功能。例如可通过DMA将资料从SRAM/快闪记忆体发送到显示器缓冲区。

硬体特征映射、自动位元映射(ABM)和闪烁(Blinking)功能能以极低的功耗改变段式LCD上显示的内容。这种改变无需大功率内核。很多恒温器在它们的显示器上显示当前时间。闪烁功能用于显示秒,同时也是段式LCD控制器的一个硬体功能。

除了能通过无线区域网路(WLAN)或蓝牙远端更改设置或温度之外,使用者还能在恒温器上执行这些任务。此MCU支援Atmel QTouch技术,其中包括采用互电容触控技术和自电容触控技术的按键、滑块和滚轮。该款MCU可为此类应用提供足够多的触控通道。借助Atmel技术,触控按键直接整合到段式LCD的铟锡氧化物(ITO)层上。触控输入可用于升降温度,或选择其他房间中的加热器或感测器。

智慧/触控控制 恒温器更聪明

该款恒温器藉由RF监测不同房间中的无线温度感测器,并控制其中的加热器。使用者可通过WLAN或低功耗蓝牙协议、家用网路或互联网,并使用智慧手机对其进行控制,或直接使用触控按键进行控制。

此MCU内置的ADC能测量恒温器周围的温度,其对来自温度感测器的外部数值进行数位化处理。内部温度感测器可用于控制外部数值,以便进行交叉核对。而MCU的内部温度感测器提供两点测量功能,精度为±1℃(0∼60℃)。

另一条ADC通道也可用于测量电池电压。欠压检测(BOD)功能可检测出较低的电压,并自动关闭系统,以防出现故障。

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发表于 2018-01-31 16:06 1981次阅读
传感器从过去对于低功耗的需求转变成对于准确度的更...

MCU在电脑和手机上有哪些应用

MCU在当前手机与平板电脑应用中主要用作诸如电容式触摸感应接口、触摸屏接口、摄像头接口、不同模拟传感...

发表于 2018-01-29 07:59 243次阅读
MCU在电脑和手机上有哪些应用

基于MC3361+MCU结构的低速光纤通信模块设...

光纤通信做为一种新兴的高性能的串行通信技术,已经在电力领域逐步展开应用。目前的光纤通信模块大多使用F...

发表于 2018-01-29 05:52 258次阅读
基于MC3361+MCU结构的低速光纤通信模块设...

DDR硬件设计的四大注意要点

有的芯片还有VDDL,是给DLL供电的,也和VDD使用同一电源即可。电源设计时,需要考虑电压,电流是...

发表于 2018-01-26 01:16 413次阅读
DDR硬件设计的四大注意要点

介绍如何通过意法的STM32 MCU实现用DMA...

在嵌入式产品中有时候需要实现对外部的模拟量进行采样处理和记录,而这就需要使用到ADC功能,将外部的模...

发表于 2018-01-24 15:41 1670次阅读
介绍如何通过意法的STM32 MCU实现用DMA...

英特尔:加速FPGA创新发展,创新FPGA+MC...

如今从汽车、网络、物联网到数据中心,FPGA无处不在。过去十年Altera在汽车领域发售了5500多...

发表于 2018-01-24 11:07 439次阅读
英特尔:加速FPGA创新发展,创新FPGA+MC...

解析新能源汽车的三级模块体系和平台架构

整车控制器(VCU)、电机控制器(MCU)和电池管理系统(BMS)是最重要的核心技术,对整车的动力性...

发表于 2018-01-24 09:18 2266次阅读
解析新能源汽车的三级模块体系和平台架构

Comcast推Xfinity智能家庭方案 集成...

据报导,Xfinity Communities的服务主要包含 五大块,分别是有线电视、上网服务、市内...

发表于 2018-01-22 12:53 152次阅读
Comcast推Xfinity智能家庭方案 集成...

GLAS智能恒温器 半透明屏幕为设计亮点

美商江森自控(Johnson Controls)在135年前发明第一台恒温器,现在这台恒温器正在迈向...

发表于 2018-01-22 09:19 114次阅读
GLAS智能恒温器 半透明屏幕为设计亮点

详细解析MCU降功耗的6个方法

降功耗对于一款使用电池供电的产品来说是至关重要的。当然这项工作不只是软件开发人员的责任,还需要硬件工...

发表于 2018-01-21 11:01 1831次阅读
详细解析MCU降功耗的6个方法

基于MSO的混合信号系统测试与调试[图]

嵌入式系统中,MCU和DSP的应用非常普遍,模拟信号和各种数字信号同时存在。传统上,工程师分别使用示...

发表于 2018-01-18 09:39 230次阅读
基于MSO的混合信号系统测试与调试[图]

基于16-bit MCU实现超低功耗运动检测系统...

谐振 LC 传感器技术用于运动检测已有数年,包括流量计量以及其它低速转动检测系统等。几乎在所有情况下...

发表于 2018-01-18 09:05 236次阅读
基于16-bit MCU实现超低功耗运动检测系统...

设计开发要关注处理器周期,破解及其预防措施

众所周知,ASIC提供了很好地保护措施来防止多种攻击,只有极少数经验丰富且装备精良的破解者才有可能成...

发表于 2018-01-17 08:45 1716次阅读
设计开发要关注处理器周期,破解及其预防措施

基于MCU的模块定时器的详细解析

在MCU中(M16),定时器是独立的一个模块,M16有三个独立的定时器模块,即T/C0、T/C1和T...

发表于 2018-01-16 09:42 896次阅读
基于MCU的模块定时器的详细解析

市场上MCU供应出现短缺,涨价潮已成定局

半导体“MCU(微控制器芯片)”及全球汽车电子芯片龙头大厂NXP(恩智浦),宣布第一季开始,旗下产品...

发表于 2018-01-12 16:14 1704次阅读
市场上MCU供应出现短缺,涨价潮已成定局

msp430介绍_msp430上拉电阻的使用

MSP430的输入输出均可以设置上拉和下拉电阻。上下拉是否开启是由REN寄存器决定的,而是上拉还是下...

发表于 2018-01-12 10:23 375次阅读
msp430介绍_msp430上拉电阻的使用

msp432介绍_msp432的特点

MSP432MCU具有大量集成功能(包括MSP432P4的高性能ADC和低功耗以及MSP432E4的...

发表于 2018-01-12 10:08 609次阅读
msp432介绍_msp432的特点

MCU+MPU双处理器架构的电力馈线终端设计方案

目前市面上大多电力FTU产品均采用MCU+MPU双处理器架构,以利用MCU的实时性和MPU上运行的稳...

发表于 2018-01-12 09:24 2650次阅读
MCU+MPU双处理器架构的电力馈线终端设计方案

未来16位MCU市场逐渐萎缩 并重新定义 MC...

在ARM核心的开放开发环境之下,研发人员利用32位元微控制器(MCU)开发应用的成本逐渐降低,芯片价...

发表于 2018-01-10 14:43 1616次阅读
未来16位MCU市场逐渐萎缩  并重新定义 MC...

STM32 系列MCU 不同型号的移植步骤解析

STM32 系列MCU 不同型号的移植!

发表于 2018-01-10 10:45 1929次阅读
STM32 系列MCU 不同型号的移植步骤解析

基于PIC16F1779的8位MCU高性能LED...

开关模式可调光LED驱动器凭借其高效性以及对LED电流的精确控制而闻名。这类LED驱动器还可以提供调...

发表于 2018-01-07 10:17 1952次阅读
基于PIC16F1779的8位MCU高性能LED...

华大半导体提出了“一静一动”的产品布局 深度挖掘...

在整个物联网蓬勃发展的当下,华大半导体提出了“一静一动”的产品布局:通过超低功耗技术紧扣各类终端设备...

发表于 2018-01-06 10:03 1521次阅读
华大半导体提出了“一静一动”的产品布局 深度挖掘...

对于ARM、MCU、DSP、FPGA、SOC的介...

ARM处理器是Acorn计算机有限公司面向低预算市场设计的第一款RISC微处理器。更早称作Acorn...

发表于 2018-01-05 11:36 1106次阅读
对于ARM、MCU、DSP、FPGA、SOC的介...

详细剖析在嵌入式系统开发中选择适合的MCU平台

随着物联网产业的蓬勃发展,出现的问题也越来越多:MCU平台怎样能让开发的产品更好地做到安全的互联互通...

发表于 2018-01-05 10:49 1174次阅读
详细剖析在嵌入式系统开发中选择适合的MCU平台

一文让你了解MCU及物联网操作系统演进

NXP市场总监王维MCU与IoT OS演进的演讲实录。

发表于 2018-01-03 07:20 3499次阅读
一文让你了解MCU及物联网操作系统演进

聚焦三大产品线,华大半导体展示最强“中国芯”!

随着国内集成电路产业快速发展,相关厂商也迎来了良好的发展机遇,其中一直由国外厂商把控的MCU市场也迎...

发表于 2018-01-02 11:33 2687次阅读
聚焦三大产品线,华大半导体展示最强“中国芯”!

探讨当今不断增强的嵌入式 MCU 的丰富功能以及...

作为物联网产品的核心, MCU 是否合适是满足客户当前和未来需求的关键。本文将探讨当今不断增强的嵌入...

发表于 2017-12-28 09:18 1418次阅读
探讨当今不断增强的嵌入式 MCU 的丰富功能以及...

对MCU破解技术做个简单分析

大家可能都知道破解51单片机是很容易的,但为什么容易,又是如何来破解的,可能很多人就不大清楚了,我在...

发表于 2017-12-26 09:16 1203次阅读
对MCU破解技术做个简单分析

一文读懂嵌入式LCD的接口和驱动方式,赶紧收藏起...

LCD的接口有多种,分类很细。主要看LCD的驱动方式和控制方式,目前手机上的彩色LCD的连接方式一般...

发表于 2017-12-26 07:22 2238次阅读
一文读懂嵌入式LCD的接口和驱动方式,赶紧收藏起...

基于8键控制8灯显示设计与仿真

用8个按键(K0-K7)控制8个发光二极管,每个按键独自控制1个LED的亮灭,当按下K0时,对应D0...

发表于 2017-12-25 16:48 1352次阅读
基于8键控制8灯显示设计与仿真

对比了8位MCU和32位MCU的使用案例来作为选...

该如何对8位以及32位的MCU进行选择?8位和32位MCU在功能上仍是互为辅助、各有千秋,这其中的诀...

发表于 2017-12-25 15:59 1245次阅读
对比了8位MCU和32位MCU的使用案例来作为选...

MCU明年持续供不应求涨价继续

欧洲半导体巨头NXP公司对其代理商发出了涨价通知。通知称,将从2018年第一季度开始对NXP旗下MC...

发表于 2017-12-25 11:27 1347次阅读
MCU明年持续供不应求涨价继续

华大半导体国产工控MCU的希望

在物联网时代,各类终端需求的持续发酵下,市场重燃了对MCU这个已面世数十年产品的热情。无论是国际知名...

发表于 2017-12-22 14:34 1904次阅读
华大半导体国产工控MCU的希望