IoT恒温器:采用内置段式LCD控制器的全新超低功耗

发布于:2015/11/24 0:00:00 | 514 次阅读

  目前,市场上涌现出了越来越多的IoT(物联网)恒温器产品。本文阐述了如何使用Atmel?|SMART SAM L22微控制器(MCU)轻松打造一款IoT恒温器,并介绍了SAM L22 MCU作为段式LCD控制器平台实现恒温器应用的功能。SAM L22 MCU内置一个主频高达32MHz的ARM?Cortex?-M0+处理器,拓展了Atmel现有的超低功耗MCU系列。它专为本文描述的恒温器等人机接口(HMI)应用而设计,内置一个支持上至320段的段式显示控制器、一个用于实现按键、滑块和滚轮的外设触摸控制器(PTC)以及USB、Timer、SERCOM等可配置为USART、SPI和I2C接口的其它众多外设。
  IoT恒温器需要具备的四个重要功能
  低功耗
  与其它很多IoT应用一样,功耗是本恒温器样例的一个重要考虑因素。IoT应用通常是电池供电型,或者用户希望它们相比此前型号在提供更多功能的同时,减少电量消耗。SAM L22 MCU专为超低功耗应用而设计。使用闪存进行EEMBC Coremark测试时,其工作模式下的功耗低于39?A/MHz,待机模式下的功耗仅为1.87?A(RTC处于工作状态时)。
  SAM L22之所以能够实现上述超低功耗,凭借的是其独特的设计和众多特性。例如,功率级特性让其能够为具体任务选择正确的性能。控制器能够将内核电压从1.2V迅速切换到0.9V。降低内核电压可大幅降低总功耗,因为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的频率为12MHz;而当内核电压为1.2V时,CPU的频率为32MHz。例如,当内核电压为0.9V,频率为12MHz时,SAM L22计算斐波那契数列需要消耗28?A/MHz;当内核电压为1.2V,频率为32MHz时,同样计算却需要消耗37 ?A/MHz。正如您所见,更低的内核电压可以节省9?A/MHz。
  除了一个LDO调压器之外,SAM L22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电压测量的。在这个电压下,降压转换器的工作效率。这比LDO的效率高出很多,能够实现低功耗。
  SAM L22的另一个优势是一个DMA和Event System,它们能够在无需CPU参与的情况下实现数据通信和控制外设。各个外设在独立执行任务或相互控制时,Cortex-M0+处理器可以进入睡眠状态。
  这款MCU的模拟功能也是专为此类超低功耗应用而设计的。12位1MSPS ADC可在10Ksps和单端模式下测量一个温度传感器,仅需60?A用于模数转换。
  通信
  其次,IoT应用需要通过RF与互联网、智能手机、传感器、致动器或其它IoT设备通信。SAM L22提供多个I/O接口,用于连接各种RF模块和其它外设。它最多可配备6个片上SERCOM外设,足够用于将更多组件连接至恒温器。每个SERCOM外设可被配置为USART(同时支持ISO7816)、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SAM L22。内置USB可用于实现其它有线通信。该USB是一个无石英的全速USB设备,这意味着不需要一个精准的外部振荡器,从而降低了应用的物料成本(BOM)。此外,SAM L22 MCU还内置多个USB收发器和上拉电阻器,从而消除了USB连接的额外成本。
  安全性
  所有IoT应用都必须有一个重要组件:安全性。为了实现安全的通信,SAM L22 MCU配有一个256位的AES(硬件加密标准)外设。它可以在不增加软件开支的情况下进行加密和解密。此外,它还支持多种模式,如密码段链接模式(Cipher Block Chaining)、伽罗瓦计数器模式(Galois Counter Mode)等等。AES外设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,攻击者能够得知控制器的功耗,并利用这些数据探测出加解密密钥。通过采用这种方法,AES外设能够随机增加加解密运算的周期,加大攻击者探测出密钥的难度。SAM L22还内置一个真随机数生成器(TRNG)外设,它能够生成真随机数的所有84个周期。这个数对于加密至关重要,因为真随机数不能被预测,因此也不能通过数学方法被计算出来。随机数可用于通过IP网络进行身份验证。
  加密密钥可保存在备份区寄存器、闪存或SRAM中。为了提高安全性,SAM L22内置一个防篡改单元,它能够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件功能,删除SRAM、EEPROM、闪存或其它外部存储器中的加密密钥或其它数据。
  为了进一步增强安全性,SAM L22还内置活动层防护(Active Layer Protection)功能。信号通过PCB/外壳发送到防篡改输入端口。程序将对该输入信号与输出信号进行对比,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”。
  人机接口
  同样重要的是,IoT应用需要有一个人机接口(HMI)或用户界面。该IoT恒温器功能由最终用户通过智能手机控制。但它必须提供一个手动更改和监测温度的选项,因为智能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(SLCD)显示器可向用户显示温度和其它信息。段式LCD控制器最多可控制320个段,而且能够从52个LCD I/O引脚中灵活地选择48个LCD引脚。设计人员还可以选择未使用的LCD引脚,用于实现SERCOM等辅助功能或模拟功能。每个段式LCD引脚还能被用作一个普通的GPIO。
  此外,SLCD控制器还支持各种用于降低功耗的功能。例如,可以通过DMA将数据从SRAM/闪存发送到显示器缓冲区。它还支持Atmel SleepWalking技术。
  硬件特征映射、自动位映射(ABM)和闪烁(blinking)功能能够以极低的功耗改变段式LCD上显示的内容。这种改变不需要大功率内核。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控制器的一个硬件功能。
  除了能够通过WLAN或蓝牙远程更改设置或温度之外,用户还能在恒温器上执行这些任务。SAM L22支持最的Atmel QTouch?技术,其中包括采用互电容触控(Atmel QMatrix?,最多256个触控节点)技术和自电容触控(QTouch,最多24个触控节点)技术的按键、滑块和滚轮。SAM L22可为此类应用提供足够多的触控通道。借助先进的Atmel技术,触控按键直接集成到段式LCD的铟锡氧化物(ITO)层上。触控输入可用于升降温度,或选择其它房间中的加热器或传感器。
  该款恒温器的功能
  该款恒温器通过RF(射频,比如说Zigbee)监测不同房间中的无线温度传感器,并控制其中的加热器。用户可以通过WLAN或低功耗蓝牙协议、家庭网络或互联网,并使用智能手机对其进行控制,或直接使用触控按键进行控制。
  SAM L22内置的ADC可以测量恒温器周围的温度,其对来自温度传感器的外部数值进行数字化处理。内部温度传感器可用于控制外部数值,以便进行交叉核对。SAM L22 MCU 的内部温度传感器提供两点测量功能,为 +-1°C(0°C-60°C)。
  另一条ADC通道也可用于测量电池电压。BOD(欠压检测)功能可检测出较低的电压,并自动关闭系统,以防出现故障。
  启动开发项目
  设计人员可以使用Atmel SAML22-Xplained Pro评估板和[i]和Atmel Studio 7[ii]轻松启动他们的开发项目。Atmel Studio是一个的协作集成开发平台(IDP),提供启动软件开发项目所需的一切,其中包括IDE、GNU C/C++编译器、Atmel Software Framework(ASF)、Atmel START、Atmel Gallery和Atmel Spaces。SAML22-XPro是Atmel Xplained-Pro评估板系列的一部分,其采用USB供电,并内置一个段式显示器、一个调试器和多个用于连接Xpro评估板的连接器。例如,ATWINC1500-XSTK可用于增加Wi-Fi功能或连接您自己的原型开发板。此外,SAML22-Xpro评估板还内置嵌入式电流测量电路。结合使用Atmel Studio和Atmel Data Visualizer可以显示电流消耗,以便能让用户查看MCU在哪些软件程序或软件程序的哪些部分需要使用最多的电流。
  为了加快IoT恒温器和其它IoT用于的开发,Atmel将于2016年季度提供一款基于IoT的恒温器样品。
  结束语
  内置段式LCD控制器的超低功耗Atmel | SMART SAM L22 MCU以及Atmel Studio、Xplained Pro评估板、无线扩展等工具可帮助您轻松快速地开发出一款IoT恒温器。
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