具有復(fù)雜模擬功能的小型MCU如何在電池供電應(yīng)用中節(jié)省電路板空間和系統(tǒng)成本

在開發(fā)安防系統(tǒng)和無線醫(yī)療監(jiān)測設(shè)備等應(yīng)用時，設(shè)計的成功與否取決于諸多因素。然而，對于這類電池供電的聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，設(shè)計復(fù)雜性和電源效率可能是其中最為重要的因素。這是因為，如需延長終端應(yīng)用所需的電池壽命，就必須降低平均功耗。為了打造可靠且壽命更長的設(shè)計，同時更好地滿足這類應(yīng)用的功耗要求，設(shè)計人員應(yīng)首先考慮使用外形小巧，內(nèi)置智能、復(fù)雜的特性和功能，同時具有節(jié)能效果的單片機(MCU)。此類MCU能夠處理應(yīng)用所需的大多數(shù)任務(wù)，因此有助于降低傳感器節(jié)點設(shè)計對外部無源元件的需求，同時具有低功耗和其他內(nèi)置特性，能夠提高靈活性和簡便性。

例如，在設(shè)計家庭安防系統(tǒng)等應(yīng)用的電池供電傳感器節(jié)點時，通常會在住宅內(nèi)外使用無源紅外(PIR)傳感器檢測可疑的運動。PIR傳感器可檢測傳感器元件所感知的紅外輻射量的變化，這種變化會因傳感器檢測范圍內(nèi)物體的溫度和表面特性而有所不同。當有人經(jīng)過傳感器檢測范圍時，傳感器會檢測到環(huán)境溫度變?yōu)槿梭w體溫，然后再恢復(fù)至環(huán)境溫度。它會將人進入時所引起的紅外輻射量變化轉(zhuǎn)換為輸出電壓(VPIR(t))的變化。對于與環(huán)境溫度相同但表面特性不同的其他物體，傳感器也會檢測到不同的輻射模式，如圖1所示。

圖1.PIR傳感器運動檢測原理

PIR傳感器的輸出信號電平通常非常低，不足1 mV。若要檢測到運動同時避免誤檢，需要先將模擬信號放大再由模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)進行采樣。在典型的PIR解決方案中，信號放大使用高增益多級運算放大器(Op Amp)實現(xiàn)，而這會提高設(shè)計的復(fù)雜性、增加元件數(shù)量、降低電源效率和增加成本等。請繼續(xù)閱讀下文，了解小巧又節(jié)能的MCU如何幫助降低這些不利影響。

設(shè)計復(fù)雜性

若PIR傳感器節(jié)點設(shè)計基于具有所需功能集(如12位差分ADC和可編程增益放大器(PGA))的小型MCU，則可降低對外部元件的需求，并可節(jié)省電路板空間和物料清單(BOM)成本。因此，可以考慮使用MickroE的PIR click傳感器。它是一塊印刷電路板(PCB)，其中包含了形成正常工作的PIR傳感器節(jié)點所需的所有無源元件。該click板基于運放解決方案，ADC、電阻和電容均已包括在內(nèi)，因此可開箱即用，便于輕松進行原型設(shè)計和評估。為便于輕松進行原型設(shè)計，可以采用的典型設(shè)置為，將PIR click板與Microchip適用于Click boards?的Curiosity Nano基板和Curiosity Nano評估工具包搭配使用。如果使用Microchip Technology具有12位差分ADC和PGA的ATtiny1627等MCU，PIR傳感器節(jié)點解決方案可以獲得優(yōu)勢。由于無需使用外部運放放大信號，可顯著減少外部元件的數(shù)量。再加上無需外部ADC，因此還可以省去電阻和電容等其他多種無源元件。

因此，使用此類MCU，可顯著減少PIR click的PCB布線工作。圖2展示了可以省去的元件(X)以及新的連接方式(藍色線條)。

注：圖中展示了在PIR click的基礎(chǔ)上進行修改的示例，因為這種修改比設(shè)計新的PCB并獲取所需元件更為方便。修改后的解決方案與click板的用途并不沖突。

圖2.PIR click修改示例和原理圖

經(jīng)過上述修改后，即可利用內(nèi)置的12位差分ADC和PGA。選擇適合的MCU后，可大大減少所需的外部元件，如圖3所示。

圖3.修改后的PIR click和原理圖

減少所用的外部元件后，如需替換外部元件，要考慮的硬件注意事項也相應(yīng)減少，因此硬件和PCB設(shè)計更為整潔、緊湊。此外，由于更多任務(wù)都在MCU中處理，軟件和固件也更加緊湊和高效。時序和同步的管理也更為方便簡潔。

若將傳感器節(jié)點設(shè)計的大部分復(fù)雜性從硬件轉(zhuǎn)移至MCU和中央處理單元(CPU)并在固件中加以管理，在開發(fā)過程中就可以更為靈活地更改和添加功能，而無需花費時間重新設(shè)計電路板布局，從而能夠節(jié)省設(shè)計時間和成本。同時，針對功耗等其他因素的代碼優(yōu)化也更為方便。只需更改參數(shù)設(shè)置，設(shè)計人員就能更改應(yīng)用程序代碼來添加功能，或優(yōu)化代碼來降低功耗或與環(huán)境條件相關(guān)的敏感性。當環(huán)境溫度超過30°C時，傳感器在有人進入檢測范圍時可能很難檢測到，而優(yōu)化代碼可降低系統(tǒng)對環(huán)境溫度變化的敏感性。在添加功能時，可以添加機器學習功能，用于識別運動模式并幫助系統(tǒng)學習如何區(qū)分噪聲或人與動物的運動等。

對于使用PIR傳感器的運動檢測應(yīng)用，ATtiny1627等MCU內(nèi)置有所需的大部分功能，因此可將設(shè)計的復(fù)雜性從硬件轉(zhuǎn)移至固件和軟件。如此便可降低復(fù)雜性，同時提高靈活性。

電源效率

對無線傳感器節(jié)點而言，功耗是一項重要考量因素。這是因為電池的使用壽命越長，傳感器節(jié)點的使用壽命就越長，因此整個傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的使用壽命也就越長。這一點對所有無線傳感器系統(tǒng)都適用。如果已安裝數(shù)十、數(shù)百甚至數(shù)千個傳感器來實現(xiàn)不同的監(jiān)測功能，當節(jié)點關(guān)閉時，則該節(jié)點將被視為死亡或功能異常。對于較大型的傳感器系統(tǒng)，更換電池或節(jié)點本身意味著為最終用戶帶來額外成本，并且在節(jié)點處于關(guān)閉狀態(tài)時，系統(tǒng)將會失效或無法充分發(fā)揮作用，因此在發(fā)生意外事件時可能不會發(fā)出通知。因此，電池的使用壽命越長越好。

由于MCU具有休眠模式并且可快速喚醒，每個傳感器節(jié)點的功耗都可以達到非常低的水平。節(jié)點可以休眠，當在傳感器檢測范圍內(nèi)出現(xiàn)溫度變化并由此檢測到運動時，節(jié)點就會快速喚醒，并在完成信號處理后返回休眠模式。因此，能夠延長每個電池供電節(jié)點的工作時間，而無需更換電池。請參見圖4，了解使用休眠模式和快速喚醒時CPU的運行方式。功耗取決于具體應(yīng)用，并且會根據(jù)PIR傳感器的配置、采樣時間和濾波參數(shù)而有所不同，這些因素也會影響傳感器的檢測范圍和/或靈敏度。若應(yīng)用需要達到更低的功耗，可以對這些參數(shù)進行調(diào)整，進一步降低功耗。

圖4. 固件時序圖

ATtiny1627等MCU外形小巧且功能強大，并且內(nèi)置有智能、復(fù)雜的特性和功能，可改進電流消耗和功耗效率，從而延長電池供電聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的使用壽命，同時降低設(shè)計復(fù)雜性、削減系統(tǒng)總成本和縮短上市時間。