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Microchip Technology MCU8 Stian Sogstad 在開(kāi)發(fā)安防系統(tǒng)和無(wú)線醫(yī)療監(jiān)測(cè)設(shè)備等應(yīng)用時(shí)，設(shè)計(jì)的成功與否取決于諸多因素。然而，對(duì)于這類電池供電的聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，設(shè)計(jì)復(fù)雜性和電源效率可能是其中最為重要的因素。這是因?yàn)椋缧柩娱L(zhǎng)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(zhǎng)的設(shè)計(jì)，同時(shí)更好地滿足這類應(yīng)用的功耗要求，設(shè)計(jì)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(shí)具有節(jié)能效果的單片機(jī)（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(diǎn)設(shè)計(jì)對(duì)外部無(wú)源元件的需求，同時(shí)具有低功耗和其他內(nèi)置特性，能夠提高靈活性和簡(jiǎn)便性。 例如，在設(shè)計(jì)家庭安防系統(tǒng)等應(yīng)用的電池供電傳感器節(jié)點(diǎn)時(shí)，通常會(huì)在住宅內(nèi)外使用無(wú)源紅外（PIR）傳感器檢測(cè)可疑的運(yùn)動(dòng)。PIR傳感器可檢測(cè)傳感器元件所感知的紅外輻射量的變化，這種變化會(huì)因傳感器檢測(cè)范圍內(nèi)物體的溫度和表面特性而有所不同。當(dāng)有人經(jīng)過(guò)傳感器檢測(cè)范圍時(shí)，傳感器會(huì)檢測(cè)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(huì)將人進(jìn)入時(shí)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(duì)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(huì)檢測(cè)到不同的輻射模式，如圖1所示。 
圖1.PIR傳感器運(yùn)動(dòng)檢測(cè)原理 No movement 無(wú)運(yùn)動(dòng) Movement in front of sensor 在傳感器檢測(cè)范圍內(nèi)發(fā)生運(yùn)動(dòng) Movement stopped 運(yùn)動(dòng)停止 Movement away from sensor 離開(kāi)傳感器檢測(cè)范圍的運(yùn)動(dòng) Sensor Output Voltage VPIR(T) 傳感器輸出電壓VPIR(t) Time 時(shí)間 PIR傳感器的輸出信號(hào)電平通常非常低，不足1 mV。若要檢測(cè)到運(yùn)動(dòng)同時(shí)避免誤檢，需要先將模擬信號(hào)放大再由模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）進(jìn)行采樣。在典型的PIR解決方案中，信號(hào)放大使用高增益多級(jí)運(yùn)算放大器（Op Amp）實(shí)現(xiàn)，而這會(huì)提高設(shè)計(jì)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(qǐng)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(jì)復(fù)雜性 若PIR傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)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(duì)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(diǎn)所需的所有無(wú)源元件。該click板基于運(yùn)放解決方案，ADC、電阻和電容均已包括在內(nèi)，因此可開(kāi)箱即用，便于輕松進(jìn)行原型設(shè)計(jì)和評(píng)估。為便于輕松進(jìn)行原型設(shè)計(jì)，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(píng)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(diǎn)解決方案可以獲得優(yōu)勢(shì)。由于無(wú)需使用外部運(yùn)放放大信號(hào)，可顯著減少外部元件的數(shù)量。再加上無(wú)需外部ADC，因此還可以省去電阻和電容等其他多種無(wú)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(lán)色線條）。 注：圖中展示了在PIR click的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改的示例，因?yàn)檫@種修改比設(shè)計(jì)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(guò)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(xiàng)也相應(yīng)減少，因此硬件和PCB設(shè)計(jì)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(shí)序和同步的管理也更為方便簡(jiǎn)潔。 若將傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)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(kāi)發(fā)過(guò)程中就可以更為靈活地更改和添加功能，而無(wú)需花費(fèi)時(shí)間重新設(shè)計(jì)電路板布局，從而能夠節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間和成本。同時(shí)，針對(duì)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(jì)人員就能更改應(yīng)用程序代碼來(lái)添加功能，或優(yōu)化代碼來(lái)降低功耗或與環(huán)境條件相關(guān)的敏感性。當(dāng)環(huán)境溫度超過(guò)30°C時(shí)，傳感器在有人進(jìn)入檢測(cè)范圍時(shí)可能很難檢測(cè)到，而優(yōu)化代碼可降低系統(tǒng)對(duì)環(huán)境溫度變化的敏感性。在添加功能時(shí)，可以添加機(jī)器學(xué)習(xí)功能，用于識(shí)別運(yùn)動(dòng)模式并幫助系統(tǒng)學(xué)習(xí)如何區(qū)分噪聲或人與動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)等。 對(duì)于使用PIR傳感器的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)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(jì)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(shí)提高靈活性。 電源效率 對(duì)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)而言，功耗是一項(xiàng)重要考量因素。這是因?yàn)殡姵氐氖褂脡勖介L(zhǎng)，傳感器節(jié)點(diǎn)的使用壽命就越長(zhǎng)，因此整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的使用壽命也就越長(zhǎng)。這一點(diǎn)對(duì)所有無(wú)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(gè)傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的監(jiān)測(cè)功能，當(dāng)節(jié)點(diǎn)關(guān)閉時(shí)，則該節(jié)點(diǎn)將被視為死亡或功能異常。對(duì)于較大型的傳感器系統(tǒng)，更換電池或節(jié)點(diǎn)本身意味著為最終用戶帶來(lái)額外成本，并且在節(jié)點(diǎn)處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)將會(huì)失效或無(wú)法充分發(fā)揮作用，因此在發(fā)生意外事件時(shí)可能不會(huì)發(fā)出通知。因此，電池的使用壽命越長(zhǎng)越好。 由于MCU具有休眠模式并且可快速喚醒，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的功耗都可以達(dá)到非常低的水平。節(jié)點(diǎn)可以休眠，當(dāng)在傳感器檢測(cè)范圍內(nèi)出現(xiàn)溫度變化并由此檢測(cè)到運(yùn)動(dòng)時(shí)，節(jié)點(diǎn)就會(huì)快速喚醒，并在完成信號(hào)處理后返回休眠模式。因此，能夠延長(zhǎng)每個(gè)電池供電節(jié)點(diǎn)的工作時(shí)間，而無(wú)需更換電池。請(qǐng)參見(jiàn)圖4，了解使用休眠模式和快速喚醒時(shí)CPU的運(yùn)行方式。功耗取決于具體應(yīng)用，并且會(huì)根據(jù)PIR傳感器的配置、采樣時(shí)間和濾波參數(shù)而有所不同，這些因素也會(huì)影響傳感器的檢測(cè)范圍和/或靈敏度。若應(yīng)用需要達(dá)到更低的功耗，可以對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)一步降低功耗。
圖4. 固件時(shí)序圖 The CPU wakes up compares the measured result to the threshold to determine if a motion detection event has occurred or not. CPU喚醒，將測(cè)得的結(jié)果與閾值進(jìn)行比較，確定是否發(fā)生運(yùn)動(dòng)檢測(cè)事件。 The ADC is periodically measurning the input from the PIR sensor. ADC會(huì)定期測(cè)量來(lái)自PIR傳感器的輸入。 The MCU goes back to sleep. MCU返回休眠模式。 CPU Active CPU處于工作狀態(tài) CPU Sleep CPU處于休眠模式 Time 時(shí)間 The ADC wakes up the CPU when it has completed the measurement. ADC在完成測(cè)量后喚醒CPU。 ATtiny1627等MCU外形小巧且功能強(qiáng)大，并且內(nèi)置有智能、復(fù)雜的特性和功能，可改進(jìn)電流消耗和功耗效率，從而延長(zhǎng)電池供電聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的使用壽命，同時(shí)降低設(shè)計(jì)復(fù)雜性、削減系統(tǒng)總成本和縮短上市時(shí)間。如需了解有關(guān)如何設(shè)計(jì)低功耗和經(jīng)濟(jì)實(shí)用的PIR運(yùn)動(dòng)檢測(cè)應(yīng)用的詳細(xì)信息，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)www.microchip.com。 |
