具有(yǒu)模拟功能(néng)的MCU如何在電(diàn)池供電(diàn)的设计中节省電(diàn)路板空间和BOM成本

2021-05-25

具有(yǒu)模拟功能(néng)的MCU如何在電(diàn)池供電(diàn)的设计中节省電(diàn)路板空间和BOM成本

安全系统和无線(xiàn)医疗监控设备等应用(yòng)程序的开发取决于确保成功设计的几个因素。但是，对于这些電(diàn)池供電(diàn)的连接应用(yòng)程序，设计复杂性和電(diàn)源效率可(kě)能(néng)是最重要的问题。这是因為(wèi)最终应用(yòng)所需的電(diàn)池寿命越長(cháng)，平均功耗就必须越低。

為(wèi)了更好地满足这些应用(yòng)的電(diàn)源需求，同时实现可(kě)靠和長(cháng)寿命的设计，设计人员应首先考虑具有(yǒu)复杂的内置特性和功能(néng)的小(xiǎo)型，省電(diàn)型微控制器（MCU）。这样的MCU可(kě)以处理(lǐ)应用(yòng)程序所需的大多(duō)数任務(wù)，从而减少了传感器节点设计中对外部无源组件的需求，同时显着降低了功耗。

例如，在為(wèi)诸如家庭安全系统之类的应用(yòng)设计電(diàn)池供電(diàn)的传感器节点时，无源红外（PIR）运动检测器通常放置在住宅内部和外部。PIR传感器检测传感器元件“看到”的红外辐射量的变化，该变化取决于传感器前面物(wù)體(tǐ)的温度和表面特性。

当人经过传感器和背景之间时，传感器会检测到从环境温度到體(tǐ)温的变化，然后再次返回。它将入射红外辐射的最终变化转换為(wèi)输出電(diàn)压（V PIR（t））的变化。与背景温度相同但具有(yǒu)不同表面特性的其他(tā)物(wù)體(tǐ)也将导致传感器检测到不同的发射模式（图1）。

图1 PIR传感器根据上述运动检测原理(lǐ)进行操作。

PIR传感器的输出信号電(diàn)平通常非常低，小(xiǎo)于1 mV。為(wèi)了检测运动并避免错误检测，需要先对模拟信号进行放大，然后再由模数转换器（ADC）对其进行采样。在典型的PIR解决方案中，这是通过使用(yòng)几个具有(yǒu)高增益的运算放大器（op amp）级来实现的，这反过来又(yòu)增加了设计的复杂性，组件数量，電(diàn)源效率，成本等。本文(wén)展示了小(xiǎo)型，高能(néng)效的MCU如何帮助解决这些问题。

PIR传感器节点设计

将PIR传感器节点设计基于具有(yǒu)合适功能(néng)集的小(xiǎo)尺寸MCU（例如具有(yǒu)可(kě)编程增益放大器（PGA）的12位差分(fēn)ADC），从而减少了对外部组件，電(diàn)路板空间和材料清单（BOM）的需求成本。这是一块带有(yǒu)所有(yǒu)被动元件的PCB，该被动元件需要一个有(yǒu)效的PIR传感器节点。Click板基于运放解决方案-包括ADC，電(diàn)阻器和電(diàn)容器-并已开发為(wèi)一种开箱即用(yòng)的解决方案，可(kě)轻松进行原型设计和评估。

通过消除对外部运算放大器放大信号的需求，可(kě)以大大减少外部组件的数量。它还消除了对外部ADC以及其他(tā)一些无源元件（如電(diàn)阻器和電(diàn)容器）的需求。

因此，通过使用(yòng)这样的MCU，PIR Click的PCB布局可(kě)以大大减少。图2说明了如何卸下（X）组件以及如何建立新(xīn)连接（蓝線(xiàn)）。重要的是要注意，在此示例中，PIR Click用(yòng)作修改的基础，因為(wèi)它比设计新(xīn)的PCB和获取所需的组件更方便。此修改后的解决方案与Click板的用(yòng)途没有(yǒu)竞争。

图2.对PIR的修改示例单击并显示了从BOM表中删除的组件的示意图。

通过这些修改，利用(yòng)内置的12位差分(fēn)ADC和PGA，图3还说明了选择正确的MCU时需要多(duō)少外部组件。

图3.修改后的PIR单击并以原理(lǐ)图突出显示了减少的BOM。

借助更少的外部组件，硬件和PCB设计将变得更清洁，更紧凑。此外，随着MCU内处理(lǐ)更多(duō)任務(wù)，软件和固件可(kě)以更紧凑，更高效。定时和同步也将更易于管理(lǐ)。

当传感器节点设计的大部分(fēn)复杂性从硬件转移到MCU和CPU中，并通过固件进行管理(lǐ)时，在开发过程中更改和添加功能(néng)变得更加灵活，而无需花(huā)费时间重新(xīn)设计電(diàn)路板布局。从而节省了设计师的时间和成本。為(wèi)其他(tā)任務(wù)（如功耗）优化代码也变得更加方便。

只需更改参数设置，设计人员就可(kě)以更改应用(yòng)程序代码以添加功能(néng)，优化代码以降低功耗，并优化与环境条件（例如环境温度变化）相关的灵敏度，因為(wèi)传感器在环境温度下可(kě)能(néng)难以检测到人超过30°C。另一个例子：MCU能(néng)够添加机器學(xué)习功能(néng)，以识别运动模式，并教系统學(xué)习區(qū)分(fēn)噪声或实际人与动物(wù)的运动。

对于使用(yòng)PIR传感器的运动检测应用(yòng)程序而言，像ATtiny1627这样的MCU将复杂性从硬件转移到了固件和软件，因為(wèi)MCU内置了许多(duō)必需的功能(néng)。这样，降低了复杂性，同时获得了灵活性。

功率效率系数

无線(xiàn)传感器节点的功耗是关键。这是因為(wèi)電(diàn)池寿命越長(cháng)，传感器节点的寿命越長(cháng)，因此整个传感器网络系统的寿命也越長(cháng)。所有(yǒu)无線(xiàn)传感器系统都是如此。如果安装了数十，数百或数千个传感器以进行不同类型的监视，则如果该节点关闭，将被视為(wèi)失效或功能(néng)异常。对于较大的传感器系统，更换電(diàn)池或节点本身意味着最终用(yòng)户的额外成本，以及在节点关闭时系统停机或无法完全运行的情况，因此，可(kě)能(néng)会在不提供通知的情况下发生意外事件。因此，電(diàn)池可(kě)以使用(yòng)的时间越長(cháng)越好。

由于MCU的睡眠模式和快速的唤醒时间，传感器节点设计可(kě)以使用(yòng)最少的功率。该节点可(kě)以进入睡眠状态，并由于传感器范围内的温度变化而检测到运动，从而迅速唤醒，处理(lǐ)该信号，然后返回睡眠状态，从而使每个由電(diàn)池供電(diàn)的节点的寿命更長(cháng)，而无需更换電(diàn)池。请参考图4，以了解利用(yòng)睡眠模式和快速唤醒时间时CPU的工作方式。

图4固件时序图显示了MCU在多(duō)种功耗模式下工作。

功耗取决于应用(yòng)，并且会根据PIR传感器的配置，样品采集时间和滤波参数而变化，这也会影响检测范围和/或灵敏度。考虑调整这些参数，以在应用(yòng)程序需求降低时进一步降低功耗。

通过提供先进的内置特性和功能(néng)来改善電(diàn)流消耗和電(diàn)源效率，小(xiǎo)尺寸MCU可(kě)以延長(cháng)電(diàn)池供電(diàn)和连接应用(yòng)的使用(yòng)寿命，同时降低设计复杂性，降低总系统成本并缩短上市时间。