具有復雜模擬功能的小型MCU如何在電池供電應用中節省電路板空間和系統成本

Microchip Technology

MCU8

Stian Sogstad

在開發安防系統和無線醫療監測設備等應用時，設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網應用，設計復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計，同時更好地滿足這類應用的功耗要求，設計人員應首先考慮使用外形小巧，內置智能、復雜的特性和功能，同時具有節能效果的單片機（MCU）。此類MCU能夠處理應用所需的大多數任務，因此有助于降低傳感器節點設計對外部無源元件的需求，同時具有低功耗和其他內置特性，能夠提高靈活性和簡便性。

例如，在設計家庭安防系統等應用的電池供電傳感器節點時，通常會在住宅內外使用無源紅外（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物體的溫度和表面特性而有所不同。當有人經過傳感器檢測范圍時，傳感器會檢測到環境溫度變為人體體溫，然后再恢復至環境溫度。它會將人進入時所引起的紅外輻射量變化轉換為輸出電壓（VPIR（t））的變化。對于與環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

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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轉換器（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，而這會提高設計的復雜性、增加元件數量、降低電源效率和增加成本等。請繼續閱讀下文，了解小巧又節能的MCU如何幫助降低這些不利影響。

設計復雜性

若PIR傳感器節點設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，因此可開箱即用，便于輕松進行原型設計和評估。為便于輕松進行原型設計，可以采用的典型設置為，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傳感器節點解決方案可以獲得優勢。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的基礎上進行修改的示例，因為這種修改比設計新的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

經過上述修改后，即可利用內置的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減少，因此硬件和PCB設計更為整潔、緊湊。此外，由于更多任務都在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。

若將傳感器節點設計的大部分復雜性從硬件轉移至MCU和中央處理單元（CPU）并在固件中加以管理，在開發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計電路板布局，從而能夠節省設計時間和成本。同時，針對功耗等其他因素的代碼優化也更為方便。只需更改參數設置，設計人員就能更改應用程序代碼來添加功能，或優化代碼來降低功耗或與環境條件相關的敏感性。當環境溫度超過30°C時，傳感器在有人進入檢測范圍時可能很難檢測到，而優化代碼可降低系統對環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學習如何區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用，ATtiny1627等MCU內置有所需的大部分功能，因此可將設計的復雜性從硬件轉移至固件和軟件。如此便可降低復雜性，同時提高靈活性。

電源效率

對無線傳感器節點而言，功耗是一項重要考量因素。這是因為電池的使用壽命越長，傳感器節點的使用壽命就越長，因此整個傳感器網絡系統的使用壽命也就越長。這一點對所有無線傳感器系統都適用。如果已安裝數十、數百甚至數千個傳感器來實現不同的監測功能，當節點關閉時，則該節點將被視為死亡或功能異常。對于較大型的傳感器系統，更換電池或節點本身意味著為最終用戶帶來額外成本，并且在節點處于關閉狀態時，系統將會失效或無法充分發揮作用，因此在發生意外事件時可能不會發出通知。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，每個傳感器節點的功耗都可以達到非常低的水平。節點可以休眠，當在傳感器檢測范圍內出現溫度變化并由此檢測到運動時，節點就會快速喚醒，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。功耗取決于具體應用，并且會根據PIR傳感器的配置、采樣時間和濾波參數而有所不同，這些因素也會影響傳感器的檢測范圍和/或靈敏度。若應用需要達到更低的功耗，可以對這些參數進行調整，進一步降低功耗。

圖4. 固件時序圖

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ATtiny1627等MCU外形小巧且功能強大，并且內置有智能、復雜的特性和功能，可改進電流消耗和功耗效率，從而延長電池供電聯網應用的使用壽命，同時降低設計復雜性、削減系統總成本和縮短上市時間。