具有模擬功能的MCU如何在電池供電的設計中節省電路板空間和BOM成本

2021-05-25

具有模擬功能的MCU如何在電池供電的設計中節省電路板空間和BOM成本

安全系統和無線醫療監控設備等應用程序的開發取決于確保成功設計的幾個因素。但是，對于這些電池供電的連接應用程序，設計復雜性和電源效率可能是最重要的問題。這是因為最終應用所需的電池壽命越長，平均功耗就必須越低。

為了更好地滿足這些應用的電源需求，同時實現可靠和長壽命的設計，設計人員應首先考慮具有復雜的內置特性和功能的小型，省電型微控制器（MCU）。這樣的MCU可以處理應用程序所需的大多數任務，從而減少了傳感器節點設計中對外部無源組件的需求，同時顯著降低了功耗。

例如，在為諸如家庭安全系統之類的應用設計電池供電的傳感器節點時，無源紅外（PIR）運動檢測器通常放置在住宅內部和外部。PIR傳感器檢測傳感器元件“看到”的紅外輻射量的變化，該變化取決于傳感器前面物體的溫度和表面特性。

當人經過傳感器和背景之間時，傳感器會檢測到從環境溫度到體溫的變化，然后再次返回。它將入射紅外輻射的最終變化轉換為輸出電壓（V PIR（t））的變化。與背景溫度相同但具有不同表面特性的其他物體也將導致傳感器檢測到不同的發射模式（圖1）。

圖1 PIR傳感器根據上述運動檢測原理進行操作。

PIR傳感器的輸出信號電平通常非常低，小于1 mV。為了檢測運動并避免錯誤檢測，需要先對模擬信號進行放大，然后再由模數轉換器（ADC）對其進行采樣。在典型的PIR解決方案中，這是通過使用幾個具有高增益的運算放大器（op amp）級來實現的，這反過來又增加了設計的復雜性，組件數量，電源效率，成本等。本文展示了小型，高能效的MCU如何幫助解決這些問題。

PIR傳感器節點設計

將PIR傳感器節點設計基于具有合適功能集的小尺寸MCU（例如具有可編程增益放大器（PGA）的12位差分ADC），從而減少了對外部組件，電路板空間和材料清單（BOM）的需求成本。這是一塊帶有所有被動元件的PCB，該被動元件需要一個有效的PIR傳感器節點。Click板基于運放解決方案-包括ADC，電阻器和電容器-并已開發為一種開箱即用的解決方案，可輕松進行原型設計和評估。

通過消除對外部運算放大器放大信號的需求，可以大大減少外部組件的數量。它還消除了對外部ADC以及其他一些無源元件（如電阻器和電容器）的需求。

因此，通過使用這樣的MCU，PIR Click的PCB布局可以大大減少。圖2說明了如何卸下（X）組件以及如何建立新連接（藍線）。重要的是要注意，在此示例中，PIR Click用作修改的基礎，因為它比設計新的PCB和獲取所需的組件更方便。此修改后的解決方案與Click板的用途沒有競爭。

圖2.對PIR的修改示例單擊并顯示了從BOM表中刪除的組件的示意圖。

通過這些修改，利用內置的12位差分ADC和PGA，圖3還說明了選擇正確的MCU時需要多少外部組件。

圖3.修改后的PIR單擊并以原理圖突出顯示了減少的BOM。

借助更少的外部組件，硬件和PCB設計將變得更清潔，更緊湊。此外，隨著MCU內處理更多任務，軟件和固件可以更緊湊，更高效。定時和同步也將更易于管理。

當傳感器節點設計的大部分復雜性從硬件轉移到MCU和CPU中，并通過固件進行管理時，在開發過程中更改和添加功能變得更加靈活，而無需花費時間重新設計電路板布局。從而節省了設計師的時間和成本。為其他任務（如功耗）優化代碼也變得更加方便。

只需更改參數設置，設計人員就可以更改應用程序代碼以添加功能，優化代碼以降低功耗，并優化與環境條件（例如環境溫度變化）相關的靈敏度，因為傳感器在環境溫度下可能難以檢測到人超過30°C。另一個例子：MCU能夠添加機器學習功能，以識別運動模式，并教系統學習區分噪聲或實際人與動物的運動。

對于使用PIR傳感器的運動檢測應用程序而言，像ATtiny1627這樣的MCU將復雜性從硬件轉移到了固件和軟件，因為MCU內置了許多必需的功能。這樣，降低了復雜性，同時獲得了靈活性。

功率效率系數

無線傳感器節點的功耗是關鍵。這是因為電池壽命越長，傳感器節點的壽命越長，因此整個傳感器網絡系統的壽命也越長。所有無線傳感器系統都是如此。如果安裝了數十，數百或數千個傳感器以進行不同類型的監視，則如果該節點關閉，將被視為失效或功能異常。對于較大的傳感器系統，更換電池或節點本身意味著最終用戶的額外成本，以及在節點關閉時系統停機或無法完全運行的情況，因此，可能會在不提供通知的情況下發生意外事件。因此，電池可以使用的時間越長越好。

由于MCU的睡眠模式和快速的喚醒時間，傳感器節點設計可以使用最少的功率。該節點可以進入睡眠狀態，并由于傳感器范圍內的溫度變化而檢測到運動，從而迅速喚醒，處理該信號，然后返回睡眠狀態，從而使每個由電池供電的節點的壽命更長，而無需更換電池。請參考圖4，以了解利用睡眠模式和快速喚醒時間時CPU的工作方式。

圖4固件時序圖顯示了MCU在多種功耗模式下工作。

功耗取決于應用，并且會根據PIR傳感器的配置，樣品采集時間和濾波參數而變化，這也會影響檢測范圍和/或靈敏度?？紤]調整這些參數，以在應用程序需求降低時進一步降低功耗。

通過提供先進的內置特性和功能來改善電流消耗和電源效率，小尺寸MCU可以延長電池供電和連接應用的使用壽命，同時降低設計復雜性，降低總系統成本并縮短上市時間。