小型微控制器及其精密的模拟电路如何帮助电池供电应用节省空间和系统成本 - Convertronic 电子杂志

细节: 类别：微控制器; 2022年8月4日

安全系统和无线医疗监控设备等应用的开发取决于多种因素以确保设计成功。然而，对于电池供电和联网应用而言，设计复杂性和能源效率是最重要的因素之一。这是因为最终应用的电池续航时间越长，平均功耗就应该越低。.

为了更好地满足这些应用的功率需求，同时确保设计的可靠性和耐用性，设计人员首先应考虑使用小型、节能且功能智能的微控制器。这些微控制器可以处理应用的大部分任务，并且在传感器节点设计中所需的外部无源元件更少。它们还具有低功耗的特点，并集成了提高灵活性和简易性的功能。
例如，在为家庭安防系统设计电池供电的传感器节点时，通常会在室内和室外使用被动红外 (PIR) 运动探测器。PIR 传感器检测传感元件“看到”的红外辐射量的变化，该变化取决于传感器前方物体的温度和表面特性。当有人从传感器和背景之间经过时，传感器会检测环境温度和体温之间的差异，反之亦然。然后，它将输入红外辐射的这种差异转换为输出电压 (VPIR(t)) 的变化。与背景温度相同但表面特性不同的其他物体，也会导致传感器检测到不同的发射模式，如图 1 所示。
图 1. PIR 传感器的运动检测原理。

PIR传感器的输出信号电平通常非常低，低于1 mV。为了检测运动并避免误报，模拟信号必须先经过放大，然后才能被模数转换器（ADC）采样。在基于PIR的解决方案中，这通常需要使用高增益运算放大器分多个阶段进行放大，但这会增加设计复杂性、元件数量、能效和成本等因素。继续阅读，了解小型、低功耗的微控制器如何帮助缓解这些问题。.

设计复杂度：
基于微控制器的PIR传感器节点提供一系列功能，例如带有可编程增益放大器 (PGA) 的12位差分ADC，所需的外部元件更少，占用电路板空间更小，并能降低物料清单成本。以Microchip Click PIR传感器为例。它是一款印刷电路板，包含PIR传感器节点运行所需的所有无源元件。Click板基于运算放大器解决方案，包含多个ADC、电阻器和电容器。其设计非常人性化，可简化原型设计和评估。典型的原型设计方案可能包含一块Click PIR板、Microchip Curiosity Nano Base for Click boards™以及Curiosity Nano评估套件。使用PIR传感器节点的解决方案可以利用微控制器，例如Microchip Technology的ATtiny1627，它集成了12位差分ADC和PGA。由于无需运算放大器来放大信号，因此可以显著减少外部元件的数量。这与外部 ADC 结合使用，还可以省去其他无源元件，如电阻器和电容器。

因此，使用这种类型的微控制器可以显著简化 PIR Click 的印刷电路板设计。图 2 显示了可以移除的组件 (X) 以及新的连接方式（蓝线）。
注意：在本例中，之所以以 PIR Click 为基础进行修改，是因为它比设计新的印刷电路板并采购必要的组件更实用。这种改进方案不会与 Click 板的功能冲突。

图 2. PIR 点击和示意图的修改示例。.

通过这些修改，利用内置的 12 位差分 ADC 和 PGA，图 3 还显示了在选择合适的微控制器时所需的少量外部组件。.

图 3. 改进的 PIR 点击和示意图。.

由于外部元件数量减少，硬件和印刷电路板的设计将更加简洁紧凑，因为硬件所需的外部元件也相应减少。此外，由于微控制器能够处理更多任务，软件和固件也可以更加精简高效。时序和同步的管理也将更加便捷。.

当传感器节点设计中的大部分复杂性从硬件转移到微控制器和CPU（中央处理器）并通过固件进行管理时，在开发过程中更改和添加功能就变得更加灵活。所有这些都无需重新设计电路板，从而为设计人员节省大量时间和成本。此外，针对功耗等因素优化代码也变得更加容易。只需更改参数设置，设计人员即可修改应用程序代码、添加功能或优化代码，以降低功耗或降低对环境条件（例如环境温度变化）的敏感性。当环境温度超过30°C时，传感器可能难以检测到人。另一个新增功能的例子是集成机器学习来识别运动模式，并教会系统区分噪声和真人向动物移动等情况。
在使用PIR传感器的运动检测应用中，像ATtiny1627这样的微控制器将复杂性从硬件转移到固件和软件，因为许多必要的功能都集成在微控制器本身中。这降低了复杂性并提高了灵活性。

能效：
无线传感器节点的功耗至关重要。电池寿命越长，传感器节点的寿命就越长，进而延长整个传感器网络的寿命。这适用于所有无线传感器系统。如果安装了数十、数百甚至数千个传感器用于不同类型的监测，一旦某个节点断电，就会被视为停止服务或功能失效。对于大型传感器系统而言，更换电池或节点本身会增加最终用户的成本，并且意味着在节点断电期间系统将无法运行或功能不全，这可能导致突发事件的发生。因此，电池寿命越长越好。
得益于微控制器的睡眠模式和快速唤醒功能，每个传感器节点都能以极低的功耗运行。节点可以保持待机模式，并在检测到传感器范围内温度变化引起的运动时快速激活。然后，节点处理信号并返回待机模式，从而延长每个电池供电节点的运行时间，而无需更换电池。图 4 展示了 CPU 在使用待机模式和快速激活功能时的运行情况。功耗取决于应用，并会随 PIR 传感器配置、采样采集时间和滤波参数而变化，这些因素反过来又会影响检测距离和/或灵敏度。当应用需求较低时，可以调整这些参数以进一步降低功耗。
图 4. 固件时间线。