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Microchip Technology MCU8 Stian Sogstad 在開(kāi)發(fā)安防系統和無(wú)線(xiàn)醫療監測設備等應用時(shí)，設計的成功與否取決于諸多因素。然而，對于這類(lèi)電池供電的聯(lián)網(wǎng)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(cháng)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(cháng)的設計，同時(shí)更好地滿(mǎn)足這類(lèi)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(shí)具有節能效果的單片機（MCU）。此類(lèi)MCU能夠處理應用所需的大多數任務(wù)，因此有助于降低傳感器節點(diǎn)設計對外部無(wú)源元件的需求，同時(shí)具有低功耗和其他內置特性，能夠提高靈活性和簡(jiǎn)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(diǎn)時(shí)，通常會(huì )在住宅內外使用無(wú)源紅外（PIR）傳感器檢測可疑的運動(dòng)。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(huì )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(jīng)過(guò)傳感器檢測范圍時(shí)，傳感器會(huì )檢測到環(huán)境溫度變?yōu)槿梭w體溫，然后再恢復至環(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換為輸出電壓（VPIR(t)）的變化。對于與環(huán)境溫度相同但表面特性不同的其他物體，傳感器也會(huì )檢測到不同的輻射模式，如圖1所示。 
圖1.PIR傳感器運動(dòng)檢測原理 No movement 無(wú)運動(dòng) Movement in front of sensor 在傳感器檢測范圍內發(fā)生運動(dòng) Movement stopped 運動(dòng)停止 Movement away from sensor 離開(kāi)傳感器檢測范圍的運動(dòng) Sensor Output Voltage VPIR(T) 傳感器輸出電壓VPIR(t) Time 時(shí)間 PIR傳感器的輸出信號電平通常非常低，不足1 mV。若要檢測到運動(dòng)同時(shí)避免誤檢，需要先將模擬信號放大再由模數轉換器（ADC）進(jìn)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(shí)現，而這會(huì )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(diǎn)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(diǎn)所需的所有無(wú)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(kāi)箱即用，便于輕松進(jìn)行原型設計和評估。為便于輕松進(jìn)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(diǎn)解決方案可以獲得優(yōu)勢。由于無(wú)需使用外部運放放大信號，可顯著(zhù)減少外部元件的數量。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(lèi)MCU，可顯著(zhù)減少PIR click的PCB布線(xiàn)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(xiàn)條）。 注：圖中展示了在PIR click的基礎上進(jìn)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(jīng)過(guò)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(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。 若將傳感器節點(diǎn)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(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)需花費時(shí)間重新設計電路板布局，從而能夠節省設計時(shí)間和成本。同時(shí)，針對功耗等其他因素的代碼優(yōu)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(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。當環(huán)境溫度超過(guò)30°C時(shí)，傳感器在有人進(jìn)入檢測范圍時(shí)可能很難檢測到，而優(yōu)化代碼可降低系統對環(huán)境溫度變化的敏感性。在添加功能時(shí)，可以添加機器學(xué)習功能，用于識別運動(dòng)模式并幫助系統學(xué)習如何區分噪聲或人與動(dòng)物的運動(dòng)等。 對于使用PIR傳感器的運動(dòng)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(shí)提高靈活性。 電源效率 對無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)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(cháng)，傳感器節點(diǎn)的使用壽命就越長(cháng)，因此整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò )系統的使用壽命也就越長(cháng)。這一點(diǎn)對所有無(wú)線(xiàn)傳感器系統都適用。如果已安裝數十、數百甚至數千個(gè)傳感器來(lái)實(shí)現不同的監測功能，當節點(diǎn)關(guān)閉時(shí)，則該節點(diǎn)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(diǎn)本身意味著(zhù)為最終用戶(hù)帶來(lái)額外成本，并且在節點(diǎn)處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，系統將會(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(cháng)越好。 由于MCU具有休眠模式并且可快速喚醒，每個(gè)傳感器節點(diǎn)的功耗都可以達到非常低的水平。節點(diǎn)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(dòng)時(shí)，節點(diǎn)就會(huì )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(cháng)每個(gè)電池供電節點(diǎn)的工作時(shí)間，而無(wú)需更換電池。請參見(jiàn)圖4，了解使用休眠模式和快速喚醒時(shí)CPU的運行方式。功耗取決于具體應用，并且會(huì )根據PIR傳感器的配置、采樣時(shí)間和濾波參數而有所不同，這些因素也會(huì )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(jìn)行調整，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，將測得的結果與閾值進(jìn)行比較，確定是否發(fā)生運動(dòng)檢測事件。 The ADC is periodically measurning the input from the PIR sensor. ADC會(huì )定期測量來(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在完成測量后喚醒CPU。 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(jìn)電流消耗和功耗效率，從而延長(cháng)電池供電聯(lián)網(wǎng)應用的使用壽命，同時(shí)降低設計復雜性、削減系統總成本和縮短上市時(shí)間。如需了解有關(guān)如何設計低功耗和經(jīng)濟實(shí)用的PIR運動(dòng)檢測應用的詳細信息，請訪(fǎng)問(wèn)www.microchip.com。 |
