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具有模拟功能的MCU如何在电池供电的设计中节省电路板空间和BOM成本
具有模拟功能的MCU如何在电池供电的设计中节省电路板空间和BOM成本
安全系统和无线医疗监控设备等应用程序的开发取决于确保成功设计的几个因素。但是，对于这些电池供电的连接应用程序，设计复杂性和电源效率可能是最重要的问题。这是因为最终应用所需的电池寿命越长，平均功耗就必须越低。
为了更好地满足这些应用的电源需求，同时实现可靠和长寿命的设计，设计人员应首先考虑具有复杂的内置特性和功能的小型，省电型微控制器（MCU）。这样的MCU可以处理应用程序所需的大多数任务，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，在为诸如家庭安全系统之类的应用设计电池供电的传感器节点时，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体的温度和表面特性。
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体温的变化，然后再次返回。它将入射红外辐射的最终变化转换为输出电压（V PIR（t））的变化。与背景温度相同但具有不同表面特性的其他物体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进行操作。
PIR传感器的输出信号电平通常非常低，小于1 mV。为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，这是通过使用几个具有高增益的运算放大器（op amp）级来实现的，这反过来又增加了设计的复杂性，组件数量，电源效率，成本等。本文展示了小型，高能效的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合适功能集的小尺寸MCU（例如具有可编程增益放大器（PGA）的12位差分ADC），从而减少了对外部组件，电路板空间和材料清单（BOM）的需求成本。这是一块带有所有被动元件的PCB，该被动元件需要一个有效的PIR传感器节点。Click板基于运放解决方案-包括ADC，电阻器和电容器-并已开发为一种开箱即用的解决方案，可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以及其他一些无源元件（如电阻器和电容器）的需求。
因此，通过使用这样的MCU，PIR Click的PCB布局可以大大减少。图2说明了如何卸下（X）组件以及如何建立新连接（蓝线）。重要的是要注意，在此示例中，PIR Click用作修改的基础，因为它比设计新的PCB和获取所需的组件更方便。此修改后的解决方案与Click板的用途没有竞争。
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，利用内置的12位差分ADC和PGA，图3还说明了选择正确的MCU时需要多少外部组件。
图3.修改后的PIR单击并以原理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内处理更多任务，软件和固件可以更紧凑，更高效。定时和同步也将更易于管理。
当传感器节点设计的大部分复杂性从硬件转移到MCU和CPU中，并通过固件进行管理时，在开发过程中更改和添加功能变得更加灵活，而无需花费时间重新设计电路板布局。从而节省了设计师的时间和成本。为其他任务（如功耗）优化代码也变得更加方便。
只需更改参数设置，设计人员就可以更改应用程序代码以添加功能，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，因为传感器在环境温度下可能难以检测到人超过30°C。另一个例子：MCU能够添加机器学习功能，以识别运动模式，并教系统学习区分噪声或实际人与动物的运动。
对于使用PIR传感器的运动检测应用程序而言，像ATtiny1627这样的MCU将复杂性从硬件转移到了固件和软件，因为MCU内置了许多必需的功能。这样，降低了复杂性，同时获得了灵活性。
功率效率系数
无线传感器节点的功耗是关键。这是因为电池寿命越长，传感器节点的寿命越长，因此整个传感器网络系统的寿命也越长。所有无线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，将被视为失效或功能异常。对于较大的传感器系统，更换电池或节点本身意味着最终用户的额外成本，以及在节点关闭时系统停机或无法完全运行的情况，因此，可能会在不提供通知的情况下发生意外事件。因此，电池可以使用的时间越长越好。
由于MCU的睡眠模式和快速的唤醒时间，传感器节点设计可以使用最少的功率。该节点可以进入睡眠状态，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，处理该信号，然后返回睡眠状态，从而使每个由电池供电的节点的寿命更长，而无需更换电池。请参考图4，以了解利用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在多种功耗模式下工作。
功耗取决于应用，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来改善电流消耗和电源效率，小尺寸MCU可以延长电池供电和连接应用的使用寿命，同时降低设计复杂性，降低总系统成本并缩短上市时间。