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具有模拟功能的 MCU 如何在电池供电设计中节省电路板空间和 BOM 成本
接线图
2024年02月04日 20:19 79
admin
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，对于这些电池供电的连接应用来说，设计复杂性和功效可能是最重要的问题之一。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功耗要求，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内置特性和功能的小型且节能的微控制器 (MCU)。此类 MCU 可以处理应用所需的大部分任务，减少传感器节点设计中对外部无源组件的需求，同时显着降低功耗。
例如，在为家庭安全系统等应用设计电池供电的传感器节点时，通常会在住宅内外放置被动红外 (PIR) 运动探测器。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。 当一个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，然后再返回。它将传入红外辐射的变化转换为输出电压 (V PIR(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（图 1）。
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），可减少对外部组件、电路板空间和物料清单 (BOM) 的需求成本。考虑一下MickroE 的PIR Click传感器。它是一个 PCB，包含制作工作 PIR 传感器节点所需的所有无源元件。Click 板基于运算放大器解决方案（包括 ADC、电阻器和电容器），并且已开发为开箱即用的解决方案，可轻松进行原型设计和评估。
轻松进行原型设计的典型设置是将 PIR Click 板与 Microchip Curiosity Nano Base for Clickboards ? 和Curiosity Nano 评估套件结合使用。在这里，PIR 传感器节点解决方案可以受益于使用 Microchip Technology 的ATtiny1627等 MCU，该 MCU 具有 12 位差分 ADC 和 PGA。由于无需使用外部运算放大器来放大信号，因此可以显着减少外部组件的数量。它还消除了对外部 ADC 以及其他几个无源组件（例如电阻器和电容器）的需要。
因此，通过使用此类 MCU，可以显着缩减 PIR Click 的 PCB 布局。图 2说明了如何移除组件 (X) 以及如何建立新连接（蓝线）。值得注意的是，在本例中，PIR Click 被用作修改的基础，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并不与 Click 板的用途相竞争。
通过这些修改，利用内置 12 位差分 ADC 和 PGA，图 3还说明了选择正确的 MCU 时需要的外部组件有多么少。
由于外部元件较少，硬件和 PCB 设计将更加简洁、紧凑。此外，随着 MCU 内处理更多任务，软件和固件可以更加紧凑和高效。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，并在固件中进行管理时，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。这反过来又节省了设计人员的时间和成本。优化其他任务（例如功耗）的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，因为当环境温度变化时，传感器可能很难检测到人体。超过30°C。另一个例子：MCU 可以添加机器学习，以识别运动模式并教导系统学习区分噪音或真实的人与动物的运动。
对于使用 PIR 传感器的运动检测应用，ATtiny1627 等 MCU 将复杂性从硬件转移到固件和软件，因为许多所需的功能都内置于 MCU 中。这样，复杂性就降低了，同时灵活性也提高了。
功率效率因数
无线传感器节点的功耗是关键。这是因为电池寿命越长，传感器节点的寿命就越长，从而整个传感器网络系统的寿命也就越长。对于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来进行不同类型的监控，那么如果节点关闭，就会被视为死亡或功能失调。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需要额外的成本，并且在节点关闭时系统会停机或无法完全正常工作，因此可能会在不提供通知的情况下发生意外事件。因此，电池的续航时间越长越好。 由于 MCU 的睡眠模式和快速唤醒时间，传感器节点设计可以使用最少的功耗。该节点可以休眠，当由于传感器范围内的温度变化检测到运动时快速唤醒，处理信号然后返回休眠状态，从而使每个电池供电的节点寿命更长，而无需更换电池。请参阅图 4，了解 CPU 在利用睡眠模式和快速唤醒时间时如何运行。
通过提供可提高电流消耗和电源效率的复杂内置特性和功能，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、系统总成本和上市时间。
为了更好地满足这些应用的功耗要求，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内置特性和功能的小型且节能的微控制器 (MCU)。此类 MCU 可以处理应用所需的大部分任务，减少传感器节点设计中对外部无源组件的需求，同时显着降低功耗。
例如，在为家庭安全系统等应用设计电池供电的传感器节点时，通常会在住宅内外放置被动红外 (PIR) 运动探测器。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。 当一个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，然后再返回。它将传入红外辐射的变化转换为输出电压 (V PIR(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（图 1）。
图 1 PIR 传感器根据上述运动检测原理进行工作。微芯科技
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，模拟信号需要在被模数转换器 (ADC) 采样之前进行放大。在典型的 PIR 解决方案中，这是通过使用多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、元件数量、功率效率、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），可减少对外部组件、电路板空间和物料清单 (BOM) 的需求成本。考虑一下MickroE 的PIR Click传感器。它是一个 PCB，包含制作工作 PIR 传感器节点所需的所有无源元件。Click 板基于运算放大器解决方案（包括 ADC、电阻器和电容器），并且已开发为开箱即用的解决方案，可轻松进行原型设计和评估。
轻松进行原型设计的典型设置是将 PIR Click 板与 Microchip Curiosity Nano Base for Clickboards ? 和Curiosity Nano 评估套件结合使用。在这里，PIR 传感器节点解决方案可以受益于使用 Microchip Technology 的ATtiny1627等 MCU，该 MCU 具有 12 位差分 ADC 和 PGA。由于无需使用外部运算放大器来放大信号，因此可以显着减少外部组件的数量。它还消除了对外部 ADC 以及其他几个无源组件（例如电阻器和电容器）的需要。
因此，通过使用此类 MCU，可以显着缩减 PIR Click 的 PCB 布局。图 2说明了如何移除组件 (X) 以及如何建立新连接（蓝线）。值得注意的是，在本例中，PIR Click 被用作修改的基础，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并不与 Click 板的用途相竞争。
通过这些修改，利用内置 12 位差分 ADC 和 PGA，图 3还说明了选择正确的 MCU 时需要的外部组件有多么少。
由于外部元件较少，硬件和 PCB 设计将更加简洁、紧凑。此外，随着 MCU 内处理更多任务，软件和固件可以更加紧凑和高效。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，并在固件中进行管理时，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。这反过来又节省了设计人员的时间和成本。优化其他任务（例如功耗）的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，因为当环境温度变化时，传感器可能很难检测到人体。超过30°C。另一个例子：MCU 可以添加机器学习，以识别运动模式并教导系统学习区分噪音或真实的人与动物的运动。
对于使用 PIR 传感器的运动检测应用，ATtiny1627 等 MCU 将复杂性从硬件转移到固件和软件，因为许多所需的功能都内置于 MCU 中。这样，复杂性就降低了，同时灵活性也提高了。
功率效率因数
无线传感器节点的功耗是关键。这是因为电池寿命越长，传感器节点的寿命就越长，从而整个传感器网络系统的寿命也就越长。对于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来进行不同类型的监控，那么如果节点关闭，就会被视为死亡或功能失调。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需要额外的成本，并且在节点关闭时系统会停机或无法完全正常工作，因此可能会在不提供通知的情况下发生意外事件。因此，电池的续航时间越长越好。 由于 MCU 的睡眠模式和快速唤醒时间，传感器节点设计可以使用最少的功耗。该节点可以休眠，当由于传感器范围内的温度变化检测到运动时快速唤醒，处理信号然后返回休眠状态，从而使每个电池供电的节点寿命更长，而无需更换电池。请参阅图 4，了解 CPU 在利用睡眠模式和快速唤醒时间时如何运行。
图 4固件时序图显示了 MCU 在多种功耗模式下运行。微芯科技
功耗取决于应用，并且会根据 PIR 传感器的配置、样本采集时间和过滤参数而变化，这也会影响检测范围和/或灵敏度。当应用需求较低时，考虑调整这些参数以进一步降低功耗。通过提供可提高电流消耗和电源效率的复杂内置特性和功能，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、系统总成本和上市时间。
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