具類比功能的MCU如何節省電路板空間和BOM成本?

作者 : Stian Sogstad,Microchip產品行銷資深工程師

透過提供外形小巧且功能強大,並且內建智慧、複雜的特性和功能的MCU,可改進電流消耗和功耗效率,從而延長電池供電連網應用的使用壽命。

在開發保全系統和無線醫療監測裝置等應用時,設計的成功與否取決於諸多因素。然而,對於這類電池供電的連網應用,設計複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的設計,同時更好地滿足這類應用的功耗要求,設計人員應首先考慮使用外形小巧,內建智慧、複雜的特性和功能,同時具有節能效果的微控制器(MCU)。此類MCU能夠處理應用所需的大多數任務,因此有助於降低感測器節點設計對外部被動元件的需求,同時顯著降低功耗。

例如,在設計家庭保全系統等應用的電池供電感測器節點時,通常會在住宅內外使用被動紅外線(PIR)感測器檢測可疑的移動。PIR感測器可檢測感測器元件所感知的紅外線輻射量的變化,這種變化會因感測器檢測範圍內物體的溫度和表面特性而有所不同。當有人經過感測器檢測範圍時,感測器會檢測到環境溫度變為人體體溫,然後再恢復至環境溫度。它會將人進入時所引起的紅外線輻射量變化轉換為輸出電壓(VPIR(t))的變化。對於與環境溫度相同但表面特性不同的其他物體,感測器也會檢測到不同的輻射模式,如圖1所示。

 

圖1:PIR感測器運動檢測原理。

(來源:Microchip)

 

PIR感測器的輸出訊號電平通常非常低,不足1mV。若要檢測到運動同時避免誤檢,需要先將類比訊號放大再由類比數位轉換器(ADC)進行採樣。在典型的PIR解決方案中,訊號放大使用高增益多級運算放大器(Op Amp)實現,而這會提高設計的複雜性、增加元件數量、降低電源效率和增加成本等。因此,本文將講述小巧又節能的MCU如何協助降低這些不利影響。

設計複雜性

若PIR感測器節點設計基於一個小尺寸MCU,且具有所需功能特性,比如具備可程式設計增益放大器(PGA)的12位元差分ADC,則整個設計可降低對外部元件的需求,並可節省電路板空間和物料清單(BOM)成本。可以考慮使用MickroE的PIR Click感測器,它在一塊印刷電路板(PCB)上佈放了正常工作PIR感測器節點所需的所有被動元件。該Click板基於運算放大器解決方案,ADC、電阻和電容均已包括在內,因此可開箱即用,便於輕鬆進行原型設計和評估。

可以採用的典型設置為,將PIR Click板與Microchip針對Click boards的Curiosity Nano基板和Curiosity Nano評估工具包搭配使用。如果使用Microchip整合12位元差分ADC和PGA的ATtiny1627 MCU,PIR感測器節點解決方案可以獲得諸多益處。由於無需使用外部運算放大器放大訊號,可顯著減少外部元件的數量。再加上無需外部ADC,因此還可以省去電阻和電容等其他多種被動元件。

因此,使用此類MCU,可顯著減少PIR Click的PCB佈線工作。圖2展示了可以省去的元件(X),以及新的連接方式(藍色線條)。圖中展示了在PIR Click的基礎上進行修改的示例,因為這種修改設計要比重新設計新的PCB並配置各種所需元件更為方便,且修改後的解決方案與Click板的用途並不衝突。

 

圖2:PIR click修改示例和原理圖。

(來源:Microchip)

 

經過上述修改後,即可利用內建的12位元差分ADC和PGA。選擇適合的MCU後,可大大減少所需的外部元件,如圖3所示。

 

圖3:修改後的PIR click和原理圖。

(來源:Microchip)

 

減少所用的外部元件後,如需替換外部元件,要考慮的硬體注意事項也相應減少,因此硬體和PCB設計更為整潔、緊湊。此外,由於更多工作在MCU中處理,軟體和韌體也更加緊湊和高效,時序和同步的管理也更為方便簡潔。

若將感測器節點設計的複雜部分從硬體轉移至MCU和CPU並在韌體中加以管理,在開發過程中就可以更為靈活地更改和添加功能,而無需花費時間重新設計電路板佈局,從而能夠節省設計階段和成本。同時,針對功耗等其他因素的程式碼最佳化也更為方便。

只需更改參數設置,設計人員就能更改應用程式碼來添加功能,或最佳化程式碼來降低功耗或與環境條件相關的敏感性。當環境溫度超過30℃時,感測器在有人進入檢測範圍時可能很難檢測到,而最佳化程式碼可降低系統對環境溫度變化的敏感性。在添加功能時,可以添加機器學習功能,用於辨識運動模式並協助系統學習如何區分雜訊或人與動物的移動等。

對於使用PIR感測器的運動檢測應用,像ATtiny1627等此類MCU內建有所需的大部分功能,因此可將設計的複雜性從硬體轉移至韌體和軟體。如此便可降低複雜性,同時提高靈活性。

電源效率

對無線感測器節點而言,功耗是一項重要考量因素。這是因為電池的使用壽命越長,感測器節點的使用壽命就越長,因此整個感測器網路系統的使用壽命也就越長,這一點適用於所有無線感測器系統。如果已安裝數十、數百甚至數千個感測器來實現不同的監測功能,當節點關閉時,則該節點將被視為死亡或功能異常。

對於較大型的感測器系統,更換電池或節點本身意味著為最終用戶增加額外成本,並且在節點處於關閉狀態時,系統將會失效或無法充分發揮作用,因此在發生意外事件時可能不會發出通知。因此,電池的使用壽命越長越好。

由於MCU具有休眠模式並且可快速喚醒,每個感測器節點的功耗都可以達到非常低的水準。節點可以休眠,當在感測器檢測範圍內出現溫度變化並由此檢測到移動時,節點就會快速喚醒,並在完成訊號處理後返回休眠模式。因此,能夠延長每個電池供電節點的工作時間,而無需更換電池。請參見圖4,瞭解使用休眠模式和快速喚醒時CPU的運作方式。

 

圖4:韌體時序圖。

(來源:Microchip)

 

功耗取決於具體應用,並且會根據PIR感測器的配置、採樣時間和濾波參數而有所不同,這些因素也會影響感測器的檢測範圍和/或靈敏度。若應用需要達到更低的功耗,可以對這些參數進行調整,進一步降低功耗。

總結

透過提供外形小巧且功能強大,並且內建智慧、複雜的特性和功能的MCU,可改善電流消耗和功耗效率。從而延長電池供電連網應用的使用壽命,同時降低設計複雜性、削減系統總成本和縮短上市時間。

(參考原文:How MCUs with analog features save board space, BOM costs in battery-powered designs,by Stian Sogstad)

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2021年8月號

 

 

 

 

 

加入我們官方帳號LINE@,最新消息一手掌握!

發表評論