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
时间：2024-11-11 14:37:11
平安体系和无线医疗监控设置装备摆设等使用的开辟取决于多种要素，以确保设想胜利。然而，关于这些电池供电的连贯使用来讲，设想复杂性和功能多是最首要的题目之一。这是由于终究使用所需的电池寿命越长，均匀功耗就必须越低。
为了更好地餍足这些使用的功耗请求，同时完成靠得住和长寿命的设想，设想职员应起首思量拥有庞杂内置特点和性能的小型且节能的微控制器 (MCU)。此类 MCU 能够处置使用所需的大部分使命，缩小 节点设想中对内部无源组件的需要，同时光鲜明显下降功耗。
比方，在为家庭平安体系等使用设想电池供电的传感器节点时，平日会在室庐表里搁置被动红外 (PIR) 活动探测器。PIR 传感器检测传感器元件“看到”的红外辐射量的变迁，该变迁取决于传感器后面物体的温度和外貌特点。 当一个人经由传感器和后台之间时，传感器会检测到从环境温度到体温的变迁，然后再前往。它将传入红外辐射的变迁转换为输入电压 (V PIR(t) )的变迁。与后台温度沟通但外貌特点分歧的其余物体也会致使传感器检测到分歧的发射模式（图 1）。
PIR 传感器节点设想
将 PIR 传感器节点设想基于拥有适宜性能集的小尺寸 MCU（比方拥有可编程增益 (PGA) 的 12 位差分 ADC），可缩小对内部组件、电路板空间和物料清单 (BOM) 的需要本钱。思量一下MickroE 的PIR Click传感器。它是一个 PCB，包括制造事情 PIR 传感器节点所需的所有没有源元件。Click 板基于运算放大器解决计划（包孕 ADC、 和 ），而且已开发为开箱即用的解决计划，可轻松举行原型设想和评价。
轻松举行原型设想的典范配置是将 PIR Click 板与 Microchip Curiosity Nano Base for Clickboards ? 和Curiosity Nano 评价套件连系应用。在这里，PIR 传感器节点解决计划能够受害于应用 Microchip Technology 的ATtiny1627等 MCU，该 MCU 拥有 12 位差分 ADC 和 PGA。因为无需应用内部运算放大器来缩小旌旗灯号，是以能够光鲜明显缩小内部组件的数目。它还消除了对内部 ADC 以及其余几个无源组件（比方电阻器和电容器）的需求。
是以，经由过程应用此类 MCU，能够光鲜明显缩减 PIR Click 的 PCB 结构。图 2解释了若何移除组件 (X) 以及若何建立新连贯（蓝线）。值得注重的是，在本例中，PIR Click 被用作修正的根底，由于它比设想新的 PCB 和猎取所需的组件更便利。此修改后的解决计划并不与 Click 板的用处相合作。
经由过程这些修正，应用内置 12 位差分 ADC 和 PGA，图 3还说了然抉择精确的 MCU 时需求的内部组件有如许少。
因为内部元件较少，硬件和 PCB 设想将加倍简明、紧凑。另外，跟着 MCU 内处理更多使命，软件和固件能够加倍紧凑和高效。准时和同步也将更易于治理。
当传感器节点设想的大部分复杂性从硬件转移到 MCU 和 CPU 中，并在固件中进行治理时，在开辟过程当中变动和增添性能变得加倍灵巧，而无需破费时候从新设想电路板结构。这反过来又节省了设想职员的时候和本钱。优化其余使命（比方功耗）的代码也变得加倍便利。
只要变动参数配置，设想职员就能变动使用代码以增添性能、优化代码以降低功耗，并优化与环境前提（比方环境温度变迁）相干的灵敏度，由于当环境温度变化时，传感器大概很难检测到人体。跨越30°C。另一个例子：MCU 能够增添机械进修，以辨认活动模式并教育体系进修区别乐音或实在的人与植物的活动。
关于应用 PIR 传感器的活动检测使用，ATtiny1627 等 MCU 将复杂性从硬件转移到固件和软件，由于许多所需的性能都内置于 MCU 中。如许，复杂性就降低了，同时灵活性也提高了。
功率服从因数
无线传感器节点的功耗是关头。这是由于电池寿命越长，传感器节点的寿命就越长，从而全部传感器网络体系的寿命也就越长。关于所有无线传感器体系都是云云。假如安装了数十、数百或数千个传感器来举行分歧范例的监控，那末假如节点封闭，就会被视为殒命或性能平衡。关于较大的传感器体系，改换电池或节点自身意味着终究用户需求额定的本钱，并且在节点封闭时体系会停机或无奈完整失常事情，是以大概会在不供应关照的情况下产生不测事情。是以，电池的续航时候越长越好。 因为 MCU 的就寝模式和倏地叫醒时候，传感器节点设想能够应用起码的功耗。该节点能够休眠，当因为传感器范围内的温度变迁检测到活动时倏地叫醒，处置旌旗灯号而后前往休眠状况，从而使每一个电池供电的节点寿命更长，而无需改换电池。请参阅图 4，懂得 CPU 在应用就寝模式和倏地叫醒时候时若何运转。
经由过程供应可进步电流损耗和电源服从的庞杂内置特点和性能，小尺寸 MCU 能够延伸电池供电和连贯使用的应用寿命，同时下降设想复杂性、体系总成本和上市时候。
为了更好地餍足这些使用的功耗请求，同时完成靠得住和长寿命的设想，设想职员应起首思量拥有庞杂内置特点和性能的小型且节能的微控制器 (MCU)。此类 MCU 能够处置使用所需的大部分使命，缩小 节点设想中对内部无源组件的需要，同时光鲜明显下降功耗。
比方，在为家庭平安体系等使用设想电池供电的传感器节点时，平日会在室庐表里搁置被动红外 (PIR) 活动探测器。PIR 传感器检测传感器元件“看到”的红外辐射量的变迁，该变迁取决于传感器后面物体的温度和外貌特点。 当一个人经由传感器和后台之间时，传感器会检测到从环境温度到体温的变迁，然后再前往。它将传入红外辐射的变迁转换为输入电压 (V PIR(t) )的变迁。与后台温度沟通但外貌特点分歧的其余物体也会致使传感器检测到分歧的发射模式（图 1）。
图 1 PIR 传感器依据上述活动检测道理举行事情。微芯科技
PIR 传感器的输入旌旗灯号电平平日异常低，小于 1 mV。为了检测活动并防止谬误检测，模仿旌旗灯号需求在被模数转换器 (ADC) 采样以前举行缩小。在典范的 PIR 解决计划中，这是经由过程应用多个拥有高增益的 (op amp) 级来完成的，这反过来又增加了设想的复杂性、元件数目、功率服从、本钱等。本文展示了小型、高能效的 MCU 若何赞助解决这些题目。PIR 传感器节点设想
将 PIR 传感器节点设想基于拥有适宜性能集的小尺寸 MCU（比方拥有可编程增益 (PGA) 的 12 位差分 ADC），可缩小对内部组件、电路板空间和物料清单 (BOM) 的需要本钱。思量一下MickroE 的PIR Click传感器。它是一个 PCB，包括制造事情 PIR 传感器节点所需的所有没有源元件。Click 板基于运算放大器解决计划（包孕 ADC、 和 ），而且已开发为开箱即用的解决计划，可轻松举行原型设想和评价。
轻松举行原型设想的典范配置是将 PIR Click 板与 Microchip Curiosity Nano Base for Clickboards ? 和Curiosity Nano 评价套件连系应用。在这里，PIR 传感器节点解决计划能够受害于应用 Microchip Technology 的ATtiny1627等 MCU，该 MCU 拥有 12 位差分 ADC 和 PGA。因为无需应用内部运算放大器来缩小旌旗灯号，是以能够光鲜明显缩小内部组件的数目。它还消除了对内部 ADC 以及其余几个无源组件（比方电阻器和电容器）的需求。
是以，经由过程应用此类 MCU，能够光鲜明显缩减 PIR Click 的 PCB 结构。图 2解释了若何移除组件 (X) 以及若何建立新连贯（蓝线）。值得注重的是，在本例中，PIR Click 被用作修正的根底，由于它比设想新的 PCB 和猎取所需的组件更便利。此修改后的解决计划并不与 Click 板的用处相合作。
经由过程这些修正，应用内置 12 位差分 ADC 和 PGA，图 3还说了然抉择精确的 MCU 时需求的内部组件有如许少。
因为内部元件较少，硬件和 PCB 设想将加倍简明、紧凑。另外，跟着 MCU 内处理更多使命，软件和固件能够加倍紧凑和高效。准时和同步也将更易于治理。
当传感器节点设想的大部分复杂性从硬件转移到 MCU 和 CPU 中，并在固件中进行治理时，在开辟过程当中变动和增添性能变得加倍灵巧，而无需破费时候从新设想电路板结构。这反过来又节省了设想职员的时候和本钱。优化其余使命（比方功耗）的代码也变得加倍便利。
只要变动参数配置，设想职员就能变动使用代码以增添性能、优化代码以降低功耗，并优化与环境前提（比方环境温度变迁）相干的灵敏度，由于当环境温度变化时，传感器大概很难检测到人体。跨越30°C。另一个例子：MCU 能够增添机械进修，以辨认活动模式并教育体系进修区别乐音或实在的人与植物的活动。
关于应用 PIR 传感器的活动检测使用，ATtiny1627 等 MCU 将复杂性从硬件转移到固件和软件，由于许多所需的性能都内置于 MCU 中。如许，复杂性就降低了，同时灵活性也提高了。
功率服从因数
无线传感器节点的功耗是关头。这是由于电池寿命越长，传感器节点的寿命就越长，从而全部传感器网络体系的寿命也就越长。关于所有无线传感器体系都是云云。假如安装了数十、数百或数千个传感器来举行分歧范例的监控，那末假如节点封闭，就会被视为殒命或性能平衡。关于较大的传感器体系，改换电池或节点自身意味着终究用户需求额定的本钱，并且在节点封闭时体系会停机或无奈完整失常事情，是以大概会在不供应关照的情况下产生不测事情。是以，电池的续航时候越长越好。 因为 MCU 的就寝模式和倏地叫醒时候，传感器节点设想能够应用起码的功耗。该节点能够休眠，当因为传感器范围内的温度变迁检测到活动时倏地叫醒，处置旌旗灯号而后前往休眠状况，从而使每一个电池供电的节点寿命更长，而无需改换电池。请参阅图 4，懂得 CPU 在应用就寝模式和倏地叫醒时候时若何运转。
图 4固件时序图表现了 MCU 在多种功耗模式下运转。微芯科技
功耗取决于使用，并且会依据 PIR 传感器的设置、样本收集时候和过滤参数而变迁，这也会影响检测局限和/或灵敏度。当使用需要较低时，思量调解这些参数以进一步下降功耗。经由过程供应可进步电流损耗和电源服从的庞杂内置特点和性能，小尺寸 MCU 能够延伸电池供电和连贯使用的应用寿命，同时下降设想复杂性、体系总成本和上市时候。
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