Cum poate un microcontroler de mici dimensiuni, cu un sistem analogic sofisticat

SĂ

Dezvoltarea unor aplicații precum sistemele de securitate și dispozitivele de monitorizare medicală fără fir depinde de mai mulți factori pentru a asigura o proiectare de succes, însă complexitatea proiectării și eficiența energetică sunt printre cei mai importanți, atunci când vine vorba de aplicații conectate și alimentate de la baterii. Acest lucru se întâmplă deoarece, cu cât durata de viață a bateriei este mai mare pentru o aplicație finală, cu atât mai mic trebuie să fie consumul mediu de putere.

Autor: Stian Sogstad, MCU8

Microchip Technology

Pentru a satisface cât mai bine cerințele de putere impuse de astfel de aplicații, permițând în același timp proiecte fiabile și cu durată lungă de viață, proiectanții ar trebui, mai întâi, să se gândească la microcontrolere mici și eficiente din punct de vedere energetic, dotate cu caracteristici și funcționalități inteligente și sofisticate. Astfel de microcontrolere sunt capabile să gestioneze majoritatea sarcinilor cerute de aplicație, reducând nevoia de componente pasive externe în proiectarea unui nod de senzori, aducând în același timp un consum redus de putere și funcții încorporate pentru un plus de flexibilitate și simplitate.

De exemplu, atunci când se proiectează noduri de senzori alimentate cu baterii destinate unei aplicații precum un sistem de securitate a locuinței - un detector de mișcare PIR (Passive InfraRed) este, adesea, plasat în interiorul și în exteriorul reședinței. Un senzor PIR detectează schimbările în cantitatea de radiații infraroșii “văzute” de elementele senzorului, care variază în funcție de temperatura și de caracteristicile suprafeței obiectului din fața senzorului. Atunci când o persoană trece prin fața senzorului, acesta detectează schimbarea de la temperatura ambientală la temperatura corpului și invers.

Senzorul convertește modificarea rezultată a radiației infraroșii primite într-o modificare a tensiunii de ieșire (VPIR(t)). Alte obiecte din decor, cu aceeași temperatură, dar cu caracteristici de suprafață diferite, vor face ca senzorul să detecteze un model de emisie diferit, după cum se vede în figura 1.

Nivelurile semnalului de ieșire de la un senzor PIR sunt, de obicei, foarte scăzute și mai mici de 1 mV. Pentru a detecta mișcarea și a evita detecțiile false, semnalul analogic trebuie amplificat înainte de a fi eșantionat de un convertor analog-digital (ADC).

În soluțiile PIR tipice, acest lucru se realizează prin utilizarea mai multor etaje cu amplificatoare operaționale (Op Amp) cu câștig ridicat, care, la rândul lor, sporesc complexitatea proiectului, numărul de componente, consumul de energie, costurile și multe altele.

Haideți să vedem cum poate un microcontroler de mici dimensiuni și eficient din punct de vedere energetic să reducă aceste efecte.

Complexitatea proiectării Bazând proiectarea unui nod de senzori PIR pe un microcontroler de mici dimensiuni cu un set de caracteristici adecvate, cum ar fi un ADC diferențial pe 12-biți cu amplificator cu câștig programabil (PGA), veți reduce nevoia de componente externe, spațiul pe placă și costul listei de materiale (BoM).

Luați în considerare senzorul PIR Click de la MickroE. Aceasta este o placă de circuit imprimat (PCB) cu toate componentele pasive necesare pentru a realiza un nod de senzor PIR funcțional. Placa Click se bazează pe o soluție Op Amp, inclusiv ADC-uri, rezistoare și capacitoare și este făcută să funcționeze imediat pentru a facilita prototiparea și evaluarea.

O configurație tipică pentru o prototipare ușoară poate fi utilizarea plăcii PIR Click în combinație cu Microchip Curiosity Nano Base for Click boards™ și un kit de evaluare Curiosity Nano. O soluție de nod de senzori PIR poate beneficia de utilizarea unui microcontroler precum ATtiny1627 de la Microchip Technology, care dispune de un ADC diferențial pe 12-biți și de un PGA.

Numărul de componente externe poate fi redus semnificativ prin eliminarea necesității unui amplificator operațional extern pentru amplificarea semnalului. Acest lucru (împreună un ADC extern) determină eliminarea mai multor alte componente pasive, cum ar fi rezistoarele și capacitoarele.

Notă: În acest exemplu, placa PIR click este utilizată ca punct de plecare pentru modificări, deoarece este mai convenabil decât să se proiecteze un nou PCB și să se achiziționeze componentele necesare. Această soluție modificată nu intră în concurență cu rolul plăcilor Click.

Așadar, prin utilizarea unui astfel de microcontroler, configurația PCB a plăcii PIR click poate fi redusă semnificativ. Figura 2 ilustrează modul în care pot fi eliminate componentele (X) și cum pot fi realizate noile conexiuni (linii albastre).

Cu aceste modificări, profitând de ADC-ul diferențial pe 12-biți încorporat și de PGA, figura 3 ilustrează, de asemenea, cât de puține componente externe sunt necesare atunci când se selectează microcontrolerul potrivit.

Cu mai puține componente externe, proiectarea hardware (precum și a PCB-ului) va fi mai curată și mai compactă, deoarece există mai puține considerente hardware care trebuie luate în considerare atunci când vine vorba de plasarea componentelor externe. În plus, software-ul și firmware-ul pot fi mai compacte și mai eficiente, deoarece mai multe dintre sarcini sunt gestionate în interiorul microcontrolerului.