安全系統(tǒng)和無(wú)線醫(yī)療監(jiān)控設(shè)備等應(yīng)用的開(kāi)發(fā)取決于多種因素，以確保設(shè)計(jì)成功。然而，對(duì)于這些電池供電的連接應(yīng)用來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)復(fù)雜性和功效可能是最重要的問(wèn)題之一。這是因?yàn)樽罱K應(yīng)用所需的電池壽命越長(zhǎng)，平均功耗就必須越低。
　　為了更好地滿足這些應(yīng)用的功耗要求，同時(shí)實(shí)現(xiàn)可靠和長(zhǎng)壽命的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)首先考慮具有復(fù)雜內(nèi)置特性和功能的小型且節(jié)能的微控制器 (MCU)。此類 MCU 可以處理應(yīng)用所需的大部分任務(wù)，減少傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中對(duì)外部無(wú)源組件的需求，同時(shí)顯著降低功耗。
　　例如，在為家庭安全系統(tǒng)等應(yīng)用設(shè)計(jì)電池供電的傳感器節(jié)點(diǎn)時(shí)，通常會(huì)在住宅內(nèi)外放置被動(dòng)紅外 (PIR) 運(yùn)動(dòng)探測(cè)器。PIR 傳感器檢測(cè)傳感器元件“看到”的紅外輻射量的變化，該變化取決于傳感器前面物體的溫度和表面特性?！　‘?dāng)一個(gè)人經(jīng)過(guò)傳感器和背景之間時(shí)，傳感器會(huì)檢測(cè)到從環(huán)境溫度到體溫的變化，然后再返回。它將傳入紅外輻射的變化轉(zhuǎn)換為輸出電壓 (V PIR(t) )的變化。與背景溫度相同但表面特性不同的其他物體也會(huì)導(dǎo)致傳感器檢測(cè)到不同的發(fā)射模式（圖 1）。

　圖 1 PIR 傳感器根據(jù)上述運(yùn)動(dòng)檢測(cè)原理進(jìn)行工作。微芯科技

　　PIR 傳感器的輸出信號(hào)電平通常非常低，小于 1 mV。為了檢測(cè)運(yùn)動(dòng)并避免錯(cuò)誤檢測(cè)，模擬信號(hào)需要在被模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 采樣之前進(jìn)行放大。在典型的 PIR 解決方案中，這是通過(guò)使用多個(gè)具有高增益的運(yùn)算放大器 (op amp) 級(jí)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這反過(guò)來(lái)又增加了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性、元件數(shù)量、功率效率、成本等。本文展示了小型、高能效的 MCU 如何幫助解決這些問(wèn)題。
　　PIR 傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
　　將 PIR 傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)基于具有合適功能集的小尺寸 MCU（例如具有可編程增益放大器 (PGA) 的 12 位差分 ADC），可減少對(duì)外部組件、電路板空間和物料清單 (BOM) 的需求成本?？紤]一下MickroE 的PIR Click傳感器。它是一個(gè) PCB，包含制作工作 PIR 傳感器節(jié)點(diǎn)所需的所有無(wú)源元件。Click 板基于運(yùn)算放大器解決方案（包括 ADC、電阻器和電容器），并且已開(kāi)發(fā)為開(kāi)箱即用的解決方案，可輕松進(jìn)行原型設(shè)計(jì)和評(píng)估。
　　輕松進(jìn)行原型設(shè)計(jì)的典型設(shè)置是將 PIR Click 板與 Microchip Curiosity Nano Base for Clickboards ? 和Curiosity Nano 評(píng)估套件結(jié)合使用。在這里，PIR 傳感器節(jié)點(diǎn)解決方案可以受益于使用 Microchip Technology 的ATtiny1627等 MCU，該 MCU 具有 12 位差分 ADC 和 PGA。由于無(wú)需使用外部運(yùn)算放大器來(lái)放大信號(hào)，因此可以顯著減少外部組件的數(shù)量。它還消除了對(duì)外部 ADC 以及其他幾個(gè)無(wú)源組件（例如電阻器和電容器）的需要。
　　因此，通過(guò)使用此類 MCU，可以顯著縮減 PIR Click 的 PCB 布局。圖 2說(shuō)明了如何移除組件 (X) 以及如何建立新連接（藍(lán)線）。值得注意的是，在本例中，PIR Click 被用作修改的基礎(chǔ)，因?yàn)樗仍O(shè)計(jì)新的 PCB 和獲取所需的組件更方便。此修改后的解決方案并不與 Click 板的用途相競(jìng)爭(zhēng)。

　　圖 2. PIR Click 的修改示例以及顯示從 BOM 中刪除的組件的原理圖。微芯科技
　　通過(guò)這些修改，利用內(nèi)置 12 位差分 ADC 和 PGA，圖 3還說(shuō)明了選擇正確的 MCU 時(shí)需要的外部組件有多么少。

　　圖 3.修改后的 PIR Click 和原理圖突出顯示了減少的 BOM。微芯科技
　　由于外部元件較少，硬件和 PCB 設(shè)計(jì)將更加簡(jiǎn)潔、緊湊。此外，隨著 MCU 內(nèi)處理更多任務(wù)，軟件和固件可以更加緊湊和高效。定時(shí)和同步也將更易于管理。
　　當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的大部分復(fù)雜性從硬件轉(zhuǎn)移到 MCU 和 CPU 中，并在固件中進(jìn)行管理時(shí)，在開(kāi)發(fā)過(guò)程中更改和添加功能變得更加靈活，而無(wú)需花費(fèi)時(shí)間重新設(shè)計(jì)電路板布局。這反過(guò)來(lái)又節(jié)省了設(shè)計(jì)人員的時(shí)間和成本。優(yōu)化其他任務(wù)（例如功耗）的代碼也變得更加方便。
　　只需更改參數(shù)設(shè)置，設(shè)計(jì)人員就可以更改應(yīng)用代碼以添加功能、優(yōu)化代碼以降低功耗，并優(yōu)化與環(huán)境條件（例如環(huán)境溫度變化）相關(guān)的靈敏度，因?yàn)楫?dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，傳感器可能很難檢測(cè)到人體。超過(guò)30°C。另一個(gè)例子：MCU 可以添加機(jī)器學(xué)習(xí)，以識(shí)別運(yùn)動(dòng)模式并教導(dǎo)系統(tǒng)學(xué)習(xí)區(qū)分噪音或真實(shí)的人與動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)。
　　對(duì)于使用 PIR 傳感器的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)應(yīng)用，ATtiny1627 等 MCU 將復(fù)雜性從硬件轉(zhuǎn)移到固件和軟件，因?yàn)樵S多所需的功能都內(nèi)置于 MCU 中。這樣，復(fù)雜性就降低了，同時(shí)靈活性也提高了。
　　功率效率因數(shù)
　　無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的功耗是關(guān)鍵。這是因?yàn)殡姵貕勖介L(zhǎng)，傳感器節(jié)點(diǎn)的壽命就越長(zhǎng)，從而整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的壽命也就越長(zhǎng)。對(duì)于所有無(wú)線傳感器系統(tǒng)都是如此。如果安裝了數(shù)十、數(shù)百或數(shù)千個(gè)傳感器來(lái)進(jìn)行不同類型的監(jiān)控，那么如果節(jié)點(diǎn)關(guān)閉，就會(huì)被視為死亡或功能失調(diào)。對(duì)于較大的傳感器系統(tǒng)，更換電池或節(jié)點(diǎn)本身意味著最終用戶需要額外的成本，并且在節(jié)點(diǎn)關(guān)閉時(shí)系統(tǒng)會(huì)停機(jī)或無(wú)法完全正常工作，因此可能會(huì)在不提供通知的情況下發(fā)生意外事件。因此，電池的續(xù)航時(shí)間越長(zhǎng)越好?！　∮捎?MCU 的睡眠模式和快速喚醒時(shí)間，傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)可以使用最少的功耗。該節(jié)點(diǎn)可以休眠，當(dāng)由于傳感器范圍內(nèi)的溫度變化檢測(cè)到運(yùn)動(dòng)時(shí)快速喚醒，處理信號(hào)然后返回休眠狀態(tài)，從而使每個(gè)電池供電的節(jié)點(diǎn)壽命更長(zhǎng)，而無(wú)需更換電池。請(qǐng)參閱圖 4，了解 CPU 在利用睡眠模式和快速喚醒時(shí)間時(shí)如何運(yùn)行。

　圖 4固件時(shí)序圖顯示了 MCU 在多種功耗模式下運(yùn)行。微芯科技

　　功耗取決于應(yīng)用，并且會(huì)根據(jù) PIR 傳感器的配置、樣本采集時(shí)間和過(guò)濾參數(shù)而變化，這也會(huì)影響檢測(cè)范圍和/或靈敏度。當(dāng)應(yīng)用需求較低時(shí)，考慮調(diào)整這些參數(shù)以進(jìn)一步降低功耗。
　　通過(guò)提供可提高電流消耗和電源效率的復(fù)雜內(nèi)置特性和功能，小尺寸 MCU 可以延長(zhǎng)電池供電和連接應(yīng)用的使用壽命，同時(shí)降低設(shè)計(jì)復(fù)雜性、系統(tǒng)總成本和上市時(shí)間。