采用16-bit MCU實(shí)現(xiàn)超低功耗運(yùn)動(dòng)檢測(cè)

諧振 LC 傳感器技術(shù)用于運(yùn)動(dòng)檢測(cè)已有數(shù)年，包括流量計(jì)量以及其它低速轉(zhuǎn)動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)等。幾乎在所有情況下，推動(dòng)上述傳感器設(shè)計(jì)發(fā)展的共同主線都是低功耗解決方案的需求，它通常為電池供電設(shè)備的低功耗解決方案。通過(guò)模擬測(cè)量組件與獨(dú)立于主 CPU 工作的狀態(tài)機(jī)處理接口相結(jié)合，本文以德州儀器 (TI) 的 MSP430FW42x 系列16位MCU為例，給出超低功耗運(yùn)動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)解決方案的清晰說(shuō)明。 　　圖 1 顯示了簡(jiǎn)易旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)施。除了微控制器與顯示器之外，還顯示了二通道諧振 LC 傳感器的配置。單一傳感器僅可用于轉(zhuǎn)動(dòng)檢測(cè)，添加了第二個(gè)傳感器后，就還可提供方向信息。

圖 1 MSP430FW42x 轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)原理圖

傳感器原理

使用諧振 LC 傳感器的基本原理與 LC 電路振蕩時(shí)電感器輻射的磁場(chǎng)干擾有關(guān)。上述振蕩由 LC 傳感器脈沖引起，然后將一側(cè)釋放為高阻抗。激勵(lì)后的振蕩頻率是傳感器的基本頻率，計(jì)算如下：

一旦電路進(jìn)入振蕩，則 LC fOSC 輸出隨存儲(chǔ)能量的消耗迅速衰減為零。振蕩時(shí)，通過(guò)傳感器的電流產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)通常不受外部因素影響。但當(dāng)有金屬表面靠近振蕩的電感器時(shí)，信號(hào)衰減速率就會(huì)快很多。圖 2 顯示了更詳細(xì)的傳感器配置視圖，并顯示了減振輪 (damping wheel) 以及相應(yīng)的輸出信號(hào)。

圖 2 傳感器配置與振蕩

如圖 2 所示，傳感器 1 受到轉(zhuǎn)動(dòng)輪金屬涂層部分的影響。與未受影響的傳感器 2 的信號(hào)輸出相比，振蕩衰減率增加。由磁場(chǎng)切割在金屬表面形成的感應(yīng)渦流增加了 LC 傳感器的負(fù)載，從而加快了激勵(lì)振蕩的存儲(chǔ)能量的消耗。增加的衰減率也可稱為金屬表面產(chǎn)生的傳感器衰減。如能夠順利地檢測(cè)到與對(duì)應(yīng)未衰減條件相應(yīng)的衰減信號(hào)，則可檢測(cè)精心設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)輪的系統(tǒng)就提供一種感應(yīng)給定系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的方法。

檢測(cè)電路

每個(gè)傳感器的激勵(lì)都由傳感器一側(cè)的簡(jiǎn)單脈沖提供。振蕩檢測(cè)以及更重要的變化衰減率檢測(cè)用簡(jiǎn)單的比較器與電壓參考實(shí)施。我們用有關(guān)振蕩信號(hào)驅(qū)動(dòng)比較器的一個(gè)輸入，用參考信號(hào)驅(qū)動(dòng)其它輸入，這樣，如比較器輸出大于參考電壓，就會(huì)與傳感器輸出發(fā)生振蕩；如振蕩低于比較器參考電壓，則比較器輸出會(huì)變?yōu)榱?。閉鎖比較器輸出，就完成了模擬傳感器系統(tǒng)到數(shù)字域的轉(zhuǎn)變，可進(jìn)行 uC 處理。如果我們仔細(xì)校準(zhǔn)比較器參考與信號(hào)具體點(diǎn)上的衰減和未衰減振蕩間的下降，那么比較器輸出就會(huì)反映傳感器的狀態(tài)。如果我們以通用數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) 替代參考的話，那么就可以方便地校準(zhǔn)參考電壓，并能根據(jù)系統(tǒng)稍有不同的傳感器的要求積極修改參考電壓，或?qū)y(cè)量系統(tǒng)施加磁滯。