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。

對(duì)于圖 1 顯示的詳細(xì)系統(tǒng)，我們采用雙傳感器設(shè)置，從而既能檢測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)、又能檢測(cè)方向。如果我們?nèi)鐖D 2 所示相隔 90 度放置傳感器，并采用 180 度的金屬涂層輪，雙 LC 傳感器就會(huì)產(chǎn)生正交信號(hào)，這就能提供轉(zhuǎn)動(dòng)與方向編碼信號(hào)。圖 3 顯示了隨著輪轉(zhuǎn)動(dòng)的傳感器變化情況以及相應(yīng)的數(shù)字譯碼。

圖 3 雙 LC 傳感器正交數(shù)字輸出

雖然檢測(cè)衰減與未衰減傳感器輸出并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸出相對(duì)簡(jiǎn)單，但是處理上述數(shù)據(jù)并將其應(yīng)用于更大的狀態(tài)機(jī)則相當(dāng)困難。主機(jī)控制器不僅須進(jìn)行激勵(lì)并測(cè)量系統(tǒng)中的傳感器，還必須在檢測(cè)到轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)采取行動(dòng)，并跟蹤方向與傳感器信息的處理。如上所述，我們可用另外的分離式解決方案實(shí)現(xiàn)此目的，同時(shí)所需數(shù)字與模擬元件的集成使我們有潛力實(shí)現(xiàn)更低成本、更低功耗解決方案。

我們這里所說的模擬與數(shù)字處理元件的組合與集成構(gòu)成超低功耗微控制器的基礎(chǔ)，特別是針對(duì)采用上述傳感器配置的應(yīng)用。掃描接口 (SIF) 把掃描每個(gè)傳感器并處理數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)所需的構(gòu)建塊整合到單個(gè)硬件模塊中，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可對(duì)此模塊進(jìn)行全面編程。

由于 LC 傳感器只有在較短的激勵(lì)脈沖中才產(chǎn)生功耗，因此這類傳感器非常適用于那些微放大器每一部分都會(huì)對(duì)總系統(tǒng)成敗產(chǎn)生影響的應(yīng)用。當(dāng)與超低功耗架構(gòu)相結(jié)合時(shí)，就能實(shí)現(xiàn)總體系統(tǒng)的低功耗。

系統(tǒng)總結(jié)

圖 1 顯示的詳細(xì)系統(tǒng)工作時(shí)平均電流消耗略低于 4uA?？傁到y(tǒng)電流由以下因素構(gòu)成：持續(xù)激勵(lì)與每個(gè)傳感器的測(cè)量，每次全程轉(zhuǎn)動(dòng)后 CPU 喚醒進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，以及基于靜態(tài)圖塊 (segment) 的 LCD 顯示器。當(dāng)采用典型的 220mAHr 3V CR2032 等電池供電的解決方案時(shí)，類似所描述系統(tǒng)的使用壽命可超過 5 年，計(jì)算如下：

其中傳感器激勵(lì)與測(cè)量的平均時(shí)間電流消耗約為 2.7uA，而附加的 LCD 電流約為1uA。諸如在 CPU 數(shù)據(jù)處理前增加最小的轉(zhuǎn)動(dòng)數(shù)或降低 LC 傳感器激勵(lì)頻率等簡(jiǎn)單改變，就能進(jìn)一步降低系統(tǒng)平均電流消耗，從而延長單電池供電的系統(tǒng)壽命。

業(yè)界采用諧振 LC 傳感器技術(shù)已經(jīng)多年，將此傳感器接口與超低功耗處理器進(jìn)行集成，就可為新一代智能傳感系統(tǒng)打開大門。MSP430FW42x 系列微控制器集成了滿足關(guān)鍵系統(tǒng)要求（如高功效、小外形、低成本以及更快的產(chǎn)品上市進(jìn)程）所需的所有功能，適用于多種運(yùn)動(dòng)檢測(cè)應(yīng)用。新型 MSP430FW42x 系列不僅適合超低功耗系統(tǒng)，而且 SIF 硬件模塊的靈活性與功率還有助于開發(fā)復(fù)雜的狀態(tài)機(jī)以及狀態(tài)機(jī)的處理，從而將 CPU 從傳統(tǒng)的任務(wù)中解放出來。這種集成提高了 CPU 效率，降低了系統(tǒng)功耗，并釋放 CPU 帶寬用于其它任務(wù)（如數(shù)據(jù)通信、更強(qiáng)大可靠的用戶接口以及更復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理等）。