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2020年12月29日 | 基于16-bit MCU实现超低功耗运动检测系统解决方案
2020-12-29 来源：elecfans
谐振 LC 传感器技术用于运动检测已有数年，包括流量计量以及其它低速转动检测系统等。几乎在所有情况下，推动上述传感器设计发展的共同主线都是低功耗解决方案的需求，它通常为电池供电设备的低功耗解决方案。通过模拟测量组件与独立于主 CPU 工作的状态机处理接口相结合，本文以德州仪器 （TI） 的 MSP430FW42x 系列16位MCU为例，给出超低功耗运动检测系统解决方案的清晰说明。图 1 显示了简易旋转运动检测系统的实施。除了微控制器与显示器之外，还显示了二通道谐振 LC 传感器的配置。单一传感器仅可用于转动检测，添加了第二个传感器后，就还可提供方向信息。
图 1 MSP430FW42x 转动系统原理图
传感器原理
使用谐振 LC 传感器的基本原理与 LC 电路振荡时电感器辐射的磁场干扰有关。上述振荡由 LC 传感器脉冲引起，然后将一侧释放为高阻抗。激励后的振荡频率是传感器的基本频率，计算如下：
一旦电路进入振荡，则 LC fOSC 输出随存储能量的消耗迅速衰减为零。振荡时，通过传感器的电流产生磁场，磁场通常不受外部因素影响。但当有金属表面靠近振荡的电感器时，信号衰减速率就会快很多。图 2 显示了更详细的传感器配置视图，并显示了减振轮 （damping wheel） 以及相应的输出信号。
图 2 传感器配置与振荡
如图 2 所示，传感器 1 受到转动轮金属涂层部分的影响。与未受影响的传感器 2 的信号输出相比，振荡衰减率增加。由磁场切割在金属表面形成的感应涡流增加了 LC 传感器的负载，从而加快了激励振荡的存储能量的消耗。增加的衰减率也可称为金属表面产生的传感器衰减。如能够顺利地检测到与对应未衰减条件相应的衰减信号，则可检测精心设计转动轮的系统就提供一种感应给定系统运动的方法。
检测电路
每个传感器的激励都由传感器一侧的简单脉冲提供。振荡检测以及更重要的变化衰减率检测用简单的比较器与电压参考实施。我们用有关振荡信号驱动比较器的一个输入，用参考信号驱动其它输入，这样，如比较器输出大于参考电压，就会与传感器输出发生振荡；如振荡低于比较器参考电压，则比较器输出会变为零。闭锁比较器输出，就完成了模拟传感器系统到数字域的转变，可进行 uC 处理。如果我们仔细校准比较器参考与信号具体点上的衰减和未衰减振荡间的下降，那么比较器输出就会反映传感器的状态。如果我们以通用数模转换器 （DAC） 替代参考的话，那么就可以方便地校准参考电压，并能根据系统稍有不同的传感器的要求积极修改参考电压，或对测量系统施加磁滞。
对于图 1 显示的详细系统，我们采用双传感器设置，从而既能检测转动、又能检测方向。如果我们如图 2 所示相隔 90 度放置传感器，并采用 180 度的金属涂层轮，双 LC 传感器就会产生正交信号，这就能提供转动与方向编码信号。图 3 显示了随着轮转动的传感器变化情况以及相应的数字译码。
图 3 双 LC 传感器正交数字输出
虽然检测衰减与未衰减传感器输出并将其转换为数字输出相对简单，但是处理上述数据并将其应用于更大的状态机则相当困难。主机控制器不仅须进行激励并测量系统中的传感器，还必须在检测到转动时采取行动，并跟踪方向与传感器信息的处理。如上所述，我们可用另外的分离式解决方案实现此目的，同时所需数字与模拟元件的集成使我们有潜力实现更低成本、更低功耗解决方案。
我们这里所说的模拟与数字处理元件的组合与集成构成超低功耗微控制器的基础，特别是针对采用上述传感器配置的应用。扫描接口 （SIF） 把扫描每个传感器并处理数字数据所需的构建块整合到单个硬件模块中，系统设计人员可对此模块进行全面编程。
由于 LC 传感器只有在较短的激励脉冲中才产生功耗，因此这类传感器非常适用于那些微放大器每一部分都会对总系统成败产生影响的应用。当与超低功耗架构相结合时，就能实现总体系统的低功耗。
系统总结
图 1 显示的详细系统工作时平均电流消耗略低于 4uA。总系统电流由以下因素构成：持续激励与每个传感器的测量，每次全程转动后 CPU 唤醒进行数据处理，以及基于静态图块 （segment） 的 LCD 显示器。当采用典型的 220mAHr 3V CR2032 等电池供电的解决方案时，类似所描述系统的使用寿命可超过 5 年，计算如下：
其中传感器激励与测量的平均时间电流消耗约为 2.7uA，而附加的 LCD 电流约为1uA。诸如在 CPU 数据处理前增加最小的转动数或降低 LC 传感器激励频率等简单改变，就能进一步降低系统平均电流消耗，从而延长单电池供电的系统寿命。
业界采用谐振 LC 传感器技术已经多年，将此传感器接口与超低功耗处理器进行集成，就可为新一代智能传感系统打开大门。MSP430FW42x 系列微控制器集成了满足关键系统要求（如高功效、小外形、低成本以及更快的产品上市进程）所需的所有功能，适用于多种运动检测应用。新型 MSP430FW42x 系列不仅适合超低功耗系统，而且 SIF 硬件模块的灵活性与功率还有助于开发复杂的状态机以及状态机的处理，从而将 CPU 从传统的任务中解放出来。这种集成提高了 CPU 效率，降低了系统功耗，并释放 CPU 带宽用于其它任务（如数据通信、更强大可靠的用户接口以及更复杂的数据处理等）。
史海拾趣
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