Microchip Technology 

MCU8 

Stian Sogstad 

在开发安防系统和无线医疗监测设备等应用时，设计的成功与否取决于诸多因素。然而， 对于这类电池供电的联网应用，设计复杂性和电源效率可能是其中最为重要的因素。这是因为， 如需延长终端应用所需的电池寿命，就必须降低平均功耗。为了打造可靠且寿命更长的设计，同 时更好地满足这类应用的功耗要求，设计人员应首先考虑使用外形小巧，内置智能、复杂的特性和功能，同时具有节能效果的单片机（MCU）。此类 MCU 能够处理应用所需的大多数任务，因此有助于降低传感器节点设计对外部无源元件的需求，同时具有低功耗和其他内置特性，能够提 高灵活性和简便性。 

例如，在设计家庭安防系统等应用的电池供电传感器节点时，通常会在住宅内外使用无源红外（PIR）传感器检测可疑的运动。PIR 传感器可检测传感器元件所感知的红外辐射量的变化，这种变化会因传感器检测范围内物体的温度和表面特性而有所不同。当有人经过传感器检测 范围时，传感器会检测到环境温度变为人体体温，然后再恢复至环境温度。它会将人进入时所引 起的红外辐射量变化转换为输出电压（VPIR(t)）的变化。对于与环境温度相同但表面特性不同的 其他物体，传感器也会检测到不同的辐射模式，如图 1 所示。 

图 1.PIR 传感器运动检测原理

PIR 传感器的输出信号电平通常非常低，不足 1 mV。若要检测到运动同时避免误检，需要先将模 拟信号放大再由模数转换器（ADC）进行采样。在典型的 PIR 解决方案中，信号放大使用高增益 多级运算放大器（Op Amp）实现，而这会提高设计的复杂性、增加元件数量、降低电源效率和增加成本等。请继续阅读下文，了解小巧又节能的 MCU 如何帮助降低这些不利影响。 

设计复杂性 

若 PIR 传感器节点设计基于具有所需功能集（如 12 位差分 ADC 和可编程增益放大器 （PGA））的小型 MCU，则可降低对外部元件的需求，并可节省电路板空间和物料清单 （BOM）成本。因此，可以考虑使用 MickroE 的 PIR click 传感器。它是一块印刷电路板 （PCB)，其中包含了形成正常工作的 PIR 传感器节点所需的所有无源元件。该 click 板基于运放 解决方案，ADC、电阻和电容均已包括在内，因此可开箱即用，便于轻松进行原型设计和评估。 为便于轻松进行原型设计，可以采用的典型设置为，将 PIR click 板与 Microchip 适用于 Click boards™的 Curiosity Nano 基板和 Curiosity Nano 评估工具包搭配使用。如果使用 Microchip Technology 具有 12 位差分 ADC 和 PGA 的 ATtiny1627 等 MCU，PIR 传感器节点解决方案可以获得优势。由于无需使用外部运放放大信号，可显著减少外部元件的数量。再加上无需外部 ADC，因此还可以省去电阻和电容等其他多种无源元件。 

因此，使用此类 MCU，可显著减少 PIR click 的 PCB 布线工作。图 2 展示了可以省去的元件 （X）以及新的连接方式（蓝色线条）。 

注：图中展示了在 PIR click 的基础上进行修改的示例，因为这种修改比设计新的 PCB 并获取所 需元件更为方便。修改后的解决方案与 click 板的用途并不冲突。 

图 2.PIR click 修改示例和原理图

经过上述修改后，即可利用内置的 12 位差分 ADC 和 PGA。选择适合的 MCU 后，可大大减少所 需的外部元件，如图 3 所示。 

图 3.修改后的 PIR click 和原理图 

减少所用的外部元件后，如需替换外部元件，要考虑的硬件注意事项也相应减少，因此硬件和 PCB 设计更为整洁、紧凑。此外，由于更多任务都在 MCU 中处理，软件和固件也更加紧凑和高 效。时序和同步的管理也更为方便简洁。 

若将传感器节点设计的大部分复杂性从硬件转移至 MCU 和中央处理单元（CPU）并在固 件中加以管理，在开发过程中就可以更为灵活地更改和添加功能，而无需花费时间重新设计电路板布局，从而能够节省设计时间和成本。同时，针对功耗等其他因素的代码优化也更为方便。只 需更改参数设置，设计人员就能更改应用程序代码来添加功能，或优化代码来降低功耗或与环境 条件相关的敏感性。当环境温度超过 30°C 时，传感器在有人进入检测范围时可能很难检测到，而优化代码可降低系统对环境温度变化的敏感性。在添加功能时，可以添加机器学习功能，用于 识别运动模式并帮助系统学习如何区分噪声或人与动物的运动等。 

对于使用 PIR 传感器的运动检测应用，ATtiny1627 等 MCU 内置有所需的大部分功能，因 此可将设计的复杂性从硬件转移至固件和软件。如此便可降低复杂性，同时提高灵活性。 

电源效率 

对无线传感器节点而言，功耗是一项重要考量因素。这是因为电池的使用寿命越长，传感 器节点的使用寿命就越长，因此整个传感器网络系统的使用寿命也就越长。这一点对所有无线传 感器系统都适用。如果已安装数十、数百甚至数千个传感器来实现不同的监测功能，当节点关闭 时，则该节点将被视为死亡或功能异常。对于较大型的传感器系统，更换电池或节点本身意味着 为最终用户带来额外成本，并且在节点处于关闭状态时，系统将会失效或无法充分发挥作用，因此在发生意外事件时可能不会发出通知。因此，电池的使用寿命越长越好。

由于 MCU 具有休眠模式并且可快速唤醒，每个传感器节点的功耗都可以达到非常低的水 平。节点可以休眠，当在传感器检测范围内出现温度变化并由此检测到运动时，节点就会快速唤 醒，并在完成信号处理后返回休眠模式。因此，能够延长每个电池供电节点的工作时间，而无需更换电池。请参见图 4，了解使用休眠模式和快速唤醒时 CPU 的运行方式。功耗取决于具体应用，并且会根据 PIR 传感器的配置、采样时间和滤波参数而有所不同，这些因素也会影响传感器 的检测范围和/或灵敏度。若应用需要达到更低的功耗，可以对这些参数进行调整，进一步降低功耗。 

图 4. 固件时序图 

ATtiny1627 等 MCU 外形小巧且功能强大，并且内置有智能、复杂的特性和功能，可改进 电流消耗和功耗效率，从而延长电池供电联网应用的使用寿命，同时降低设计复杂性、削减系统 总成本和缩短上市时间。如需了解有关如何设计低功耗和经济实用的 PIR 运动检测应用的详细信 息，请访问 www.microchip.com。