Mikrokontrolery z rozbudowanymi funkcjami analogowymi. Optymalizacja projektu na praktycznym przykładzie

Mikrokontrolery z rozbudowanymi funkcjami analogowymi. Optymalizacja projektu na praktycznym przykładzie

Rozwój aplikacji, takich jak sensory systemów bezpieczeństwa, czy bezprzewodowe urządzenia do monitorowania medycznego, zależy od kilku czynników. Aby połączyć rozwój z sukcesem rynkowym należy połączyć nowoczesną funkcjonalność z optymalnym rozwiązaniem układowym. Dodatkowym wymaganiem jest wysoka wydajność energetyczna – może być jednym z najważniejszych kryteriów, ponieważ wiele nowych aplikacji korzysta z zasilania bateryjnego lub uzyskanego z otoczenia.

Im niższe średnie zużycie energii tym dłuższa żywotność baterii i dłuższe okresy przeglądów. Aby lepiej spełnić wymagania dotyczące zasilania jednocześnie tworząc zwarte i niezawodne projekty, projektanci powinni najpierw rozważyć małe i energooszczędne mikrokontrolery (MCU) ze zintegrowanymi rozbudowanymi i inteligentnymi peryferiami i funkcjami. Takie mikrokontrolery są w stanie obsłużyć większość zadań wymaganych przez aplikację, zmniejszając liczbę zewnętrznych elementów pasywnych w całej konstrukcji i jednocześnie zapewniając niski pobór mocy. Natomiast wbudowane funkcje zapewniają dodatkową elastyczność i wygodną konfigurację.

Praktyczny przykład – detektor ruchu z czujnikiem PIR

Zasilane bateryjnie węzły czujnikowe do zastosowań takich, jak systemy bezpieczeństwa w domu, to np. detektor ruchu na bazie czujnika pasywnej podczerwieni (PIR). Może być umieszczany wewnątrz i na zewnątrz domu. Wykrywa zmiany w ilości promieniowania podczerwonego „widzianego” przez czujnik, która zmienia się w zależności od temperatury i charakterystyki powierzchni obiektu przed czujnikiem. Gdy osoba przechodzi między czujnikiem a tłem, czujnik wykrywa zmianę temperatury otoczenia uwzględniając temperaturę ciała. Powstała zmiana w promieniowaniu podczerwonym jest przekształcana na zmianę napięcia wyjściowego – VPIR(t). Inne obiekty o tej samej temperaturze co tło, ale o innej charakterystyce powierzchni, również spowodują, że czujnik wykryje inny wzorzec emisji. Cały cykl sposobu działania czujnika pokazano na rysunku 1.

Rysunek 1. Zasada działania sensora PIR

Poziomy sygnału wyjściowego z czujnika PIR są zazwyczaj bardzo niskie – poniżej 1 mV. Aby wykryć ruch i uniknąć fałszywych alarmów, sygnał analogowy musi zostać wzmocniony przed próbkowaniem przez przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC). W typowych rozwiązaniach osiąga się to za pomocą kilku stopniowego wzmacniacza na bazie układów wzmacniaczy operacyjnych (Op Amp) o wysokim wzmocnieniu. W ten sposób zwiększa się złożoność projektu i liczba komponentów, pogarsza się wydajność energetyczna i bilans kosztów, a ostatecznie rosną gabaryty produktu końcowego. W dalszej części artykułu zaprezentujemy w jaki sposób niewielki mikrokontroler może pomóc w optymalizacji projektu.

Złożoność projektu

Detektor z czujnikiem PIR można zbudować z zastosowaniem mikrokontrolera w małej obudowie z odpowiednim zestawem peryferiów, takim jak 12-bitowy różnicowy przetwornik ADC z programowalnym wzmacniaczem wzmocnienia PGA. Znacząco zmniejszy się zapotrzebowanie na komponenty zewnętrzne, zajmowane miejsce na płycie PCB i całkowity koszt materiałów (BOM).

W naszej prezentacji użyjemy modułu PIR Click firmy MickroE. Jest to płytka drukowana ze wszystkimi elementami tworzącymi kompletny detektor PIR. Zawiera wzmacniacze operacyjne, przetwornik ADC oraz wszystkie elementy pasywne i jest gotowa do pracy zaraz po wyjęciu z pudełka, co ułatwia prototypowanie i testy. Dobrą bazą do szybkiego startu może być użycie płytki PIR Click w połączeniu z płytką Microchip Curiosity Nano Base for Click Boards i zestawem ewaluacyjnym Curiosity Nano. Projekt detektora PIR zyska wiele korzyści przy zastosowaniu mikrokontrolera, takiego jak ATtiny1627 firmy Microchip Technology. Liczbę komponentów zewnętrznych można znacznie zmniejszyć, eliminując potrzebę stosowania zewnętrznego wzmacniacza operacyjnego do wzmacniania sygnału i zewnętrzny przetwornik ADC. Dzięki temu można też zrezygnować z kilkunastu elementów pasywnych, takich jak rezystory i kondensatory.

Stosując odpowiednio dobrany mikrokontroler można znacznie uprościć układ. Na rysunku 2 kolorem czerwonym zostały zaznaczone elementy zbędne, które można usunąć z płytki modułu PIR Click, natomiast kolorem niebieskim zaznaczono nowe połączenia które należy wykonać.

Rysunek 2. Zastosowane modyfikacje projektu modułu PIR Click

W tym przykładzie moduł PIR Click służy jako podstawa do modyfikacji, ponieważ było to wygodniejsze niż zaprojektowanie nowej płytki PCB i pozyskanie wymaganych komponentów. To zmodyfikowane rozwiązanie nie konkuruje z przeznaczeniem modułu. Na rysunku 3 pokazano finalny schemat obwodu, który wyraźnie podkreśla różnice w projekcie, zwlaszcza to jak niewiele elementów zewnętrznych jest wymaganych przy zastosowaniu właściwego MCU.

Rysunek 3. Kompletny schemat aplikacji po modyfikacjach

Modyfikacje tylko w oprogramowaniu

Przy mniejszej liczbie komponentów zewnętrznych konstrukcja PCB będzie prostsza i bardziej kompaktowa, ale zyskamy również po stronie oprogramowania, ponieważ więcej zadań i parametrów działania będzie określanych z MCU. Kiedy znaczna część złożoności projektu zostaje przeniesiona ze sprzętu do mikrokontrolera i zarządzana przez oprogramowanie układowe, zmiana i dodawanie funkcjonalności podczas procesu rozwoju staje się bardziej elastyczne – bez poświęcania czasu i kosztów na przeprojektowanie układu i płytki. Wygodniejsza staje się również optymalizacja kodu pod kątem różnych czynników, takich jak zużycie energii. Każda zmiana ustawień i parametrów wprowadzana jest na poziomie kodu aplikacji, tak samo jak dodawanie funkcjonalności lub optymalizowanie czułości związanej z warunkami środowiskowymi, takimi jak zmiany temperatury otoczenia. Warto wiedzieć, że sensory PIR mogą mieć trudności z wykryciem człowieka, gdy temperatura otoczenia przekracza 30°C.

Innym przykładem nowoczesnej funkcjonalności może być dodanie elementów uczenia maszynowego w celu rozpoznawania wzorców ruchu. W ten sposób można nauczyć system, jak odróżnić zakłócenia lub np. zwierzęta, od poruszającej się osoby. W przypadku aplikacji do wykrywania ruchu z czujnikiem PIR, mikrokontroler ATtiny1627 pozwala przenieść złożoność projektu ze sprzętu na oprogramowanie układowe. Duża część wymaganych funkcji jest wbudowana w MCU, zatem zmniejsza się konstrukcja, a jednocześnie zwiększa się elastyczność.

Wydajność energetyczna

W bezprzewodowych czujnikach kluczowe znaczenie ma zużycie energii. Dzieje się tak, ponieważ dłuższa żywotność baterii oznacza dłuższą żywotność węzła, a tym samym całej sieci czujników. Dotyczy to wszystkich bezprzewodowych rozwiązań. Jeśli dziesiątki, setki lub tysiące czujników zostaną zainstalowane w różnych systemach monitorowania, to każdy węzeł, który się wyłączy zostanie uznany za martwy lub dysfunkcyjny. W przypadku większych systemów czujników wymiana baterii lub samego węzła oznacza dodatkowy koszt dla użytkownika końcowego, a także awarię lub niepełną funkcjonalność systemu. Takie incydenty są zdecydowanie niepożądane.

Ze względu na różne tryby uśpienia MCU i szybki czas wybudzania, każdy czujnik może zużywać mniej energii. Węzeł może być uśpiony, a następnie może się szybko wybudzić po wykryciu ruchu, czyli zmiany temperatury w obrębie działania czujnika. Następnie sygnał będzie przetworzony, a po ukończeniu zadań czujnik wróci do stanu uśpienia. Przy takim schemacie działania węzeł będzie funkcjonował dłużej bez konieczności wymiany baterii.

Na rysunku 4 pokazano, jak działa procesor podczas korzystania z trybów uśpienia i szybkiego czasu wybudzania. Zużycie energii zależy od aplikacji i będzie się różnić w zależności od konfiguracji czujnika PIR, czasu zbierania próbki i parametrów filtrowania, co również wpływa na zakres wykrywania i/lub czułość. Dostosowanie tych parametrów umożliwia dalsze zmniejszenie zużycia energii, gdy wymagania aplikacji są wyższe.

Rysunek 4. Sposób funkcjonowania oprogramowania układowego

Podsumowanie

Rozbudowane i inteligentne peryferia i funkcje wbudowane w MCU poprawiają zużycie prądu i wydajność energetyczną. Niewielkie mikrokontrolery, takie jak ATtiny1627, zwiększą żywotność aplikacji zasilanych bateryjnie i podłączonych do sieci, jednocześnie zmniejszając złożoność projektu, całkowite koszty systemu i czas wprowadzenia na rynek. Aby dowiedzieć się więcej o projektowaniu energooszczędnej i ekonomicznej aplikacji do wykrywania ruchu z sensorem PIR, odwiedź www.microchip.com.

Stian Sogstad
Microchip Technology

Artykuł ukazał się w
Elektronika Praktyczna
lipiec 2022

Elektronika Praktyczna Plus lipiec - grudzień 2012

Elektronika Praktyczna Plus

Monograficzne wydania specjalne

Elektronik sierpień 2022

Elektronik

Magazyn elektroniki profesjonalnej

Raspberry Pi 2015

Raspberry Pi

Wykorzystaj wszystkie możliwości wyjątkowego minikomputera

Świat Radio lipiec - sierpień 2022

Świat Radio

Magazyn krótkofalowców i amatorów CB

Automatyka Podzespoły Aplikacje lipiec 2022

Automatyka Podzespoły Aplikacje

Technika i rynek systemów automatyki

Elektronika Praktyczna sierpień 2022

Elektronika Praktyczna

Międzynarodowy magazyn elektroników konstruktorów

Elektronika dla Wszystkich sierpień 2022

Elektronika dla Wszystkich

Interesująca elektronika dla pasjonatów