16-bit MCU實(shí)現超低功耗運動(dòng)檢測

諧振 LC 傳感器技術(shù)用于運動(dòng)檢測已有數年，包括流量計量以及其它低速轉動(dòng)檢測系統等。幾乎在所有情況下，推動(dòng)上述傳感器設計發(fā)展的共同主線(xiàn)都是低功耗解決方案的需求，它通常為電池供電設備的低功耗解決方案。通過(guò)模擬測量組件與獨立于主 CPU 工作的狀態(tài)機處理接口相結合，本文以德州儀器 (TI) 的 MSP430FW42x 系列16位MCU為例，給出超低功耗運動(dòng)檢測系統解決方案的清晰說(shuō)明。 圖 1 顯示了簡(jiǎn)易旋轉運動(dòng)檢測系統的實(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動(dòng)檢測，添加了第二個(gè)傳感器后，就還可提供方向信息。

圖 1 MSP430FW42x 轉動(dòng)系統原理圖

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，然后將一側釋放為高阻抗。激勵后的振蕩頻率是傳感器的基本頻率，計算如下：

一旦電路進(jìn)入振蕩，則 LC fOSC 輸出隨存儲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。但當有金屬表面靠近振蕩的電感器時(shí)，信號衰減速率就會(huì )快很多。圖 2 顯示了更詳細的傳感器配置視圖，并顯示了減振輪 (damping wheel) 以及相應的輸出信號。

圖 2 傳感器配置與振蕩

如圖 2 所示，傳感器 1 受到轉動(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渦流增加了 LC 傳感器的負載，從而加快了激勵振蕩的存儲能量的消耗。增加的衰減率也可稱(chēng)為金屬表面產(chǎn)生的傳感器衰減。如能夠順利地檢測到與對應未衰減條件相應的衰減信號，則可檢測精心設計轉動(dòng)輪的系統就提供一種感應給定系統運動(dòng)的方法。

檢測電路

每個(gè)傳感器的激勵都由傳感器一側的簡(jiǎn)單脈沖提供。振蕩檢測以及更重要的變化衰減率檢測用簡(jiǎn)單的比較器與電壓參考實(shí)施。我們用有關(guān)振蕩信號驅動(dòng)比較器的一個(gè)輸入，用參考信號驅動(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到數字域的轉變，可進(jìn)行 uC 處理。如果我們仔細校準比較器參考與信號具體點(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)。如果我們以通用數模轉換器 (DAC) 替代參考的話(huà)，那么就可以方便地校準參考電壓，并能根據系統稍有不同的傳感器的要求積極修改參考電壓，或對測量系統施加磁滯。

對于圖 1 顯示的詳細系統，我們采用雙傳感器設置，從而既能檢測轉動(dòng)、又能檢測方向。如果我們如圖 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，這就能提供轉動(dòng)與方向編碼信號。圖 3 顯示了隨著(zhù)輪轉動(dòng)的傳感器變化情況以及相應的數字譯碼。

圖 3 雙 LC 傳感器正交數字輸出

雖然檢測衰減與未衰減傳感器輸出并將其轉換為數字輸出相對簡(jiǎn)單，但是處理上述數據并將其應用于更大的狀態(tài)機則相當困難。主機控制器不僅須進(jìn)行激勵并測量系統中的傳感器，還必須在檢測到轉動(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)現此目的，同時(shí)所需數字與模擬元件的集成使我們有潛力實(shí)現更低成本、更低功耗解決方案。

我們這里所說(shuō)的模擬與數字處理元件的組合與集成構成超低功耗微控制器的基礎，特別是針對采用上述傳感器配置的應用。掃描接口 (SIF) 把掃描每個(gè)傳感器并處理數字數據所需的構建塊整合到單個(gè)硬件模塊中，系統設計人員可對此模塊進(jìn)行全面編程。

由于 LC 傳感器只有在較短的激勵脈沖中才產(chǎn)生功耗，因此這類(lèi)傳感器非常適用于那些微放大器每一部分都會(huì )對總系統成敗產(chǎn)生影響的應用。當與超低功耗架構相結合時(shí)，就能實(shí)現總體系統的低功耗。

系統總結

圖 1 顯示的詳細系統工作時(shí)平均電流消耗略低于 4uA?？傁到y電流由以下因素構成：持續激勵與每個(gè)傳感器的測量，每次全程轉動(dòng)后 CPU 喚醒進(jìn)行數據處理，以及基于靜態(tài)圖塊 (segment) 的 LCD 顯示器。當采用典型的 220mAHr 3V CR2032 等電池供電的解決方案時(shí)，類(lèi)似所描述系統的使用壽命可超過(guò) 5 年，計算如下：

其中傳感器激勵與測量的平均時(shí)間電流消耗約為 2.7uA，而附加的 LCD 電流約為1uA。諸如在 CPU 數據處理前增加最小的轉動(dòng)數或降低 LC 傳感器激勵頻率等簡(jiǎn)單改變，就能進(jìn)一步降低系統平均電流消耗，從而延長(cháng)單電池供電的系統壽命。

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打開(kāi)大門(mén)。MSP430FW42x 系列微控制器集成了滿(mǎn)足關(guān)鍵系統要求（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，適用于多種運動(dòng)檢測應用。新型 MSP430FW42x 系列不僅適合超低功耗系統，而且 SIF 硬件模塊的靈活性與功率還有助于開(kāi)發(fā)復雜的狀態(tài)機以及狀態(tài)機的處理，從而將 CPU 從傳統的任務(wù)中解放出來(lái)。這種集成提高了 CPU 效率，降低了系統功耗，并釋放 CPU 帶寬用于其它任務(wù)（如數據通信、更強大可靠的用戶(hù)接口以及更復雜的數據處理等）。