16-bit MCU實現超低功耗運動檢測

諧振 LC 傳感器技術用于運動檢測已有數年，包括流量計量以及其它低速轉動檢測系統等。幾乎在所有情況下，推動上述傳感器設計發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備的低功耗解決方案。通過模擬測量組件與獨立于主 CPU 工作的狀態機處理接口相結合，本文以德州儀器 (TI) 的 MSP430FW42x 系列16位MCU為例，給出超低功耗運動檢測系統解決方案的清晰說明。 圖 1 顯示了簡易旋轉運動檢測系統的實施。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檢測，添加了第二個傳感器后，就還可提供方向信息。

圖 1 MSP430FW42x 轉動系統原理圖

傳感器原理

使用諧振 LC 傳感器的基本原理與 LC 電路振蕩時電感器輻射的磁場干擾有關。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，通過傳感器的電流產生磁場，磁場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，信號衰減速率就會快很多。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為金屬表面產生的傳感器衰減。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輪的系統就提供一種感應給定系統運動的方法。

檢測電路

每個傳感器的激勵都由傳感器一側的簡單脈沖提供。振蕩檢測以及更重要的變化衰減率檢測用簡單的比較器與電壓參考實施。我們用有關振蕩信號驅動比較器的一個輸入，用參考信號驅動其它輸入，這樣，如比較器輸出大于參考電壓，就會與傳感器輸出發生振蕩；如振蕩低于比較器參考電壓，則比較器輸出會變為零。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，可進行 uC 處理。如果我們仔細校準比較器參考與信號具體點上的衰減和未衰減振蕩間的下降，那么比較器輸出就會反映傳感器的狀態。如果我們以通用數模轉換器 (DAC) 替代參考的話，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、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 傳感器就會產生正交信號，這就能提供轉動與方向編碼信號。圖 3 顯示了隨著輪轉動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單，但是處理上述數據并將其應用于更大的狀態機則相當困難。主機控制器不僅須進行激勵并測量系統中的傳感器，還必須在檢測到轉動時采取行動，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現此目的，同時所需數字與模擬元件的集成使我們有潛力實現更低成本、更低功耗解決方案。

我們這里所說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) 把掃描每個傳感器并處理數字數據所需的構建塊整合到單個硬件模塊中，系統設計人員可對此模塊進行全面編程。

由于 LC 傳感器只有在較短的激勵脈沖中才產生功耗，因此這類傳感器非常適用于那些微放大器每一部分都會對總系統成敗產生影響的應用。當與超低功耗架構相結合時，就能實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平均電流消耗略低于 4uA。總系統電流由以下因素構成：持續激勵與每個傳感器的測量，每次全程轉動后 CPU 喚醒進行數據處理，以及基于靜態圖塊 (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，類似所描述系統的使用壽命可超過 5 年，計算如下：

其中傳感器激勵與測量的平均時間電流消耗約為 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數或降低 LC 傳感器激勵頻率等簡單改變，就能進一步降低系統平均電流消耗，從而延長單電池供電的系統壽命。

業界采用諧振 LC 傳感器技術已經多年，將此傳感器接口與超低功耗處理器進行集成，就可為新一代智能傳感系統打開大門。MSP430FW42x 系列微控制器集成了滿足關鍵系統要求（如高功效、小外形、低成本以及更快的產品上市進程）所需的所有功能，適用于多種運動檢測應用。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發復雜的狀態機以及狀態機的處理，從而將 CPU 從傳統的任務中解放出來。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（如數據通信、更強大可靠的用戶接口以及更復雜的數據處理等）。