Mikrocontroller Platz und Kosten sparen mit Mini-Mikrocontrollern

Von Stian Sogstad*

Miniatur-MCUs mit hochentwickelter, integrierter Analogtechnik sparen Platz und Komponenten auf der Platine und vereinfachen das Schaltungsdesign in batteriebetriebenen Anwendungen.

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Bild 1: Funktionsprinzip eines PIR-Sensors zur Bewegungserkennung
Bild 1: Funktionsprinzip eines PIR-Sensors zur Bewegungserkennung
(Bild: Microchip)

Damit das Schaltungsdesign etwa von Sicherheitssystemen oder drahtlosen medizinischen Überwachungsgeräten erfolgreich ist, müssen mehrere Faktoren beachtet werden. Die Komplexität des Designs und die Energieeffizienz gehören zu den wichtigsten Faktoren, wenn es um solche batteriebetriebenen Wireless-Anwendungen geht. Denn je länger die Batterielebensdauer für eine Endanwendung sein soll, desto geringer muss der durchschnittliche Stromverbrauch sein.

Um die Energieanforderungen für diese Anwendungen besser zu erfüllen und gleichzeitig zuverlässige und langlebige Designs zu ermöglichen, sollten Entwickler zunächst kleine und energieeffiziente Mikrocontroller (MCUs) mit intelligenten, ausgeklügelten integrierten Leistungsmerkmalen und Funktionen in Betracht ziehen. Solche MCUs sind oft in der Lage, den Großteil der von der Anwendung geforderten Aufgaben zu bewältigen, wodurch der Bedarf an externen passiven Komponenten in einem Sensorknoten-Design reduziert wird. Gleichzeitig sorgen ein niedriger Stromverbrauch und integrierte Funktionen für Flexibilität und tragen dazu bei, die Komplexität der Schaltung zu verringern.

Anforderungen batterie- betriebener Sensorknoten

Bei der Entwicklung batteriebetriebener Sensorknoten für eine Anwendung wie etwa eines Haussicherheitssystems kommt beispielsweise häufig ein passiver Infrarot-Bewegungsmelder (PIR) innerhalb und außerhalb des Hauses zum Einsatz. Ein PIR-Sensor bemerkt Änderungen in der Stärke der von den Sensorelementen erfassten Infrarotstrahlung, die je nach Temperatur und Oberflächeneigenschaften des Objekts vor dem Sensor variiert. Bewegt sich eine Person zwischen Sensor und Hintergrund hindurch, registriert der Sensor eine Änderung von der Umgebungstemperatur zur Körpertemperatur und zurück. Er wandelt die daraus resultierende Änderung der einfallenden Infrarotstrahlung in eine Spannungsänderung am Ausgang (VPIR(t)) um. Andere Objekte mit gleicher Temperatur wie der Hintergrund, aber mit anderen Oberflächeneigenschaften, führen ebenfalls zur Erkennung eines anderen Emissionsmusters durch den Sensor. Der Zusammenhang ist in Bild 1 dargestellt.

Die Pegel des Ausgangssignals eines PIR-Sensors sind in der Regel sehr klein und betragen oft weniger als 1 mV. Um Bewegungen zu erkennen und Falsch-Erkennungen zu vermeiden, muss das analoge Signal vor einer Erfassung durch den Analog-Digital-Wandler (ADC) verstärkt werden. Bei typischen PIR-Lösungen erfolgt dies über mehrere Operationsverstärker-Stufen mit hoher Verstärkung. Dies erhöht wiederum die Komplexität des Designs, die Anzahl der Komponenten, die Energieaufnahme, die Kosten und vieles mehr. Im Folgenden erfahren Sie, wie eine kleine und stromsparende MCU diese Effekte reduzieren kann.

Weniger Bauteile reduzieren die Design-Komplexität

Durch den Einsatz eines PIR-Sensorknotens auf Basis eines Mikrocontrollers mit geringem Platzbedarf und geeigneten Funktionen wie einem 12-Bit-Differenzial-ADC mit programmierbarem Verstärker (PGA) lassen sich der Bedarf an externen Komponenten, der Platzbedarf auf der Leiterplatte und die Stücklisten-Kosten reduzieren. Ein Beispiel ist der PIR-Click-Sensor von MikroE. Dabei handelt es sich um eine Platine mit allen passiven Komponenten für einen funktionierenden PIR-Sensorknoten. Die Click-Platine enthält einen Operationsverstärker einschließlich ADCs, Widerständen und Kondensatoren. Sie ist so konzipiert, dass sie sofort einsatzbereit ist und somit das Prototyping und die Evaluierung erleichtert.

Ein einfaches Prototyping lässt sich zum Beispiel durch die Verwendung des PIR Click Boards zusammen mit der Microchip Curiosity Nano Base for Click Boards und einem Curiosity Nano Evaluation Kit realisieren. Eine MCU wie der ATtiny1627 von Microchip Technology mit differenziellem 12-Bit-ADC und PGA eignet sich gut für eine PIR-Sensorknotenlösung. Durch den Wegfall eines externen Operationsverstärkers zur Signalverstärkung lässt sich die Anzahl externer Komponenten deutlich reduzieren. Mit dem Operationsverstärker und dem externen ADC fallen auch mehrere passive Komponenten wie Widerstände und Kondensatoren weg.

Integrierten Differenzial-ADC und PGA nutzen

Durch den Einsatz eines solchen Mikrocontrollers lässt sich das PCB-Layout des PIR-Click also erheblich reduzieren. Bild 2 zeigt, welche Bauteile entfallen können (X) und wie sich neue Verbindungen herstellen lassen (blaue Linien). Hinweis: Hier dient der PIR-Click als Basis für die Modifikationen, da dies günstiger war, als eine neue Leiterplatte zu entwerfen und die erforderlichen Bauteile zu beschaffen. Diese modifizierte Lösung tritt nicht in Konkurrenz zum Zweck der Click-Boards. Diese Modifikationen, die den integrierten 12-Bit-Differenzial-ADC und den PGA nutzen, zeigen in Bild 3 auch, wie wenig externe Komponenten bei Auswahl der richtigen MCU erforderlich sind.

Durch die geringe Anzahl externer Komponenten wird das Hardware- und PCB-Design sauberer und kompakter, da man bei der Platzierung der externen Komponenten weniger Aspekte der Hardware berücksichtigen muss. Außerdem lassen sich Soft- und Firmware kompakter und effizienter gestalten, da die MCU einen Großteil der Aufgaben übernimmt. Auch Timing und Synchronisation lassen sich besser handhaben.

Multifunktionale MCUs erleichtern Anpassungen

Verlagert man einen Großteil der Komplexität des Sensorknoten-Designs von der Hardware in die MCU und die Zentraleinheit (CPU) und bindet sie in die Firmware ein, so lassen sich Änderungen und Funktionserweiterungen während des Entwicklungsprozesses flexibler vornehmen, ohne dass das Layout der Leiterplatte neu gestaltet werden muss. Auch die Codeoptimierung im Hinblick auf andere Faktoren wie den Stromverbrauch wird einfacher. Dank der einfachen Änderung von Parametereinstellungen können Entwickler den Anwendungscode ändern, um entweder Funktionen hinzuzufügen oder den Code im Hinblick auf einen geringeren Stromverbrauch oder eine ge­ringere Empfindlichkeit gegenüber Umgebungsbedingungen zu optimieren, z. B. Schwankungen der Umgebungstemperatur, da die Sensoren bei einer Umgebungstemperatur von über 30 °C nur schwer einen Menschen erkennen können.

Ein weiteres Beispiel für zusätzliche Funktionen könnte der Einsatz von maschinellem Lernen zur Erkennung von Bewegungsmustern sein, um Bewegungsmuster zu erkennen und dem System beizubringen, zu unterscheiden, ob es sich nur um Rauschen oder um eine Person bzw. ein Tier handelt. Bei Bewegungserkennungs-Anwendungen mit PIR-Sensoren verlagern MCUs wie der ATtiny1627 die Komplexität von der Hardware auf Firmware und Software, da ein Großteil der nötigen Funktionen in die MCU integriert ist. Bei drahtlosen Sensorknoten ist der Stromverbrauch entscheidend, denn je länger die Lebensdauer der Batterie ist, umso länger ist auch die Lebensdauer des Sensorknotens und damit die Nutzbarkeit des gesamten Sensornetz­systems. Dies gilt für alle drahtlosen Sensorsysteme.

Wenn Dutzende, Hunderte oder Tausende von Sensoren für verschiedene Überwachungsaufgaben installiert sind, ist der Knoten nach einer Abschaltung funktionsunfähig. Bei größeren Sensorsystemen verursacht das Auswechseln einer Batterie oder des Knotens zusätzliche Kosten für den Endbenutzer. Ist das System wegen eines ausgeschalteten Knotens nicht oder nur eingeschränkt funktionsfähig, so können unerwünschte Ereignisse auftreten, ohne dass eine Benachrichtigung erfolgt. Daher gilt: Je länger die Batterie hält, desto besser.

Schnelles Aufwachen aus dem Ruhezustand ist essenziell

Dank der Schlafmodi des Mikrocontrollers und einer schnellen Aufwachzeit verbraucht jeder Sensorknoten so wenig Strom wie möglich. Der Knoten lässt sich in den Ruhezustand versetzen und schnell wieder aufwecken, wenn eine Bewegung aufgrund einer Temperaturänderung innerhalb des Sensorbereichs erkannt wird. Bild 4 zeigt, wie die CPU unter Nutzung der Schlafmodi und der schnellen Aufwachzeit arbeitet.

Der Stromverbrauch ist anwendungsabhängig und hängt von der Konfiguration des PIR-Sensors, der Erfassungszeit und den Filterparametern ab, die auch den Erfassungsbereich und/oder die Empfindlichkeit beeinflussen. In Zeiten, in denen die Anforderungen der Anwendung geringer sind, lohnt es sich, diese Parameter anzupassen, um den Stromverbrauch weiter zu senken.

Gesamtsystemkosten und Time to Market reduzieren

Dank intelligenter und ausgeklügelter integrierter Leistungsmerkmale und Funktionen zum Senken des Stromverbrauchs und der Energieeffizienz erhöhen kompakte und leistungsstarke MCUs wie der ATtiny1627 die Lebensdauer batteriebetriebener und vernetzter Anwendungen. Zugleich reduzieren sie die Komplexität des Designs, die Gesamtsystemkosten und die Zeit bis zur Markteinführung. Nähere Informationen zum Design einer stromsparenden und kosteneffizienten PIR-Bewegungserkennungs-Anwendung unter www.microchip.com.

* Stian Sogstad ... ist Application Engineer, MCU8, bei Microchip Technology

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