諧振 LC 傳感器技術(shù)用于運(yùn)動(dòng)檢測已有數(shù)年，包括流量計(jì)量以及其它低速轉(zhuǎn)動(dòng)檢測系統(tǒng)等。幾乎在所有情況下，推動(dòng)上述傳感器設(shè)計(jì)發(fā)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(shè)備的低功耗解決方案。通過模擬測量組件與獨(dú)立于主 CPU 工作的狀態(tài)機(jī)處理接口相結(jié)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(yùn)動(dòng)檢測系統(tǒng)解決方案的清晰說明。 圖 1 顯示了簡易旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)檢測系統(tǒng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)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)電感器輻射的磁場干擾有關(guān)。上述振蕩由 LC 傳感器脈沖引起，然后將一側(cè)釋放為高阻抗。激勵(lì)后的振蕩頻率是傳感器的基本頻率，計(jì)算如下：
一旦電路進(jìn)入振蕩，則 LC fOSC 輸出隨存儲(chǔ)能量的消耗迅速衰減為零。振蕩時(shí)，通過傳感器的電流產(chǎn)生磁場，磁場通常不受外部因素影響。但當(dāng)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(xì)的傳感器配置視圖，并顯示了減振輪 (damping wheel) 以及相應(yīng)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(zhuǎn)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。由磁場切割在金屬表面形成的感應(yīng)渦流增加了 LC 傳感器的負(fù)載，從而加快了激勵(lì)振蕩的存儲(chǔ)能量的消耗。增加的衰減率也可稱為金屬表面產(chǎn)生的傳感器衰減。如能夠順利地檢測到與對應(yīng)未衰減條件相應(yīng)的衰減信號，則可檢測精心設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)輪的系統(tǒng)就提供一種感應(yīng)給定系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的方法。
檢測電路
每個(gè)傳感器的激勵(lì)都由傳感器一側(cè)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(shí)施。我們用有關(guān)振蕩信號驅(qū)動(dòng)比較器的一個(gè)輸入，用參考信號驅(qū)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)榱恪ｉ]鎖比較器輸出，就完成了模擬傳感器系統(tǒng)到數(shù)字域的轉(zhuǎn)變，可進(jìn)行 uC 處理。如果我們仔細(xì)校準(zhǔn)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(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) 替代參考的話，那么就可以方便地校準(zhǔn)參考電壓，并能根據(jù)系統(tǒng)稍有不同的傳感器的要求積極修改參考電壓，或?qū)y量系統(tǒng)施加磁滯。
對于圖 1 顯示的詳細(xì)系統(tǒng)，我們采用雙傳感器設(shè)置，從而既能檢測轉(zhuǎn)動(dòng)、又能檢測方向。如果我們?nèi)鐖D 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(zhuǎn)動(dòng)與方向編碼信號。圖 3 顯示了隨著輪轉(zhuǎn)動(dòng)的傳感器變化情況以及相應(yīng)的數(shù)字譯碼。
圖 3 雙 LC 傳感器正交數(shù)字輸出
雖然檢測衰減與未衰減傳感器輸出并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸出相對簡單，但是處理上述數(shù)據(jù)并將其應(yīng)用于更大的狀態(tài)機(jī)則相當(dāng)困難。主機(jī)控制器不僅須進(jìn)行激勵(lì)并測量系統(tǒng)中的傳感器，還必須在檢測到轉(zhuǎn)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(xiàn)此目的，同時(shí)所需數(shù)字與模擬元件的集成使我們有潛力實(shí)現(xiàn)更低成本、更低功耗解決方案。
我們這里所說的模擬與數(shù)字處理元件的組合與集成構(gòu)成超低功耗微控制器的基礎(chǔ)，特別是針對采用上述傳感器配置的應(yīng)用。掃描接口 (SIF) 把掃描每個(gè)傳感器并處理數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)所需的構(gòu)建塊整合到單個(gè)硬件模塊中，系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(lì)脈沖中才產(chǎn)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(huì)對總系統(tǒng)成敗產(chǎn)生影響的應(yīng)用。當(dāng)與超低功耗架構(gòu)相結(jié)合時(shí)，就能實(shí)現(xiàn)總體系統(tǒng)的低功耗。
系統(tǒng)總結(jié)
圖 1 顯示的詳細(xì)系統(tǒng)工作時(shí)平均電流消耗略低于 4uA。總系統(tǒng)電流由以下因素構(gòu)成：持續(xù)激勵(lì)與每個(gè)傳感器的測量，每次全程轉(zhuǎn)動(dòng)后 CPU 喚醒進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，以及基于靜態(tài)圖塊 (segment) 的 LCD 顯示器。當(dāng)采用典型的 220mAHr 3V CR2032 等電池供電的解決方案時(shí)，類似所描述系統(tǒng)的使用壽命可超過 5 年，計(jì)算如下：
其中傳感器激勵(lì)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(shù)據(jù)處理前增加最小的轉(zhuǎn)動(dòng)數(shù)或降低 LC 傳感器激勵(lì)頻率等簡單改變，就能進(jìn)一步降低系統(tǒng)平均電流消耗，從而延長單電池供電的系統(tǒng)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(tǒng)打開大門。MSP430FW42x 系列微控制器集成了滿足關(guān)鍵系統(tǒng)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(yùn)動(dòng)檢測應(yīng)用。新型 MSP430FW42x 系列不僅適合超低功耗系統(tǒng)，而且 SIF 硬件模塊的靈活性與功率還有助于開發(fā)復(fù)雜的狀態(tài)機(jī)以及狀態(tài)機(jī)的處理，從而將 CPU 從傳統(tǒng)的任務(wù)中解放出來。這種集成提高了 CPU 效率，降低了系統(tǒng)功耗，并釋放 CPU 帶寬用于其它任務(wù)（如數(shù)據(jù)通信、更強(qiáng)大可靠的用戶接口以及更復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理等）。
