Jos mikro-ohjain on varustetuttu edistyneillä analogiatoiminnoilla, voidaan säästää sekä korttialaa että järjestelmäkustannuksia paristokäyttöisissä sovelluksissa. Esimerkiksi sopii infrapunasäteilyä aistiva liikeilmaisin.

Turvallisuusjärjestelmien ja langattomien lääketieteen valvontalaitteiden kaltaisten sovellusten kehitystyössä on otettava huomioon monia tekijöitä suunnittelun onnistumisen varmistamiseksi. Näistä tekijöistä etenkin suunnittelun kompleksisuus ja tehonhallinta ovat tärkeässä asemassa akku- käyttöisten ja verkkoon liitettävien sovellusten suunnittelun yhteydessä. Mitä pidempää akun käyttöikää lopullinen sovellus vaatii, sitä pienempää täytyy sen tehontarpeen olla.

Tällaisten sovellusten tehovaatimusten täyttäminen luotettavissa ja pitkäikäisissä suunnitteluissa edellyttää, että suunnittelijat käyttävät pienikokoisia ja tehokkaita mikro-ohjaimia, jotka on varustettu älykkäillä ja kehittyneillä sisäänrakennetuilla ominaisuuksilla ja toiminnoilla. Tällaiset mikro-ohjainyksiköt pystyvät suorittamaan suurimman osan sovellukselle asetetuista tehtävistä, jolloin ulkoisten passiivikomponenttien tarve vähenee anturisolmujen suunnitteluissa ja joustavuutta ja helppokäyttöisyyttä saadaan lisättyä pienen tehonkulutuksen ja sisäänrakennettujen ominaisuuksien ansiosta.

Esimerkiksi suunniteltaessa paristokäyttöisiä anturisolmuja kodin turvajärjestelmien tapaisiin sovelluksiin, passiivinen infrapunaan (PIR) perustuva liikeilmaisin asennetaan usein kiinteistön sisä- ja ulkopuolelle. PIR-anturi havaitsee anturielementtien ”näkemät” muutokset infrapunasäteilyn määrissä, jotka vaihtelevat anturin edessä olevan kohteen lämpötilasta ja pintaominaisuuksista riippuen.

Kun ihminen kulkee anturin ja taustan välistä, anturi havaitsee ympäristön lämpötilan ja ihmiskehon lämpötilan välillä tapahtuvan muutoksen ihmisen etenemisen aikana. Se muuttaa tuloksena saatavan tulevan infrapunasäteilyn muutostiedon lähtöjännitteen (VPIR(t)) muutokseksi. Muut kohteet, joiden lämpötila on sama kuin taustalla, mutta jotka poikkeavat pinnan ominaisuuksiltaan taustasta, aikaansaavat sen, että anturi ilmaisee erilaisen säteilykuvion.

PIR-anturin lähtösignaalin tasot ovat tyypillisesti matalia ja alle 1 mV:n luokkaa. Liikkeen havaitseminen ja virheilmaisun välttäminen edellyttää analogiasignaalin vahvistamista ennen kuin AD-muunnin ottaa siitä näytteen. Tyypillisissä PIR- ratkaisuissa tämä saavutetaan käyttämällä useita suuren vahvistuksen omaavia operaatiovahvistinasteita, mikä puolestaan lisää suunnittelun kompleksisuutta, komponenttimäärää, tehon tarvetta, hintaa jne. Seuraavaksi tässä artikkelissa käydään läpi, miten pieniä ja tehokkaita mikro-ohjainyksiköitä käyttämällä edellä mainittuja ominaisuuksia saadaan suitsittua.

SUUNNITTELUN KOMPLEKSISUUS

Kun PIR-anturisolmujen suunnittelun perustana käytetään pienikokoisia mikro-ohjainyksiköitä, jotka on varustettu tarvittavilla ominaisuuksilla kuten ohjelmoitavalla vahvistinyksiköllä (PGA) varustetulla 12-bittisellä differentiaalisella AD-muuntimella, tarvitaan vähemmän ulkoisia komponentteja ja tilaa piirikortilla sekä säästetään materiaalikustannuksia. Ajatellaan esimerkiksi MickroE:n PIR Click -anturia.

Siinä on piirikortilla kaikki toimivan PIR-anturisolmun passiivikomponentit. Kortti perustuu operaatiovahvistinratkaisuun, joka sisältää AD-muuntimet, vastukset ja kondensaattorit, ja joka on helppokäyttöinen, heti toimiva ratkaisu prototyyppi- ja evaluointisovelluksiin.

Tyypillinen kokoonpano prototyypin tekoa varten saadaan, kun käytetään PIR Click -korttia yhdessä Microchipin Curiosity Nano Base for Click Boards- ja Curiosity Nano Evalution Kit - tuotteiden kanssa. PIR-anturisolmuratkaisussa voidaan hyödyntää Microchipin 12-bittisellä differentiaalisella AD-muuntimella ja PGA-vahvistimella varustettua ATtiny1627-mikro-ohjainta.

Ulkoisten komponenttien määrää voidaan merkittävästi vähentää, kun ei tarvita ulkoista operaatiovahvistinta signaalin vahvistamiseen. Sen lisäksi ulkoisen AD- muuntimen käyttäminen mahdollistaa useiden muiden passiivisten komponenttien kuten vastusten ja kondensaattorien pois jättämisen.

Käyttämällä edellä mainitun kaltaista mikro-ohjainyksikköä PIR Click -kortin pinta-alaa saadaan pienennettyä merkittävästi. Huomautettakoon, että tässä esimerkissä modifikaatioiden perustana on käytetty PIR Click - korttia, koska se on ollut käytännöllisempää kuin uuden piirikortin suunnittelu tarvittavine komponentteineen. Tämä modifioitu ratkaisu ei kuitenkaan kilpaile Click-korttien käyttö- tarkoituksen kanssa.

Yllä mainituilla modifikaatioilla sisäänrakennettua 12-bittistä differentiaalista AD-muunninta ja PGA-vahvistinta hyödyntämällä laitteisto- ja piirikorttisuunnittelu saadaan selkeäksi ja kompaktiksi, koska laitteiston suunnittelussa ei tarvitse ottaa huomioon ulkoisten komponenttien sijoittelun tuomia haasteita. Lisäksi ohjelmistot ja laiteohjelmistot saadaan kompakteiksi ja tehokkaiksi, kun suuri osa tehtävistä hoituu mikro-ohjaimessa. Ajastus ja synkronointi ovat myös helpompia hallita.

Kun anturisolmun suunnittelussa suuri osa laitteiston kompleksisuudesta siirretään mikro-ohjain- yksikköön ja keskusyksikköön laiteohjelmistolla ohjattavaksi, muutosten tekeminen ja toimintojen lisääminen kehitystyön aikana muodostuu hyvin joustavaksi, eikä aikaa tarvitse kuluttaa piirikortin sijoittelun (layout) uudelleen suunnitteluun, jolloin säästetään sekä suunnitteluun kuluvassa ajassa että kustannuksissa.

Samalla saadaan myös lisää joustavuutta muiden tekijöiden kuten tehonhallinnan koodaamiseen. Helposti parametriasetuksia muuttamalla voidaan suunnitteluvaiheessa sovelluskoodia muuttamalla joko lisätä toimintoja tai optimoida koodia tehonkulutuksen vähentämiseksi. Koodia voidaan myös optimoida ympäristöolosuhteiden vaikutuksen eliminoimiseksi esimerkiksi tilanteissa, jossa ympäristön lämpötilan yli 30 asteeseen anturit tulkitsevat muutoksen ihmisen läsnäoloksi. Toisena esimerkkinä toiminnallisuuden lisäämisestä voisi olla koneoppimisen lisääminen liikekuvioiden tunnistamista varten ja järjestelmän opettamiseksi erottamaan, mikä on pelkkää kohinaa tai esimerkiksi erottamaan ihmisen liikkumisen eläimen liikkumisesta.

Liikkeen ilmaisun sovelluksissa, joissa käytetään PIR-antureita ja mikro-ohjainyksikköjä kuten ATtiny1627-piiriä, suunnittelutyö painottuu laitteiston suunnittelun sijaan laitteiston ja ohjelmistoon koodaamiseen, koska suuri osa tarvittavasta toiminnallisuudesta on sisäänrakennettuna mikro-ohjaimeen. Näin suunnittelutyön määrä vähenee ja joustavuus lisääntyy.

TEHON HALLINTA

Langattomissa anturisolmuissa tehonkulutus on avainasemassa. Mitä pitempi on akun kesto, sitä pitempi on anturisolmun käyttö- ikä ja näin ollen myös koko anturiverkon muodostaman järjestelmän käyttöikä. Tämä pätee kaikkiin langattomiin anturijärjestelmiin. Kun kymmeniä, satoja tai tuhansia antureita on asennettu erilaisiin valvontatehtäviin, solmun katsotaan olevan toimintakelvoton tai toimivan virheellisesti, jos se kytkeytyy pois päältä.

Laajoissa anturijärjestelmissä pariston tai itse anturin vaihtaminen lisää ylimääräisiä kustannuksia loppukäyttäjälle ja samoin tapahtuu myös, jos järjestelmä on poissa käytöstä tai toimii puutteellisesti solmun ollessa kytkeytyneenä pois päältä. Tällöin epätoivottuja tapahtumia voi tapahtua ilman ilmoituksia. Mitä kauemmin paristo kestää, sitä parempi siis.

Mikro-ohjaimen lepotilojen ja nopean käynnistymisen ansiosta kukin anturisolmu voi kuluttaa niin vähän tehoa kuin mahdollista. Solmu voi olla lepotilassa ja käynnistyä nopeasti, kun liikettä havaitaan anturin ympäristössä tapahtuvien lämpötilan muutosten vuoksi, jonka jälkeen signaali prosessoidaan ja sen jälkeen solmu palautuu lepotilaan, jolloin paristokäyttöisen solun käyttöikää voidaan lisätä tarvitsematta vaihtaa paristoa.

Tehonkulutus riippuu sovelluksesta ja vaihtelee PIR-anturien kokoonpanosta, näytteenottonopeudesta ja suodatusparametreista riippuen, mitkä seikat vaikuttavat myös ilmaisuetäisyyteen ja -herkkyyteen.

Asettamalla nämä parametrit huolellisesti saadaan tehonkulutusta edelleen pienenemään niinä aikoina, jolloin sovelluksen kuormitus on vähäisintä. Älykkäillä ja edistyneillä sisäänrakennetuilla virran kulutusta ja tehonhallintaa parantavilla ominaisuuksilla ja toiminnoilla varustettuja pienikokoisia ja tehokkaita mikro-ohjaimia kuten ATtiny1627:ää käyttämällä saadaan lisättyä paristokäyttöisten verkkoon kytkettävien sovellusten käyttöikää samalla, kun suunnittelun kompleksisuus ja järjestelmän kokonaiskustannukset vähenevät ja sitä kautta tuotteen markkinoille pääsy nopeutuu.

Artikkeli on luettavissa uudesta ETNdigi-lehdestä täällä.

https://issuu.com/etndigi/docs/etndigi2_2021?fr=sNWU4MzE0NTQ5NDc