使用 MSPM0 进行 PIR 运动检测
摘要
从基础的安全传感器到完全交互的摄像系统，运动检测在许多电池供电的楼宇自动化应用中都很重要。这些系统依赖于精确的低功耗运动检测功能，能够使性能强大的处理器和无线电在不需要时保持关闭状态，从而最大限度延长电池寿命。此设计使用模拟被动红外 (PIR) 运动传感器和 MSPM0L1306 提供一种低功耗、高性能且极具成本优势的运动检测解决方案。MSPM0L1306 具有集成运算放大器 (OPA) 和数模转换器 (DAC)。OPA 集成在 MSPM0 内部，可以提供 PIR 传感器的整个信号链。OPA 可由软件进行配置，让您轻松调节信号链以实现更高的灵敏度和更宽的范围，提供数字反馈环路，并优化低功耗性能。本应用手册将介绍采用 MSPM0L1306 的超低功耗、高性能 PIR 设计原理和测试结果。
本文档中提到的演示代码可在 MSPM0 SDK 中找到。
商标
Arm® and Cortex®are reg TMs ofArm Limited (or its subsidiaries) in the US and/or elsewhere.
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1 PIR 设计说明
1.1 PIR 传感器
可以使用多种不同类型的传感器来检测基本运动，但过去十年最常见的解决方案可能是使用 PIR 传感器。PIR 传感器基于维恩位移定律；根据该定律，不同温度下的黑体辐射曲线将在与温度成反比的不同波长下达到峰值。基本上，如果观察红外频谱，可以看到，不同温度下的物体会辐射不同水平的能量。图 1-1 展示了在使用红外摄像头拍摄的图像中看到的结果。
图 1-1 红外照片PIR 运动检测器是用于检测人或动物的一般运动的无源传感器。PIR 运动检测器不会产生上面红外图像中显示的所有像素，通常只包含两个检测元件，如图 1-2 所示。这两个检测元件在位置上会相互偏移，因此它们的视场 (FoV) 略有不同。每个传感器都会对自身 FoV 中的一般温度变化做出响应。只有两个传感器虽然听起来可能很有限，但分析这两个传感器元件产生的组合信号可以提供大量有价值的信息。
图 1-2 PIR 运动传感器图示当人在两个视场中移动，从一个传感器元件的 FoV 经过下一个传感器元件的 FoV 时，传感器将从检测元件输出波形。此波形如图 1-3 所示。在图 1-3(a) 中可以看到，该信号的方向可以告诉我们运动的方向。在图 1-3(b) 中，信号的幅度可以指示物体的距离，甚至还可能指示人/动物的体型。最后，在 3C 中，运动速度也会影响看到的波形速度。在具体走廊中，行走的人与奔跑的人将具有不同的特征。成人与儿童或宠物的特征也不同。
图 1-3 PIR 传感器输出信号在为特定应用设计运动检测器时，通常会选择两个主要规格：最大范围和最小运动速度。一般来说，PIR 运动检测器会尝试检测最远 10-12 米的距离，运动频率范围通常为 0.7Hz 至 30Hz。应用所需的确切性能将影响系统在信号调节方面以及软件阈值设置中需要的灵敏度。希望检测的距离越远，信号幅度就越小，信噪比也越低。对于远处物体的运动，PIR 传感器输出端的典型信号电平为微伏级，因此需要对信号进行放大和滤波。最低速度越低，就越难缓慢滑过监控器，但系统更容易出现由环境变化引起的误触发。
通常很不希望出现误检，在电池供电的应用中更是如此。通常，PIR 运动检测会在应用处于低功耗模式时进行监控。误检将唤醒系统的其余部分或触发错误警报。在设计系统时，必须权衡该风险与上述灵敏度。过去，PIR 的信号链是根据具体用例设计的，并在硬件中采用固定的增益和带宽，这意味着其具有固定的检测距离和速度。幸运的是，使用 MSPM0L1306 可以集成信号链，因此实际可以通过软件对其进行配置，进而提供更高的灵活性，无需更改硬件的任何部分。
最后，市场上有模拟和数字两种 PIR 传感器。数字传感器集成了其信号链和检测算法。此类传感器更易于集成到应用中，但通常会增加大量成本，因此不适合低成本应用。本文档重点介绍模拟 PIR 传感器，因为这种传感器可降低总体系统成本，并可轻松与内置 OPA 集成。
1.2 PIR 信号链
1.2.1 传统运动检测信号链设计
图 1-4 展示了传统 PIR 运动检测器信号链。PIR 传感器的信号经过一系列增益带通滤波器（通常包含直流阻断电容器）馈送到一组比较器以进行低侧和高侧波形检测（用作窗口比较器）。
图 1-4 传统 PIR 信号链如简介中所述，此信号链是固定且受限的。对于带通滤波器，需专门针对特定的检测范围和运动速度来配置增益和截止频率。典型截止频率约为 0.7Hz 至 30Hz，总体信号增益可高达 1000 倍。
我们在调查过程中发现此信号链的另一个缺点是，这些直流滤波电容器实际上会成为信号链中非常大的噪声源。陶瓷表面贴装电容器通常由钛酸钡制成，而钛酸钡具有压电效应，这意味着任何噪声或振动实际上都会在电容器上产生小噪声信号。处于如此低频率的钽电容器也会给信号带来噪声。在信号链中将此噪声与高达 1000 倍的增益耦合可能会返回非常差的信噪比。在图 1-5 中，PIR 传感器的信号被馈入上述信号链以及使用 MSP 并联的无电容器信号链。使用无电容器电路时，更容易看到运动信号。
图 1-5 传统信号链与无电容器信号链的比较1.2.2 无电容器信号链设计
图 1-6 无电容器信号链MSPM0 解决方案的最大优势是整个信号链集成在 MCU 中，并可通过软件进行配置。MSPM0L1306 是一种极具成本效益的解决方案，其中包含两个运算放大器 (OPA)。每个 OPA 都是零漂移、零交叉斩波运算放大器，具有 1-32 倍的可配置增益。MSPM0L1306 还有一个 8 位基准 DAC 可用于对信号链的一级进行偏置。在第二级使用通用放大器 (GPAMP) 和计时器输出通道构建了一个 PWM DAC。图 1-7 展示了利用 MSPM0L1306 内部完整信号链改进后的 PIR 传感器接口。OPA 可以在芯片内部链接在一起，直接连接到 ADC，并且可以进行关断/下电上电以实现尽可能低的睡眠电流。
图 1-7 集成到 MSPM0L1306 中的 PIR 信号链2 硬件及原理图
2.1 MSPM0L1306
用于实现这种创新型 PIR 运动检测器设计的主要 MCU 为 MSPM0L1306。MSPM0L1306 属于 MSP 高度集成的超低功耗 32 位 MSPM0 MCU 系列，该系列基于增强型 Arm® Cortex®-M0+ 内核平台，工作频率最高可达 32MHz。这些低成本 MCU 提供高性能模拟外设集成，支持 -40°C 至 125°C 的工作温度范围，并在 1.62V 至 3.6V 的电源电压下运行。
MSPM0L134x 和 MSPM0L130x 器件提供高达 64KB 的嵌入式闪存程序存储器和高达 4KB 的 SRAM。这些 MCU 包含精度高达 ±1.2% 的高速片上振荡器，无需外部晶体。其他特性包括 3 通道 DMA、16 位和 32 位 CRC 加速器，以及各种高性能模拟外设，例如一个具有可配置内部电压基准的 12 位 1.68MSPS ADC、一个具有内置基准 DAC 的高速比较器、两个具有可编程增益的零漂移零交叉运算放大器、一个通用放大器和一个片上温度传感器。这些器件还提供智能数字外设，例如四个 16 位通用计时器、一个窗口化看门狗计时器和各种通信外设（包括两个通用异步接收器/发送器 (UART)、一个串行外设接口 (SPI) 和两个互连集成电路 (I2C)）。这些通信外设为 LIN、IrDA、DALI、Manchester、Smart Card、SMBus 和 PMBus 提供协议支持。
- 内核
- Arm 32 位 Cortex-M0+ CPU，频率高达 32MHz
- 存储器
- 高达 64KB 的闪存
- 高达 4KB 的 SRAM
- 高性能模拟外设
- 一个 12 位 1.68Msps 模数转换器 (ADC)
- 两个零漂移、零交叉斩波运算放大器 (OPA)
- 集成可编程增益级 (1-32x)
- 一个通用放大器 (GPAMP)
- 一个具有 8 位基准 DAC 的高速比较器 (COMP)
- ADC、OPA、COMP 和 DAC 之间的可编程模拟连接
- 经优化的低功耗模式
- 运行：71µA/MHz (CoreMark)
- 待机：32kHz 16 位计时器运行、SRAM/寄存器完全保留且 32MHz 时钟唤醒时间为 3.2µs 的情况下为 1.0µA
- 关断：61nA，具有 IO 唤醒能力
- 时钟系统
- 精度为 ±1.2% 的内部 4MHz 至 32MHz 振荡器 (SYSOSC)
MSPM0L134x 和 MSPM0L130x MCU 配套了强大的硬件和软件生态系统，包括 Launchpad 开发套件、MSPM0 软件开发套件 (SDK)，后者作为 TI Resource Explorer 的一部分提供。MSPM0 MCU 还有各种在线配套资料、MSPM0 Academy 培训，以及通过 TI E2E™ 支持论坛提供的在线支持。
2.2 MSPM0 PIR Boosterpack
MSPM0 PIR Boosterpack 不可订购，但下面提供了原理图。图 2-1 展示了 MSPM0L Launchpad 上的 PIR Boosterpack。
图 2-1 MSPM0 Launchpad 和 PIR Boosterpack2.2.1 原理图
图 2-2 M0L PIR Boosterpack 原理图3 软件
软件是 MSPM0 PIR 运动检测器中功能强大的组成部分。如前所述，软件将控制模拟信号链和反馈环路。此外，还会通过 ADC 对信号进行采样，因此能够将数字滤波器技术应用于检测和反馈环路。本应用手册包含 PIR 运动检测演示的源代码。该演示软件旨在加快采用 MSPM0L1306 MCU 的 PIR 解决方案的开发，但该软件只是完整系统的一部分，仅用作参考。
3.1 软件架构
图 3-1 软件架构该软件的架构分为两层：
- 应用层使用默认配置实现主要功能，并处理数据的初始化和处理。
- HAL 层提供硬件抽象以连接 MSPM0L1306 的不同外设。HAL 中的外设由 SysConfig 进行配置和初始化，
旨在实现易于定制的解决方案。
3.2 软件流程图
图 3-2 展示了软件总体行为的流程图。演示软件唤醒并每秒执行该完整循环 20 次。测量大约需要 90µs，简单的数据处理还需要 40-60µs。在另外 99.5% 的时间内，模拟关闭，MSPM0 在待机模式下休眠，消耗的电流约为 1uA。功率曲线一节对该流程图进行了更深入的说明。
图 3-2 软件流程图3.3 数据处理
3.3.1 数字信号调节
3.3.2 使用低通滤波器处理温漂
图 3-3 所示为随着环境温度和 PIR 传感器体温波动，PIR 信号随时间变化的情况。此处不存在运动检测事件，只有信号漂移。在软件中会对采集的数据样本应用数字低通移动平均滤波器。基于这个移动平均滤波器可对 DAC 进行调整以补偿随着时间推移的这种基线趋势，这样会消除信号的大部分直流分量。如此，便可通过 MSPM0 的 12 位 ADC 实现更高的动态范围，因为它会主动对信号链的环境温度进行补偿，使信号始终处于 ADC 测量范围内的中间位置。软件可以使用 ADC 的读数和当前 DAC 补偿值来确定绝对数字输出代码。
图 3-3 PIR 传感器信号随时间的漂移