具有环境光消除功能、用于烟雾探测的智能模拟传感器接口参考设计
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说明
此参考设计提供了一种 BOM 成本较低的烟雾探测器设计，该设计通过了 UL217 第 9 版灵敏度和防火室测试。通过使用基于调制的光电架构，此参考设计能够对环境光实现高阻隔，适用于腔体或无腔烟雾探测。此设计还为整个信号链提供高信噪比 (SNR)，可实现强大的算法，进而减少烟雾探测器应用中的误报并实现空气质量检测应用中的微粒检测。此设计使用 MSPM0L1306 微控制器的低功耗模式，使用 9V 碱性电池可达到 10 年的电池寿命。
资源
| TIDA-010941 | 设计文件夹 |
| MSPM0L1306，TLV9062S | 产品文件夹 |
| TPS7A2433，TPS7A2450 | 产品文件夹 |
| TS5A623157，SN74LVC1G66 | 产品文件夹 |
| HDC2010 | 产品文件夹 |
特性
- 具有环境光抑制功能的基于调制的感应信号链
- 先进的压缩传感技术，可实现低功耗运行
- 双波长双角光学设计，可减少烟雾探测误报并实现空气质量微粒检测
- 77dB 的信号链 SNR（300 个脉冲）
- 5.8μA 的总电流消耗（16 个脉冲、0.1Hz 输出数据速率(ODR)），使用 9V 碱性电池供电可使用 10 年以上
- 通过 UL217 第 9 版灵敏度和防火室测试
1 系统说明
最近对住宅烟雾报警器的 UL217 标准（第 8 版和第 9 版）进行了更改，以提高烟雾报警器的性能；首先要跟上现代建筑技术和材料的发展，例如在开放式楼层规划中使用轻质易燃材料会导致火灾更快速、更猛烈地燃烧，从给人们逃生造成更大的困难和危险。其次，涵盖了目前警报器无法可靠检测到的聚氨酯燃烧。此外，为了进一步提高可靠性，需要能够区分真实的火源和干扰源（例如烹饪油烟、淋浴蒸汽等）。与真实火灾中的烟雾相比，这些干扰源产生的烟雾往往含有尺寸小得多的颗粒。但是，聚氨酯燃烧烟雾是一个例外，在这种类型的烟雾中，颗粒的大小与那些干扰源中的较大颗粒相当。目前可用的单波长光电探测器使用基于阈值的简单检测算法，无法将某些类型的烟雾颗粒（例如，聚氨酯燃烧烟雾）与干扰源区分开来。有关商用烟雾探测器的 UL268 标准也更新了类似的烟雾检测性能要求。TIDA-010941 展示了一种多波长、多角度设计，能够满足新推出的 UL217 第 9 版灵敏度和防火室测试要求。
本参考设计使用基于调制的信号链，克服了基于直流的传统架构的若干缺点。此方法的两个主要优点是，改进了环境光抑制功能和提高了信号链的信噪比 (SNR)。低成本对于烟雾探测器应用至关重要。此设计提高了对环境光的抑制能力，因此可实现无腔烟雾探测器设计。移除光电探测器中的光室可以显著节省 BOM 和组装成本。然而，尽管没有光室可带来诸多好处，但仍然存在巨大的环境挑战，例如抑制因昆虫造成的干扰或随着时间的推移在光学路径中积聚灰尘而产生的干扰。使用多波长架构（在本例中使用蓝光和红外 (IR)），可以增加干扰源中通常会存在的较小颗粒大小产生的信号响应，从而增加信号链的有效颗粒大小检测范围。此设计的多角度方面包括测量不同散射角度（例如典型的正向散射角和反向散射角）的光散射响应。这样就可以通过取两个角度的测量值之比来估算颗粒大小。这两种技术（多波长和多角度）相结合，提供了一种稳健的多标准方法来区分真实的烟雾源和干扰源。
此设计中信号链具有更高的 SNR，这不但能够实现强大的算法以减少烟雾探测中的误报，还能够在空气质量检测应用中检测微粒。借助此参考设计，可以实现非常准确的颗粒大小估算和质量浓度测量。该设计的意义在于为烟雾探测器开启了新的可能性，即使用同一光学设计，让烟雾探测器既满足最新的烟雾检测标准，又可以检测室内空气质量。
最后，对于使用电池供电的烟雾报警器来说，低功耗是一个重要考虑因素，因为频繁更换电池对消费者来说既不方便，而且在某些安装环境下难以更换。TIDA-010941 使用单节 9V 碱性电池可以使用 10 年，从而确保烟雾检测在尽可能长的时间内仍可正常工作。
1.1 主要系统规格
| 说明 | 参数 | 规格 | 注意 |
|---|---|---|---|
| 模块 | 输入电源 | 5.5V 至 18V（9V 电池） 5V ± 5%（外部） |
9V 碱性输入或外部输入接头 |
| 环境温度范围 | 0°C 至 50°C | ||
| 估算电池寿命 | 10.2 年 | 650mAh，20% 降额因子，无警报 | |
| 仅接收器 | RX 信号链增益 | 0.137nA/LSB | fmod = 115kHz |
| ADC 饱和电平 | 280nA | ||
| 环境电流余量 | 15µA | ADC 饱和 | |
| 环境光抑制 | 57dB | （120 Hz ） | |
| 总输入参考噪声 | 18pARMS | 300 个脉冲 | |
| SNR | 84dB | 300 个脉冲 | |
| 信号链 | SNR（90% 满量程） | 77dB | 300 个脉冲 |
| 颗粒大小 | 300nm 至 10µm | ±0.2µm 误差 | |
| 质量浓度 | > 1mg/m3 | ±20% 误差 | |
| 9V 时的总电流消耗 | 4.5µA | 待机电流 | |
| 5.8µA | 16 个脉冲；0.1Hz ODR |
2 系统概述
2.1 方框图
图 2-1 TIDA-010941 方框图2.2 设计注意事项
TIDA-010941 提供了一个通过 9V 碱性电池供电的强大烟雾检测设计，该电池通常用作家庭安装的烟雾报警器中的备用电池。此设计还可以通过外部 5V 电源来供电。
此设计还支持硬件和固件优化，供您进行定制来满足不同的产品规格要求。除所有必要的设计和软件文件外，此参考设计还提供 GUI 用于数据采集和后处理，并提供使用的 3D 打印件的 CAD 文件。
本节介绍开发和设计 TIDA-010941 所涉及的理论知识和设计注意事项。
2.2.1 光电烟雾探测器背景 - 基于直流的信号链
光学烟雾探测器也称为光电烟雾探测器，利用米氏光散射原理来快速准确地检测烟雾颗粒。图 2-2 显示了此探测器工作原理的简化示例。发光二极管 (LED) 定期发出脉冲，以便将光发送到检测区域。如果没有烟雾颗粒，则到达光敏元件（在本例中为光电二极管）的光极少，因此不会触发烟雾报警。当有烟雾颗粒时，脉冲 LED 光会散射到光电二极管 (PD) 中，并通过复杂的前端电路转换为电信号。信号超过特定阈值后，就会触发烟雾报警。
在光室内进行检测，两个光学元件都位于光室内。光室有两个目标：(1) 光室会阻挡来自环境的外部光及昆虫等不希望得到的物体，从而避免发出误报，但允许烟雾颗粒成功进入探测区域，(2) 内部机械和材料设计可确保在没有烟雾时，到达光电二极管的光可以忽略不计。
图 2-2 光学烟雾探测器的探测原理传统的光学烟雾探测器使用基于直流的信号链，在 LED 亮起时对直流信号进行采样，但这种方法有一些缺点。首先，来自环境的环境光会成为干扰信号，很难与实际的烟雾信号区分开来，因为这两种信号都是低频信号。然而，光室可设计为能够阻挡大部分的环境光。其次，跨阻放大器 (TIA) 的直流失调电压、闪烁噪声和输入偏置电流会成为烟雾检测的错误信号。如图 2-3 所示，这些错误源限制了检测信号链的信噪比 (SNR)。
上述缺点要么会降低性能和稳健性，要么会增加烟雾探测器的设计复杂性（更好的光室）和成本（更好的电子设备）。
图 2-3 基于直流的烟雾检测信号链2.2.2 基于调制的烟雾检测信号链
此设计采用基于调制的烟雾检测信号链，克服了基于直流的信号链的局限性。如图 2-4 所示，通过在 fmod 频率下发送一系列 LED 脉冲，将烟雾信号调制为频率 fmod。选择的频率 fmod 与不同类型环境光的频率相差太远；例如，LED 和白炽灯光干扰处于大约 120Hz，并伴有 120Hz 基频的谐波，而荧光灯光干扰处于大约 44kHz，并伴有 44kHz 基频的谐波。具有环境光干扰的调制信号通过中心频率为 fmod 的带通滤波器进行过滤。通过带通滤波器减弱干扰，同时保留烟雾信号。然后将信号解调回基带，同时将低频干扰调制到高达 fmod。通过额外的低通滤波，干扰再次得到减弱，在基带的直流处产生无干扰的烟雾信号。经解调的信号由模数转换器 (ADC) 进行采样，并存储以供后处理。以逐脉冲方式进行调制、解调、滤波和采样。通过以增加功耗为代价发送更多脉冲（更强的滤波、更多的平均值计算和更低的噪声），可以实现更好的 SNR。
图 2-4 基于调制的烟雾探测器信号链2.2.3 光学检测 AFE 设计
通常使用光功率传输比 (PTR) 来表示烟雾强度。PTR 计算公式为：
其中
- IPD 是光电二极管电流
- ILED 是 LED 电流
- Sλ 是给定波长下的光电二极管响应度
- ηLED 是 LED 效率
通常，对于各种火灾类型，烟雾报警器触发电平范围为 0.5nW/mW 至 5nW/mW。如果使用 100mA 作为 LED 驱动电流，则这将转化为对应的 5nA 至 100nA 光电流。此设计中的目标噪声性能低于 50pARMS，因此即使在稳健烟雾警报触发的最低电流情况下也能实现 20dB SNR。因此，此设计中的目标总信号链增益为 5.8MΩ，通过尽量降低 ADC 量化噪声的影响来实现目标噪声性能。
图 2-5 显示了烟雾探测器信号链中采用的详细方框图。总信号链增益可以使用方程式 2 来计算。
其中
- Ismoke 是由烟雾颗粒的散射光引起的光电流
- Vout 是 ADC 采样之前的积分器输出电压
- GTIA 是跨阻放大器 (TIA) 增益
- GBPF 是带通滤波器 (BPF) 增益
- GINT 是积分器增益
图 2-5 基于调制的烟雾探测器信号链方框图2.2.3.1 TIA
AFE 的第一级是包含电阻器反馈 TIA 的跨阻增益级，如图 2-9 所示。该级的目标是将光电流转换为后续级的电压并提供高增益。TIA 中使用的运算放大器是 TLV9062S，它具有 10MHz 带宽、低宽带噪声 (10nV/√Hz）和轨到轨输入和输出 (RRIO)。低噪声和 RRIO 特性可确保 TIA 具有高动态范围，而高带宽可确保与高调制频率兼容，并且即使使用较大的输入光电二极管电容时也具有出色的稳定性。TLV9062S 还有一个关断选项，可在烟雾检测期间保持低功耗。将 TIA 的反馈电阻器选为 249kΩ，以便提供接近 249kΩ 的跨阻增益。添加了一个 1.9pF 反馈电容器，在输入光电二极管电容高达 50pF 时仍能确保 TIA 稳定性。TIA 的 3dB 带宽可使用以下公式计算：
TIA 的直流偏置由电阻分压器提供，公式如下：
直流偏置电压（约 100mV）的设计选择主要由三个方面决定：(1) 在不使 TIA 饱和的情况下，可以耐受由环境光引起的大直流电流（约 12.8μA），(2) 与在 0V 时的偏置相比，当输入电流脉冲到达时，仍然可以提供足够的运算放大器带宽。大电阻值 (10MΩ + 309kΩ) 限制流经偏置支路的总电流 (0.32μA)，让支路始终以低功耗导通，(3) 使光电二极管反向偏置电压保持低电平有助于减少光电二极管的泄露，这对高温运行尤为重要。反向偏置还会降低放大器检测到的光电二极管电容。
图 2-6 TIA 原理图2.2.3.2 BPF
图 2-9 显示了 AFE 第二级的原理图。带通滤波器级包含一个有源高通滤波器（利用 M0L1306 中的内部运算放大器 (OPA1) 且具有 6MHz 增益带宽）和一个 R-C 低通滤波器。高通级可确保消除（衰减）任何直流（低频）干扰，而不会干扰调制信号。解调之前，低通级对先前信号链中存在的任何高频噪声进行滤除。高通滤波器增益和 3dB 高通极点频率如下所示：
3dB 低通频率如下所示：
BPF 的偏置电压选为 1.65V (BPF/2)，通过两个 10kΩ 串联电阻器来生成，如图 2-1 和图 2-9 所示。
图 2-7 BPF 原理图图 2-8 显示了 TIA 和 BPF 组合级从输入电流到 BPF 输出电压的仿真频率响应以及上述设计参数。由于简单极点的阻尼因子低且截止频率的间隔小于十倍频程或更长时间，在 144.5kHz 时，峰值增益为 118.3dB (0.82MΩ)，这低于计算出的增益 4.5 × 249kΩ = 1.12MΩ。低侧 3dB 带通截止频率为 56kHz，高侧为 332kHz。只需调整相应的 R 和 C 值即可修改频率响应波形，从而满足不同调制频率选择的特定设计要求。
图 2-8 TIA 和 BPF 组合的频率幅度响应