這里演示了在應(yīng)用程序中如何在不需要外部電平移位器的情況下使用具有內(nèi)置多電壓輸入/輸出外圍設(shè)備的MCU。

這個由兩篇文章組成的系列的第一篇文章討論了一種稱為多電壓 I/O (MVIO) 的新外設(shè)，該外設(shè)可用于AVR DB系列微控制器。簡而言之，MVIO 是微控制器芯片上的內(nèi)部電平轉(zhuǎn)換器，它允許一個 I/O 端口在與設(shè)備其余部分不同的電壓域中工作。這減少了物料清單 (BOM) 和設(shè)計區(qū)域，同時提供了比外部解決方案更大的靈活性。

本文將介紹在應(yīng)用程序中使用的 MVIO。它基于一個使用 3D 磁力計作為窗戶安全傳感器來檢測窗戶是打開還是關(guān)閉的演示。

檢測窗戶是否打開的最簡單方法之一是使用磁簧開關(guān)。簧片開關(guān)是一種帶有電觸點的簡單裝置，可通過磁場的存在打開或關(guān)閉。通過將磁鐵安裝到窗戶并將開關(guān)固定在固定位置，可以通過觸點的連續(xù)性來確定窗戶的狀態(tài)。但是，簧片開關(guān)有兩個限制。

首先，它無法區(qū)分破裂的窗戶和打開的窗戶。如果使用了報警器，那么在不關(guān)閉報警器的情況下是無法破解窗戶的。其次，通過在附近放置第二塊磁鐵，可以很容易地篡改簧片開關(guān)。當(dāng)窗戶打開時，次級磁鐵將開關(guān)的觸點固定到位。

為了提高防篡改和可用性，使用磁力計開發(fā)了一種替代解決方案。與打開或關(guān)閉的簧片開關(guān)不同，磁力計測量和數(shù)字化磁場分量。通過監(jiān)測場分量，傳感器可以區(qū)分破裂的窗戶和打開的窗戶，并且對放置在傳感器附近的磁鐵具有更強的防篡改能力。

為了展示基于磁力計的解決方案的優(yōu)勢，我們與基于半導(dǎo)體的傳感解決方案供應(yīng)商 Melexis 共同開發(fā)了一種智能窗戶安全傳感器。它基于 AVR DB 系列的微控制器，這是第一款具有 MVIO 外設(shè)的微控制器。在這里，MLX90392 3D 磁力計已用于監(jiān)測磁場強度。磁力計由 1.8 V 供電，并通過 I 2 C進(jìn)行通信。

該演示還使用MLX90632遠(yuǎn)紅外線 (FIR) 傳感器來監(jiān)測房間的溫度。選擇的 FIR 傳感器比本地溫度傳感器更好，因為節(jié)點會遇到氣流和陽光直射，這可能會導(dǎo)致測量誤差。雖然 MLX90632 采用 3.3 V 供電，但還有一種器件型號專為 1.8 VI 2 C 通信而設(shè)計。

對于無線連接，為簡單起見，使用了RN4870藍(lán)牙模塊。這允許用戶通過智能手機與演示進(jìn)行交互，而不是定制開發(fā)的通信橋。但是，在生產(chǎn)應(yīng)用中，我們建議為每個傳感器節(jié)點切換到更簡單、功耗更低的無線電解決方案，例如Sub-GHz無線電。源代碼和文檔鏈接在文末。

原型設(shè)計和開發(fā)設(shè)置

對于開發(fā)，我們使用了Curiosity Nano Base for Click Boards (AC164162)和AVR DB Curiosity Nano 開發(fā)板 (EV35L43A)。MikroElektronika 的 Click 板上提供 RN4870 藍(lán)牙模塊和 MLX90632 溫度傳感器（RN4870 Click和IrThermo 3 Click）。MLX90392 磁力計由 Melexis 在 MLX90392 的預(yù)組裝評估板上提供。

在最初的傳感器通信測試之后，我們很快意識到需要一個測試夾具來控制磁鐵和傳感器的位置。利用我們潛在的手工藝能力，我們用紙板和熱膠組裝了一個簡單的測試夾具，如下所示。

圖 1 在此原型測試夾具和設(shè)置中，連接到夾具的小白盒來自現(xiàn)成的門開關(guān)。隨附的磁鐵用作測試目的的標(biāo)準(zhǔn)安全磁鐵的示例。資料來源：微芯片

磁力計

從概念上講，這個系統(tǒng)的窗口警報方面似乎是最容易實現(xiàn)的，但它比我們最初想象的要復(fù)雜得多。增加復(fù)雜性有幾個原因。

首先，磁力計非常靈敏。磁鐵或磁力計位置的微小差異會使數(shù)字顯著下降。下圖來自未經(jīng)校準(zhǔn)或標(biāo)準(zhǔn)化的磁力計的原始值（圖 2）。在數(shù)據(jù)收集過程中，滑動機構(gòu)來回滑動。

圖 2 該圖顯示了原始磁力計場分量強度。資料來源：微芯片

我們沒有直接監(jiān)測每個組件的最大值和最小值，這將根據(jù)傳感器的安裝位置而變化，而是使用總磁場強度 (R = √(X 2 + Y 2 + Z 2 )。出于軟件優(yōu)化的原因，應(yīng)用程序使用磁場強度的平方。下圖顯示了相同測試期間的磁場大小。在應(yīng)用程序中，大小是根據(jù)歸一化的 16 位值計算的，如圖 3 所示。

圖 3 該圖顯示了測試期間磁場強度的大小。資料來源：微芯片

為了使系統(tǒng)整體更靈敏，每個軸的磁場值都進(jìn)行了歸一化。從顯示的樣本數(shù)據(jù)來看，Y 軸的幅度最大，其次是 Z，然后是 X。每個軸以不同的速率增加。這在直覺上是有道理的，因為磁通量在垂直方向上最高，在平行方向上最弱。為了標(biāo)準(zhǔn)化每個軸，微控制器通過將結(jié)果右移以適合有符號的 8 位值來縮放每個軸。在用戶校準(zhǔn)序列期間計算比例因子，以使系統(tǒng)整體更加靈敏。

最初，該應(yīng)用程序還打算計算 X/Y、X/Z 和 Y/Z 的角度比，以獲得額外的防篡改功能。但在測試中，由于場強的巨大差異，這種計算被發(fā)現(xiàn)非常不可靠。這些角度增加了演示的內(nèi)存使用和活動時間。我們發(fā)現(xiàn)應(yīng)用程序在沒有它們的情況下運行良好，并通過宏禁用了它們。從早期數(shù)據(jù)計算的角度比如下所示（圖 4）。

圖 4 磁力計的 X/Y、X/Z 和 Y/Z 角比是根據(jù)早期數(shù)據(jù)計算得出的。資料來源：微芯片

為了可靠地利用磁力計，我們開發(fā)了一個四步校準(zhǔn)過程。此過程必須在初始設(shè)置期間執(zhí)行，但如果需要，用戶可以稍后重新觸發(fā)它。校準(zhǔn)應(yīng)用程序的四個步驟是：

歸零

正常化

設(shè)置閾值

確認(rèn)

在歸零時，窗口完全打開，使磁鐵盡可能遠(yuǎn)離傳感器。每個軸記錄的平均值定義為偏移值。接下來，關(guān)閉窗口，使磁鐵非?？拷鼈鞲衅?。每個軸的場強在這個位置被平均。在設(shè)定的樣本數(shù)之后，微控制器計算每個軸的歸一化因子。

接下來，用戶將窗口打開到所需的打開/關(guān)閉閾值。當(dāng)用戶打開窗口時，應(yīng)用程序正在監(jiān)控記錄的最大場強 (R 2 )。根據(jù)定位，最大場強應(yīng)出現(xiàn)在或接近關(guān)閉窗口的位置。

在這一步之后，用戶將關(guān)閉窗口。此時，系統(tǒng)正在檢查窗口關(guān)閉時是否會觸發(fā)警報。如果警報確實跳閘，則校準(zhǔn)失敗并應(yīng)重新進(jìn)行。另一方面，當(dāng)校準(zhǔn)成功時，將值寫入內(nèi)部 EEPROM 以供以后使用。

實現(xiàn)溫度傳感器

為了與 MLX90632 傳感器接口，我們開發(fā)了一種新的輕量級 API，旨在利用微控制器特定的功能來提高性能。對于 MLX90632 溫度傳感器，我們實施了一個校準(zhǔn)常數(shù)緩存系統(tǒng)，將傳感器的出廠常數(shù)存儲到微控制器的 EEPROM 中。這是由微控制器自動執(zhí)行的。啟動時，微控制器檢查其 EEPROM 以確定來自傳感器的常數(shù)是否已被編程到內(nèi)存中。為了驗證常數(shù)，微控制器：

將存儲的序列號與傳感器的序列號匹配

驗證內(nèi)存段末尾序列號的異或

如果任一檢查失敗，微控制器將重新獲取傳感器的常數(shù)，計算浮點等效值，然后將它們重新寫入 EEPROM。如果內(nèi)存被認(rèn)為是有效的，微控制器只需讀取存儲的常量，而不是重新獲取和重新計算它們。

可以通過取消定義宏在軟件中禁用此功能?；蛘撸绻趹?yīng)用程序啟動時按住校準(zhǔn)按鈕，應(yīng)用程序?qū)⒁园踩Ｊ絾?，該模式認(rèn)為 EEPROM 中的所有設(shè)置和值無效，并將重新獲取/重新編程（如果啟用）。

使用 1.8 V

在 1.8 V 時，必須比更常見的 3.3 V 或 5 V 類型更仔細(xì)地處理串行通信。例如，微控制器中的內(nèi)部上拉電阻對于總線來說可能太弱而無法滿足時序要求。為了解決這個問題，我們在總線上添加了外部上拉電阻。

在早期測試中，我們嘗試使用精密數(shù)字萬用表直接測量外部 1.8V 電源的電流消耗。然而，萬用表的負(fù)載電壓剛好足以使總線在串行通信期間斷電。我們在原型中解決了這個問題，方法是在電源中添加一個大型槽路電容器，以確保在儀表測量電流消耗時總線保持在掉電閾值以上。這在整個應(yīng)用中都不是問題，因為可以從電源輸入測量電流，并且電源在板上進(jìn)行調(diào)節(jié)，而不是在外部進(jìn)行調(diào)節(jié)。

最終結(jié)果

一旦系統(tǒng)正常運行，我們就開始開發(fā)專用 PCB。下圖是已顯影的電路板（在沒有塑料外殼的情況下拍攝）。該原型系統(tǒng)將于 6 月 27 日至 29 日在Sensors Converge 2022的 Microchip 展位 #218 上展示。

圖 5 原型板沒有塑料外殼的照片。資料來源：微芯片

連接混合電壓域是許多設(shè)計的關(guān)鍵要素。在大多數(shù)情況下，必須使用外部電平轉(zhuǎn)換器在電壓域之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。MVIO 消除了這個組件并將其集成到微控制器中，這使得開發(fā)人員幾乎看不到它。有許多可能的設(shè)計和應(yīng)用將受益于在系統(tǒng)中添加 MVIO 外設(shè)。

上述應(yīng)用程序的源代碼和文檔可在以下位置獲得：

https://github.com/microchip-pic-avr-examples/avr128db28-smart-security-sensor-mplab

作者特別感謝 Melexis 協(xié)助開發(fā)此應(yīng)用程序。

—Robert Perkel 是 Microchip Technology 的 8 位 MCU 業(yè)務(wù)部門的應(yīng)用工程師。

審核編輯 黃昊宇