SENSORANWENDUNGEN IM MICROAMPERE-BEREICH

ENERGY MICRO entwickelt eine neuartige Sensorschnittstelle und ermöglicht somit die Realisierung von besonders energiefreundlichen Sensoranwendungen im Deep Sleep Mode.

ENERGY MICRO hat für seine Ultra-Low-Power Kontrollerfamilien Tiny- und Giant-Gecko eine neuartige Sensorschnittstelle entwickelt, die eine autonome Überwachung von bis zu 16 Sensoren im Deep Sleep Mode erlaubt. Bei den Anwendungen können sowohl aktive als auch passive analoge Sensoren - wie kapazitive, induktive und resistive Sensoren - berücksichtig werden. Die Bezeichnung LESENSE (Low Energy Sensor Interface) begründet sich in der Eigenschaft, dass die Überwachung bzw. Messung der Sensoren völlig autonom, d.h. ohne Intervention des Cortex-M3, vollzogen wird. Dies ermöglicht die Realisierung von besonders energiefreundlichen Lösungen, da die Aufgabe der Sensormessung vollständig in das LESENSE Modul ausgelagert werden kann, welches mit einer durchschnittlichen Stromaufnahme von einigen µA seinesgleichen sucht. Das von der Gecko-Familie bereits bekannte PRS (Peripheral Reflex System) ermöglicht zudem die Einbindung von weiteren Peripherien, wie z.B. PCNT (Pulse Counter), RTC (Real Time Counter), LETIMER (Low Energy Timer) und GPIOs. Hierbei wirkt das PRS wie ein Verdrahtungsnetzwerk, das den Austausch von Triggersignalen zwischen den einzelnen Peripherien auch im Deep Sleep Mode erlaubt. Somit lassen sich auch komplexe Messszenarien implementieren, die den Einsatz des Cortex-M3 und den damit verbundenen Wechsel in den Run-Mode auch für längere Zeitfenster unterbinden.

Zur Messung der Sensoren stehen dem Anwender 2 ACMPs (Analog Comparator) zur Verfügung, denen je ein Multiplexer mit acht analogen Eingängen vorgeschaltet ist. Als Referenzspannung stehen mehrere Quellen zur Auswahl, wie z.B. zwei 12-Bit DACs, eine interne LDO (1.25V und 2.5V), eine “fein“ skalierbare Versorgungsspannung oder eine externe Referenz. Die Messergebnisse der ACMPs münden in dem LESENE Modul, das die eigentliche Intelligenz für die Zuordnung und Evaluierung der Ergebnisse sowie für die gesamte Ablaufsteuerung bereitstellt. Der konfigurierbare Sequenzer definiert hierbei, in welcher zeitlichen Reihenfolge und Dauer die Sensoren gemessen und ausgewertet werden. Insbesondere passive Sensoren benötigen eine Erregung, bevor ein Messvorgang eingeleitet werden kann. Der Sequenzer stellt hierzu verschiedene Stimulus-Szenarien zur Verfügung, die am Messpin oder alternativ an einem anderen Pin ausgegeben werden können. Die integrierte “Count & Compare“ Funktion ermöglicht das Zählen von Pulsen, die am Ausgang der ACMPs während eines Messzyklus generiert werden. Das Ergebnis kann mit einem Referenzwert verglichen oder in einem Buffer für eine spätere Auswertung zwischengespeichert werden. Für komplexere Messszenarien bietet der Decoder mit einer integrierten und konfigurierbaren FSM (Finite State Machine) mit 16 Zuständen zusätzliche Intelligenz, wie sie z.B. für einen Quadratur-Decoder benötigt wird. Die Funktionsweise von LESENSE soll im Folgenden an drei Beispielen aus dem Bereich der kapazitiven, induktiven und resistiven Sensorik verdeutlicht werden:

Beispiel: Kapazitive Sensorik
Kapazitive Sensoren beruhen auf einer Änderung der Kapazität eines Kondensators. Die Anwendungsmöglichkeiten sind sehr vielfältig und umfassen Differentialsensor (Weg oder Winkel), Drucksensor, Füllstandssensor oder Näherungs- und Berührungsschalter. In diesem Beispiel soll die Funktionsweise von LESENSE durch die Implementierung eines kapazitiven Berührungsschalters verdeutlicht sowie im Blockschaltbild vereinfacht dargestellt werden. 
Je nach Ausgangswert des ACMP (1 oder 0) wird als Referenzspannung am invertierenden Eingang VDD /4  oder VDD_SCALED zugeschaltet und ein Kondensator durch den Inverter ent- oder aufgeladen. Beträgt der Ausgangswert des ACMPs 1 (Inverterausgang = 0), so liegt am invertierenden Eingang die Spannung VDD /4  an, und der Kondensator wird durch den Inverter solange entladen, bis die abfallende Spannung unterhalb von VDD /4 sinkt. Hierdurch wechselt der Ausgang des ACMPs auf 0 (Inverterausgang = 1), wodurch die Referenzspannung am invertierenden Eingang auf ein höheres Potential VDD_SCALED schaltet und zugleich ein Ladevorgang des Kondensators eingeleitet wird. Schließlich wechselt der ACMP seinen Ausgangswert wieder auf 1 und der Ent- und Aufladevorgang des Kondensators wiederholt sich erneut.
Die hierdurch verursachte Oszillationsfrequenz ist unter anderem abhängig von der gewählten Kapazität der Kondensatoren. Je höher die Kapazität, umso länger dauert der Ent- und Aufladevorgang und umso geringer wird die Frequenz. Durch die Berührung mit einem kapazitiven Objekt, z.B. mit einem menschlichen Finger, wird die Kapazität erhöht, wodurch sich die Oszillationsfrequenz verringert. 
 
Zur Berechnung der Frequenz zählt der integrierte LESENSE Counter die Anzahl der 1 am Ausgang des ACMPs innerhalb eines Zeitfensters, das durch den LESENSE Timer vorgegeben wird. Der Sequenzer bestimmt die zeitliche Reihenfolge und die Parametrisierung jeder einzelnen Messung. Ist die Messung an einem Pin abgeschlossen, so wird automatisch auf den nächsten Pin geschaltet. Dem Anwender steht es dabei frei, welches Ereignis bei einer Detektion erfolgen soll. Im einfachsten Fall wird ein Wake Up ausgelöst, was ENERGY MICRO in diesem Zusammenhang auch als “Wake on Touch“ bezeichnet. Die durchschnittliche Stromaufnahme beträgt bei einer Messwiederholfrequenz von 20Hz (20 Messungen in der Sekunde) lediglich 1,4µA, bei 100Hz nur 1,9µA.

Beispiel: Induktive Sensorik
Induktive Sensoren beruhen auf der Dämpfung oder der Frequenzänderung eines Schwingkreises beziehungsweise einer Spule. Durch dieses Messprinzip lassen sich allgemein berührungslos und somit verschleißfrei Winkel, Wege und Geschwindigkeiten messen. Bei dem folgenden Beispiel wird die Berechung der Dämpfung eines LC-Schwingkreises durch LESENSE erläutert. 

Innerhalb einer kurzen Erregungszeit wird der Kondensator eines LC-Schwingkreises über den DAC vorgeladen. Während dieser Erregungsphase wird der Pin ACMPn_CHx durch den Sequenzer gegen Masse gelegt. In der anschließenden Messphase wird der Pin ACMPn_CHx in Tristate und DAC0_OUTx auf Masse geschaltet, und der Schwingkreis beginnt mit seiner Resonanzfrequenz von

zu schwingen. Durch parasitäre ohmsche Verluste der Bauteile verliert der Schwingkreis jedoch an Energie und die Oszillation schwingt ab. Unter Einbeziehung des ACMPs lassen sich die Spitzen oberhalb einer definierten Schwellspannung zählen. Hierzu wird das Signal an ACMPn_CHx an den nicht invertierenden Eingang eines ACMPs geführt, während die Referenzspannung (Schwellspannung) am invertierenden Eingang durch den DAC bereitgestellt wird. Somit generiert jeder Peak oberhalb der Schwellspannung am Ausgang des ACMPs eine 1, die je vom LESENSE Counter gezählt wird.
Befindet sich ein metallisches Objekt in der Nähe der Spule, so wird durch das Magnetfeld Energie auf das Objekt in Form von Wirbelströmen übertragen, wodurch das Abklingverhalten der Oszillation verstärkt wird. LESENSE misst innerhalb einer durch den LESNESE Timer vorgegebenen Zeit die Anzahl der Impulse und kann damit Rückschlüsse auf das Vorhandensein eines metallischen Objektes ziehen. Bei einer Messwiederholfrequenz von 20Hz wird durch dieses Verfahren im Durchschnitt eine Stromaufnahme von 1.2 µA benötigt, bei 100Hz lediglich 1,9 µA.
Durch die Verwendung von mehreren LC-Schwingkreisen können auch komplexere Messverfahren realisiert werden, wie z.B. für die Richtungs- und Geschwindigkeitserfassung von Rotationskörpern in der Durchflussmessung. Das Tracking der Rotation wird dann durch die integrierte FSM realisiert. 

Beispiel: Resistive Sensorik
Resistive Sensoren nutzen den Effekt der Widerstandsänderung bei der Verformung, Dehnung, Bestrahlung und Temperaturänderung von Materialien. Typische Einsatzgebiete sind Licht-, Druck-, Dehnungs-, Beschleunigungs-, Kraft- und Temperaturmessungen. Für LESENSE bieten sich, genau wie bei der induktiven und kapazitiven Sensorik, recht unterschiedliche Implementierungsmethoden an. Eine mögliche Methode soll durch die Messung eines Lichtsensors auf Basis eines Phototransistors im Folgenden illustriert werden: 

Während der gesamten Messung wird der Lichtsensor über LES_ALTEX0 mit einer Spannung versorgt. Der Phototransistor wirkt wie ein Spannungsteiler, der in Abhängigkeit der Belichtung seinen Widerstandswert ändert und somit den Spannungsabfall über den zweiten Widerstand beeinflusst. Dieser Spannungsabfall wird über ACMP0_CH4 am Eingang des ACMPs gegen eine Referenzspannung gemessen, die im Laufe einer Messperiode nachgezogen werden kann. Somit lässt sich ermitteln, ob die Lichtintensität einen bestimmten Wert über- oder unterschreitet. Je nach Messwiederholungsfrequenz beträgt die durchschnittliche Stromaufnahme 1,2 µA bei 20Hz und 2,3 µA bei 100Hz.

Mit dem Tiny Starter Kit  können alle genannten Beispiele und viele weitere getestet werden. Das Starter Kit bietet hierzu alle notwendigen Peripherien, wie z.B. einen Lichtsensor, einen kapazitiven Touch-Slider und einen LC-Schwingkreis. Source Code und Application Notes finden Sie unter:

http://www.energymicro.com/downloads/application-notes

Mit der Einführung dieser neuartigen Sensorschnittstelle ist ENERGY MICRO ein wichtiger Schritt gelungen, die Stromaufnahmen auch in Sensoranwendungen deutlich zu reduzieren. Ermöglicht wird dies durch autonom operierende Peripheriefunktionen, die im Deep Sleep Mode ohne den Einsatz des Cortx-M3 nur wenige µA benötigen.

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