低成本熱釋電傳感器可用于人員檢測(cè)和熱源遠(yuǎn)程監(jiān)控。它們由一個(gè)陶瓷晶體組成，該晶體由一個(gè) JFET 前置放大器進(jìn)行局部緩沖，該前置放大器通過(guò)一個(gè)外部負(fù)載電阻器獲取其漏極電流偏置。

與傳感器的固有偏移電壓（5 V 激勵(lì)時(shí)超過(guò) 1，800 mV）相比，入射 IR 的輸出電壓變化非常小（峰峰值約為 3.6 mV，對(duì)于用于制作系統(tǒng)原型的 Murata 傳感器）。失調(diào)電壓對(duì)溫度高度敏感。因此，接口電路必須區(qū)分此偏移電壓的變化和對(duì)應(yīng)于運(yùn)動(dòng)的實(shí)際傳感器輸出。接口電路有其工作要做，因?yàn)閷?duì)應(yīng)于運(yùn)動(dòng)的信號(hào)通常小于偏移電壓的 0.2%。

PIR 傳感器的數(shù)據(jù)表通常會(huì)針對(duì)不同的操作模式顯示各種不同的應(yīng)用電路。這些電路需要大量龐大的外部無(wú)源和有源元件來(lái)濾除低頻偏移電壓。這些電路對(duì)來(lái)自傳感器元件的緩沖輸出的交流信號(hào)提供寬帶通響應(yīng)。直流和極低頻信號(hào)被響應(yīng)的高通部分抑制，截止頻率通常低于 0.01 Hz，從而以分鐘為單位測(cè)量建立和恢復(fù)時(shí)間！在高端，約 50 Hz 以上的頻率被抑制，通常具有兩極響應(yīng)（但不足以應(yīng)對(duì)大量交流線路頻率調(diào)制）。應(yīng)用于通過(guò)的信號(hào)的中頻帶增益是 10，000 到 40，000 之間的任何值！

圖 1 中的 PSoC 系統(tǒng)使用混合（模擬加數(shù)字）伺服環(huán)路來(lái)消除 DC 偏移，從而形成一種低成本的單芯片解決方案，其占用的面積和體積要小得多，并且可以集成在一個(gè)小型傳感器單元中。 這種集成的傳感器加 SoC 封裝與獨(dú)立傳感器的尺寸相同，可以提供高模擬輸出電平、數(shù)字輸出（包括 LED 驅(qū)動(dòng)器）以及 UART、I2C、SPI 等主機(jī)連接選項(xiàng)。在數(shù)字域中執(zhí)行，使用固件或可編程硬件，SoC 解決方案非常靈活。集成的 SoC 可以在現(xiàn)場(chǎng)重新配置以滿足應(yīng)用的要求。此外，伺服回路的參數(shù)可以在運(yùn)行時(shí)使用主機(jī)控制器重新調(diào)整，以適應(yīng)環(huán)境的變化。

圖 1：用于 PIR 接口電路的 Cypress Semiconductor PSoC 4200 解決方案。

圖 2 顯示了使用 PSoC 的可編程模擬和數(shù)字模塊實(shí)現(xiàn)伺服環(huán)路。ADC 的轉(zhuǎn)換開(kāi)始信號(hào)是使用分頻器從 PWM 輸出生成的。這種安排使 ADC 轉(zhuǎn)換與 PWM 伺服反饋同步，并減少了 ADC 輸出中的這種噪聲分量。PWM 以 5.8 kHz 運(yùn)行。ADC 采樣率約為每秒 293 個(gè)樣本。在伺服環(huán)路電路中，Rpwm_1、Rpwm_2 和 Cpwm 構(gòu)成一個(gè)用于 PWM 輸出的 T 濾波器。Rg1 和 Rg2 提供接近 PIR 傳感器偏移電壓的直流偏置。PWM 濾波器電路組合可用作具有成本效益的高分辨率 12 位 DAC。

圖 2：使用 SoC 的可編程模塊實(shí)現(xiàn)。

從運(yùn)算放大器的反相輸入到地的等效電阻接近 60 kΩ。因此，同相放大器的增益約為 113。

中高頻噪聲由連接在反饋電阻上的中等大小的電容器控制，以提供數(shù)百赫茲的帶寬。只需要這個(gè)單一增益級(jí)，因?yàn)橄到y(tǒng)靈敏度的其余部分將來(lái)自隨后的 ADC 級(jí)。使用單個(gè)放大器可節(jié)省功率、降低成本并改善過(guò)載行為。

放大器的非反相輸入有一個(gè)接地電容和一個(gè)電阻連接到 I/O 引腳，該引腳由 12 位 PWM DAC 驅(qū)動(dòng)，其輸入字來(lái)自數(shù)字積分器，可以在固件或可編程數(shù)字硬件。

運(yùn)算放大器輸出驅(qū)動(dòng) SAR 的反相輸入，其非反相輸入接地。這種連接反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器輸出的意義。SAR 以大約 293 sps 的速度轉(zhuǎn)換。ADC 的孔徑時(shí)間可以保留為默認(rèn)設(shè)置，因?yàn)榉答伃h(huán)路中的電容器將閉環(huán)增益滾動(dòng)到遠(yuǎn)低于 ADC 等效孔徑頻率的單位。

ADC 輸出格式設(shè)置為有符號(hào)，因此 1.024 V 的輸入電壓（參考電壓值）將導(dǎo)致 ADC 處的代碼全為零。ADC 驅(qū)動(dòng)積分器，當(dāng)環(huán)路閉合時(shí)，積分器輸出將四處移動(dòng)以保持 ADC 代碼的平均值為零。換句話說(shuō)，這個(gè)過(guò)程既充當(dāng)高通濾波器，又充當(dāng)工作點(diǎn)穩(wěn)定器。它取代了阻止傳感器直流偏置的大電容值。因?yàn)樗窃诖a中實(shí)現(xiàn)的，它可以很容易地被暫停、重置或加速，這意味著系統(tǒng)可以在上電后很快穩(wěn)定下來(lái)。與依賴大 RC 時(shí)間常數(shù)的無(wú)源電路相比，這是一個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)。

除了饋入積分器外，ADC 的輸出數(shù)據(jù)還應(yīng)用于 0.005 Hz 至 0.01 Hz 的一階 IIR 高通濾波器，從而消除了任何未被伺服環(huán)路完全抑制的 DC 和低頻信息。之后，一個(gè)合適的低通濾波器會(huì)阻止任何被認(rèn)為不合需要的更高頻率，并將此階段的分辨率擴(kuò)展到遠(yuǎn)低于此處使用的 ADC 設(shè)置的正常 12 位分辨率下限。在涉及的采樣率下，這些濾波器可以在 CPU 中實(shí)現(xiàn)。整體響應(yīng)看起來(lái)像一個(gè)帶通濾波器，在這種數(shù)字實(shí)現(xiàn)中顯然更加可配置。

放大器、ADC、數(shù)字積分器和 PWM DAC 構(gòu)成一個(gè)閉合伺服環(huán)路，可消除傳感器輸出的直流偏移。當(dāng)傳感器偏移發(fā)生變化時(shí)，積分器累積誤差信號(hào)并通過(guò) PWM DAC 改變放大器偏置，從而使運(yùn)算放大器輸出（和 ADC 計(jì)數(shù)）保持為零。因此，偏移量的任何變化都無(wú)效。然而，與運(yùn)動(dòng)相對(duì)應(yīng)的傳感器輸出的變化不會(huì)被抵消，因?yàn)樗欧芈返乃俣炔蛔阋皂憫?yīng)傳感器輸出的突然變化。伺服環(huán)路的典型頻率響應(yīng)如圖 3 所示。

圖 3：伺服回路的頻率響應(yīng)

過(guò)濾后的 ADC 值可以以多種方式使用?？梢詫⑵渑c閾值進(jìn)行比較，并在超過(guò)閾值時(shí)發(fā)出警報(bào)。它可以應(yīng)用于定時(shí)電路，只有當(dāng)電平超過(guò)預(yù)設(shè)時(shí)間時(shí)才會(huì)觸發(fā)警報(bào)，然后警報(bào)可以延長(zhǎng)，即使刺激消失也能持續(xù)預(yù)設(shè)的持續(xù)時(shí)間?？梢詾樾盘?hào)的上升和下降值設(shè)置單獨(dú)的閾值。這允許 PIR 傳感器區(qū)分接近和后退的熱源。

如果需要，數(shù)字輸出也可以轉(zhuǎn)換回高幅度模擬信號(hào)。過(guò)濾后的 ADC 計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)適當(dāng)縮放并應(yīng)用于另一個(gè) PWM 模塊的輸入。PWM 信號(hào)被施加到一個(gè)引腳，其輸出由 RC 濾波器進(jìn)行低通濾波，并使用所選 SoC 器件中的其他可用運(yùn)算放大器進(jìn)行緩沖。該輸出可以作為照射傳感器的輸入紅外變化的副本傳遞到外部電路。

該項(xiàng)目的固件流程如圖4所示。固件濾波器和積分器需要實(shí)時(shí)運(yùn)行，伺服回路才能工作。因此，固件集成器和濾波器包含在 ADC 中斷服務(wù)程序中。非關(guān)鍵函數(shù)位于 main.c 的外循環(huán)中。

圖 4：固件流程圖。

除了運(yùn)行伺服循環(huán)和輸出例程外，固件還可以使用現(xiàn)代可編程 SoC 中提供的各種通信模塊（例如 UART、I2C、SPI 等）將數(shù)據(jù)發(fā)送到主機(jī)控制器以進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。主機(jī)還可以在運(yùn)行時(shí)通過(guò)將命令發(fā)送回 SoC 來(lái)重新調(diào)整循環(huán)參數(shù)。

圖 5 顯示了系統(tǒng)的典型輸出。Wn 的大變化表明檢測(cè)到運(yùn)動(dòng)。濾波器系數(shù)和閾值窗口可以在運(yùn)行時(shí)進(jìn)行調(diào)整。這不僅對(duì)在開(kāi)發(fā)過(guò)程中表征和優(yōu)化設(shè)計(jì)很有用，而且在操作過(guò)程中對(duì)其進(jìn)行調(diào)整也很有用。具有集成無(wú)線連接（如藍(lán)牙）的 SoC 正在上市，為工業(yè)和環(huán)境傳感帶來(lái)了一種新的無(wú)線方法。

圖 5：系統(tǒng)的典型輸出。

這個(gè)簡(jiǎn)單的應(yīng)用程序展示了現(xiàn)代可編程 SoC 的高度集成特性與設(shè)計(jì)工具的靈活性相結(jié)合，如何為已建立的電路和系統(tǒng)設(shè)計(jì)問(wèn)題帶來(lái)全新的現(xiàn)代解決方案。

作者：Nidhin Mulangattil Sudhakaran，Kendall Castor-Perry

審核編輯：郭婷