【技术大神】基于EFM32的人体静电检测优化方案

2019-09-03 技术大神活动文章

在生活中,由于化纤织物、体表摩擦、环境干燥等因素产生的静电带来的小烦恼是无关痛痒的。但是在石油石化行业(笔者就是身处这样一个水深火热的行业),比如油库、罐区、发油台这些易燃易爆炸的危险区域,任何细微的电火花的存在都是不允许,所以这些区域的入口处都必须设有人体静电消除装置。


图1:人体静电消除示意图


在最初的最初(静电亚导体没有被发现之前),人们通常的在这些危险区域的入口竖一根纯金属杆,金属杆的另一头与接地桩相连。在进入危险区域之前触摸金属杆,将人体的静电导入大地。这种方式虽然能达到释放人体静电的目的,但是就像前面说的,静电释放过快容易击穿空气,造成打火。所以后来人们就将金属换成了静电亚导体,这种材质的导电率介于金属与非金属之间,能够均匀缓速的释放电荷,有效的避免电火花的产生。再后来,随着社会和技术的进步,人类开始不满足于这种看不见摸不着的静电释放方式,他们想直观的看到人体静电的释放过程。有需求就有市场,所以,也有了本案。


图2:人体静电检测释放原理方框图


本案的实现方式很清晰:首先是检测有无人触摸球体,如果检测到有人触摸,打开AD(为了保证低功耗检测到触摸后再开AD),人体静电信号(含有50Hz的工频干扰)通过一系列信号的处理(放大、陷波、滤波)送到MCU的AD进行采样送显示(声光报警),与此同时MCU控制静电亚导体与接地桩之间导通,实现静电的导出。篇(BAO)幅(MI)关(XIE)系(YI)这里着重分析静电检测部分的优化。


人体静电的检测原理:搭建RC振荡器,电容极板一端连接到静电亚导体球,另一端连接电路。当触摸到静电亚导体球时,手掌所形成的感应电容使电路中的电容增大,震荡周期改变。通过单片机的轮询,检测到频率的变化,从而“感知”人体的触摸。


图3:PCB极板以及极板与静电亚导体球连接实物图


图4:电容充放电示意图


原对比方案:遇到误动作好尴尬
这个项目原方案——传统的利用MCU轮询RC充放电电路实现。带来的问题(也是产品一直为人诟病的):首先是灵敏度不理想,手掌放到球体上检测时间过长;其次,分立器件带来了一些不稳定因素。从现场反馈回来的情况,一是下雨天雨水落到球体表面,改变了容值,造成误操作,直接体现为——设备一直工作。二是容易受到干扰,开灯产生的电磁干扰都会造成设备的误动作(一次在展会,灯一亮我们的设备就开始工作了,好尴尬);最后,也是最关键的——外搭电路的功耗比较难控制,整个项目要求由一节2400mah的14505锂电池供电,工作5年。


优化方案:一颗“芯”的改变
原理都是相似的,不同在于实现的方式。后期改进,我们选择将电容检测部分模块化,并且集成到MCU内部的方案,简化了设计。芯片选用了来自Silicon Labs的超低功耗的EFM32。接口丰富,功耗超低(据说是全球最低,在活动模式下执行来自Flash的实际代码每兆赫所耗电量180ua,深度睡眠下900na,关机模式下20na)。


与之前不同的是,优化后的电容检测的触发改由中断完成,省去了CPU轮询的过程,功耗大大降低。并且集成化外设对可靠性和一致性都有了很好的控制。优化后的方案出现误动作的频率明显大大减少,我们的自信心也大大提高了。


图5:LESENSE结构框图


LESENSE容性传感器的配置:
LESENSE作为EFM32系列MCU的外设可以被灵活的配置。它的容性传感器初始化时,应该先配置相关的时钟。为了提高测量的精度,我们建议在配置LESENSE时钟的时候,用LFXO作LFA的时钟源。同时使用哪个通道就配置对应的引脚(例如只用通道5就只需要配置对应的PC5管脚)。具体代码如下:


图6:LESENSE电容传感器配置代码


平时MCU工作在EM2的低功耗模式下,电容传感器扫描频率设置为30Hz时,实测工作电流在1.5μA左右。依据经验,扫描频率增大到100Hz,EM2模式下的工作电流也不会超过2μA。所以,至少在这个项目上,EFM32是笔者用过的对功耗控制最好的MCU。


图7:EFM32工作在EM2低功耗模式下的工作电流实测图


简单总结一下(每次写到这不总结就感觉没写完)。工欲善其事必先利其器,半导体行业的发展使我们对产品的设计更加得心应手,电路的集成化、功能的多样化已经是芯片行业发展的趋势,对芯片的合理的选择和把握可以大大缩短项目周期、降低开发难度。最后,祝大家研发快乐~(附上两张产品的靓照)


图8:电路板与静电亚导体球装配实物图


图9:工程样机实物图


作者:小撮货


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  • 自主知识产权 Lv6 2018-08-19
  • Laura-chen Lv7. 资深专家 2018-06-30
    这个好
  • 李全智 Lv3. 高级工程师 2018-04-22
    学习
  • 137******28 Lv3. 高级工程师 2018-01-18
    厉害了
  • 游来游去 Lv8. 研究员 2018-01-10
    学习
  • MarsSu Lv4. 资深工程师 2017-12-25
    学习
  • 滑翔机2301 Lv5. 技术专家 2017-12-20
    厉害了
  • LuckWay Lv7. 资深专家 2017-12-17
    看这个都想自己做一个
  • 159******70 Lv7. 资深专家 2017-11-17
    学习了
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