數(shù)字TO39 QFCE系列四引腳操作

1. 簡介

KEMET 的原始數(shù)字火焰傳感器采用 8 個(gè)引腳的表面貼裝封裝，提供額外的信號(hào)，為設(shè)計(jì)工程師提供更大的靈活性。

本應(yīng)用說明介紹了 KEMET 所需的硬件和操作要求QFCE傳感器當(dāng)僅使用 4 個(gè)引腳時(shí)（與QFS和QFSM系列）。

操作差異源于 TO-39 封裝上可用引腳的減少。因此，需要改變操作方法以方便正確操作。本文檔介紹其他周圍電路的一些選項(xiàng)。它應(yīng)與相應(yīng)的文檔應(yīng)用說明 – 數(shù)字 TO39 QFCE 系列 TO 軟件一起使用，以了解軟件差異和文檔貼片傳感器參考手冊(cè).

薄膜熱釋電紅外傳感器的數(shù)字系列在最小的 SMD 封裝或 TO39 封裝中結(jié)合了高性能和高水平可配置的電子集成。

KEMET 的 QFCE 熱釋電火焰?zhèn)鞲衅鲗⒏哽`敏度與快速響應(yīng)時(shí)間和高動(dòng)態(tài)范圍相結(jié)合，可確保快速準(zhǔn)確地檢測(cè)附近或更遠(yuǎn)距離的大小火焰。

這些高靈敏度火焰探測(cè)器集成了數(shù)字前端電路，以提供檢測(cè)火焰事件所需的所有相關(guān)模擬電子設(shè)備。然后，可以通過直接連接到微控制器來插值這些事件。所有這些都在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的TO39封裝中實(shí)現(xiàn)。

薄膜 PZT 基板可實(shí)現(xiàn)行業(yè)領(lǐng)先的響應(yīng)時(shí)間，在 3 至 30 Hz 的整個(gè)火焰閃爍頻率范圍內(nèi)提供高響應(yīng)度。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) I2C 通信接口提供與微控制器的即插即用連接。它還允許通過可編程增益和濾波輕松調(diào)諧和校準(zhǔn)，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)層面提供最大的靈活性。

2. 傳感器連接

圖1 –數(shù)字貼片傳感器

圖2 –數(shù)字TO傳感器

上圖顯示了可用于 KEMET 的 SMD 或 TO 數(shù)字傳感器的連接。數(shù)字TO在功能上等效于僅使用4引腳連接的SMD版本。TO封裝僅允許V+，GND和I2C 線。這意味著無法訪問可在SMD版本的傳感器中使用的以下引腳。

以下各節(jié)介紹這些引腳的使用以及引腳數(shù)量受限對(duì)功能減少的影響。

2.1 國際

SMD 傳感器上的 INT 引腳向連接的 MCU 指示 FIFO 中有可用數(shù)據(jù)，可以使用適當(dāng)?shù)?I 讀取數(shù)據(jù)2C 命令。無法訪問 INT 引腳意味著必須使用 FIFO 狀態(tài)命令檢查 FIFO。

如 SMD 傳感器參考手冊(cè)第 13.3.3 節(jié) FIFO 狀態(tài)數(shù)據(jù)包中所述，F(xiàn)IFO 狀態(tài)數(shù)據(jù)包包含返回字節(jié)的位 0 中的中斷引腳狀態(tài)，可用于輪詢 FIFO 狀態(tài)。此外，這意味著任何睡眠/喚醒功能都需要通過輪詢來完成。

圖3顯示了可訪問所有引腳的SMD傳感器正常工作期間的邏輯分析儀結(jié)果。

圖3 –中斷引腳操作模式

由于器件與來自主機(jī)的同步信號(hào)以菊花鏈方式連接，所有傳感器都同時(shí)變?yōu)榈碗娖?，使所有傳感器采樣。?dāng)從每個(gè)器件讀出數(shù)據(jù)然后清除FIFO時(shí)，INT線一次變低。我2一旦MCU檢測(cè)到INT線路狀態(tài)，就會(huì)開始讀取數(shù)據(jù)的C命令。

圖 4 顯示了正在檢查的 FIFO 狀態(tài)以確定數(shù)據(jù)可用性。

圖4 –FIFO狀態(tài)輪詢操作

上圖顯示了三個(gè)FIFO狀態(tài)檢查，返回對(duì)應(yīng)于無數(shù)據(jù)的FIFO狀態(tài)，然后是指示有可用數(shù)據(jù)的最終FIFO狀態(tài)檢查，然后讀取數(shù)據(jù)并依次清除每個(gè)FIFO。

2.3 同步和 CLK

SMD 傳感器上的這些引腳可在多個(gè)傳感器之間同步采樣。在 4 引腳操作下，每個(gè)傳感器使用其內(nèi)部 CLK 和 SYNC 信號(hào)，因此必須按照 SMD 傳感器參考手冊(cè)第 13.3.5 節(jié)模擬前端數(shù)據(jù)包中的說明配置 AFE 寄存器，將每個(gè)數(shù)字 TO 傳感器設(shè)置為主傳感器。

此配置具有消除以菊花鏈方式連接傳感器的功能的效果。它們是獨(dú)立時(shí)鐘設(shè)備。

2.2 CS

片選引腳在 4 個(gè)引腳連接的傳感器中也不可用。CS在內(nèi)部直接連接到數(shù)字TO傳感器上的正電壓輸入。因此，當(dāng)電源電壓接通時(shí)，CS信號(hào)變?yōu)楦唠娖健?/p>

如果多個(gè)傳感器由同一電源供電，則需要一種方法通過按順序打開設(shè)備來重新尋址分離的設(shè)備。本文檔的第 3.2 節(jié)討論了此順序。

3. 解決方案

數(shù)字TO封裝上的引腳數(shù)量有限，這意味著SMD傳感器的功能子集是可訪問的。解決方案分為兩個(gè)部分：初始化和操作。

3.1 初始化 – 打開和關(guān)閉傳感器

在 KEMET 數(shù)字 TO 火焰?zhèn)鞲性u(píng)估套件 USEQFCK9000000 上，MCU 的數(shù)字輸出控制連接到 MCU 的每個(gè)傳感器的單獨(dú)電源開關(guān)。如果任何單個(gè)火焰?zhèn)鞲衅餍枰獜?fù)位，這些電源開關(guān)有助于控制單個(gè)傳感器。

如果MCU復(fù)位，則應(yīng)同時(shí)復(fù)位所有火焰?zhèn)鞲衅?。傳感器電源開關(guān)應(yīng)確保VDD引腳被拉到地，而不是懸空。浮動(dòng)電源不允許在傳感器內(nèi)進(jìn)行正確的復(fù)位時(shí)序，因此，如果控制不當(dāng)，可能會(huì)產(chǎn)生不利影響。

電源開關(guān)原理圖如圖7所示。圖 6 和圖 8 中都有與此相關(guān)的聯(lián)系。

除了控制每個(gè)傳感器的功率外，I2C 時(shí)鐘引腳也必須控制。出現(xiàn)此要求的原因是數(shù)字 TO-39 封裝上缺少芯片選擇 （CS） 信號(hào)。

如果在同一通信總線上使用多個(gè)傳感器，則需要對(duì)每個(gè)設(shè)備進(jìn)行重新編程，以具有唯一的I2C 地址。這是通過控制每個(gè) I 來執(zhí)行的2C時(shí)鐘線到各個(gè)傳感器。對(duì)時(shí)鐘線的控制還可以防止設(shè)備由 I 供電2C 總線，當(dāng)傳感器的電源復(fù)位時(shí)。

3.2 初始化 – 獨(dú)立尋址設(shè)備

在我們的 QFS 和 QFSM 系列 SMD 器件上，通過一次設(shè)置一個(gè)器件的 CS 并重新尋址每個(gè)器件來初始化傳感器，直到所有傳感器在2C總線。

數(shù)字 TO-39 設(shè)備的操作不同，因?yàn)樗袀鞲衅鞫加幸粋€(gè)電源開關(guān)。解決方案是使用可以允許或拒絕訪問I2每個(gè)傳感器的 C 時(shí)鐘信號(hào)。盡管數(shù)據(jù)將發(fā)送到所有傳感器，但2C 硬件未計(jì)時(shí)，傳入數(shù)據(jù)未讀取。

有了這個(gè)額外的硬件，可以使用與數(shù)字演示板相同的代碼，因?yàn)橛糜诩せ钚酒x擇的相同信號(hào)用于控制接收I的傳感器2C 時(shí)鐘。

如果在同一設(shè)備上使用多個(gè)傳感器2C總線，每個(gè)設(shè)備都需要一個(gè)唯一的I2C 地址。通過執(zhí)行以下順序可以實(shí)現(xiàn)正確的操作。

確保傳感器已正確復(fù)位，然后使用對(duì) I 的控制2C 時(shí)鐘線，禁用您未嘗試為其重新編程關(guān)聯(lián)的 I 的所有設(shè)備2C 地址。

重新編程 I2C 地址符合 SMD 傳感器參考手冊(cè)和您所需的地址。完成后，使該設(shè)備保持打開狀態(tài)并重新啟用 I2C 時(shí)鐘線連接到要編程的鏈中的下一個(gè)設(shè)備。對(duì) I 上的每個(gè)設(shè)備執(zhí)行此過程2C 總線，確保鏈中的每個(gè)設(shè)備都有一個(gè)唯一的地址。

KEMET 傳感器不包含閃存，因此每次傳感器的電源中斷時(shí)，都應(yīng)確保重置并重新編程每個(gè)單獨(dú)的2C 地址。如果無法重置或重新編程設(shè)備，則在向每個(gè)傳感器讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)時(shí)會(huì)導(dǎo)致隨機(jī)故障。

3.3 數(shù)據(jù)的操作檢查

使用數(shù)字SMD傳感器，MCU有多種方法來確定FIFO中是否有數(shù)據(jù)。

1. 使用傳感器的 INT 引腳和 MCU 中的中斷。

2. 使用傳感器的 INT 引腳并使用 MCU 輪詢它。

3. 使用 I2C FIFO_Status命令并檢查與 INT 狀態(tài)對(duì)應(yīng)的位。執(zhí)行此操作實(shí)際上是輪詢FIFO_Status。

由于前兩個(gè)需要傳感器的INT引腳，因此不能用于4引腳操作，因此檢查FIFO中是否有數(shù)據(jù)的唯一方法是使用I2C FIFO_Status命令。

這里值得提醒的是，在輪詢FIFO_Status時(shí)，I2正在使用 C 總線。因此，檢查FIFO_Status的頻率應(yīng)保持在最低限度，以改善電源使用。

例如，這已在數(shù)字TO評(píng)估套件中通過中斷實(shí)現(xiàn)，該中斷使用電流采樣速率和功率模式來確定其檢查頻率。

缺少同步傳感器采樣會(huì)在FIFO輪詢數(shù)據(jù)讀出模式下產(chǎn)生以下結(jié)果。最窄的我2C 數(shù)據(jù)包對(duì)應(yīng)于在 FIFO 中具有數(shù)據(jù)的任何傳感器，最寬的數(shù)據(jù)包對(duì)應(yīng)于在 FIFO 中具有數(shù)據(jù)的所有傳感器。另一個(gè)我2C 數(shù)據(jù)包對(duì)應(yīng)于 FIFO 狀態(tài)檢查，這些檢查僅返回具有可用數(shù)據(jù)的傳感器子集。

圖 5 – FIFO 輪詢 – 非同步采樣的影響

由于傳感器是獨(dú)立時(shí)鐘的，因此每個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)可用點(diǎn)是不同的。在設(shè)計(jì)讀取傳感器的固件時(shí)必須小心，以避免丟失數(shù)據(jù)。

3.4 演示板電路原理圖

圖6 –MCU連接

圖7 –電源開關(guān)

圖8 –傳感器時(shí)鐘開關(guān)

3.4.1 評(píng)估套件原理圖注意事項(xiàng)

圖9 –數(shù)字傳感器插座

開發(fā)人員應(yīng)注意 I2C 引體向上和 I2C 時(shí)鐘開關(guān)從電源開關(guān)的輸出接收 3.3 V（通過 MCU 控制）。

結(jié)果是當(dāng)數(shù)字傳感器沒有對(duì)其V施加3.3 V時(shí)供應(yīng)針。然后，其他數(shù)字IO引腳可以通過內(nèi)部保護(hù)二極管饋入傳感器ASIC的3.3 V電源軌。但是，如果沒有3.3 V電源，則其他引腳上超過0.6 - 0.7 V的任何電壓都將饋入3.3 V電源軌，因此器件可以通過I2C 線。為避免這種情況，它們一直保持低電平，直到提供3.3 V信號(hào)。

4. 低功耗應(yīng)用電路

以上描述適用于當(dāng)前版本的 KEMET 演示板。選擇此示例是為了降低組件成本。但是，這確實(shí)意味著無法實(shí)現(xiàn)睡眠模式的最低電流消耗。

在低功耗應(yīng)用中，對(duì)每個(gè)傳感器的電源和時(shí)鐘的單獨(dú)控制將大大降低最終應(yīng)用的功耗。

僅當(dāng)火焰?zhèn)鞲衅鞲哂谀硞€(gè)閾值時(shí)，該套件才應(yīng)主動(dòng)分析數(shù)據(jù)，并將數(shù)字TO火焰檢測(cè)評(píng)估套件的預(yù)期使用情況作為不同電路選擇的功耗性能差異的示例。這意味著傳感器可以處于睡眠狀態(tài)，并使用SMD傳感器參考手冊(cè)第13.3.7節(jié)中描述的喚醒參數(shù)。如果您不熟悉 WUP 數(shù)據(jù)包，建議使用火焰感應(yīng)評(píng)估工具（數(shù)字）軟件，因?yàn)樗杏玫目梢暬o助工具來設(shè)置和測(cè)試參數(shù)。此評(píng)估工具軟件可用于在此下載.

4.1 TO 火焰?zhèn)鞲性u(píng)估套件（數(shù)字）– USEQFCK9000000

如上所述，理想情況下，除非在傳感器輸出端檢測(cè)到被認(rèn)為是火災(zāi)的事件，否則火焰?zhèn)鞲性u(píng)估套件大部分時(shí)間都應(yīng)處于睡眠狀態(tài)。在這種情況下，如果信號(hào)電平只是噪聲，則設(shè)備應(yīng)保持睡眠狀態(tài)。WUP 數(shù)據(jù)包確定喚醒條件所需的信號(hào)級(jí)別。如果所有三個(gè)器件都在數(shù)字TO火焰檢測(cè)評(píng)估套件上休眠，則傳感器系統(tǒng)的最小電流消耗約為18.2 μA。但是，由于僅關(guān)注火焰?zhèn)鞲衅餍盘?hào)以確定喚醒事件，因此其他兩個(gè)設(shè)備可以斷電。這種情況將使睡眠狀態(tài)電流消耗為7.3 μA。

上述降低到最低電流消耗的缺點(diǎn)是額外的硬件成本。本文檔第 3.4.1 節(jié)顯示 I2C 無法連接到斷電設(shè)備。否則，3.3 V通過保護(hù)二極管饋入傳感器的Vcc軌。因此，如果每個(gè)設(shè)備可以獨(dú)立地具有電源，則還需要具有I2C線僅在通電時(shí)連接。此操作將避免 ASIC 中寄存器未正確初始化的問題。此操作意味著應(yīng)該有一個(gè)冪和兩個(gè) I2每個(gè)傳感器的 C 信號(hào)開關(guān)。

表 1 – 組件成本和相應(yīng)的電流消耗

審核編輯：郭婷