Quiero implementar un medidor de sonido en un sistema inalámbrico de muy baja potencia, pero nunca antes había tenido que lidiar con micrófonos electret. En este momento, el sistema consume alrededor de 5 uA cuando está en modo de suspensión y se despierta ocasionalmente para procesar algunos datos de los sensores. Mi objetivo es mantener el consumo de corriente promedio por debajo de 70 uA para que el sistema pueda durar ~ 5 años con una batería de 3000 mAh.
Mi objetivo es poder determinar el nivel de sonido después de enviar la señal al comparador ADC/Baja potencia del microcontrolador (nRF51822), que estaría configurado para grabar el sonido si estuviera por encima de cierto nivel. Necesito ayuda para encontrar una solución frontal analógica/micrófono de baja potencia.
¿Cuál sería la forma de menor potencia para implementar una función de medición de sonido en mi sistema? ¿Es lo que estoy buscando incluso posible a baja potencia?
la parte de entrada
Los micrófonos electret generalmente requieren una corriente de 100 µA a 800 µA (dado en sus especificaciones). Esta es una potencia baja, pero no lo suficiente para su aplicación, al parecer.
Los micrófonos MEMS parecen requerir aproximadamente la misma cantidad de corriente. Sin embargo, encontré algunos que necesitan poca corriente y parecen estar disponibles con relativa facilidad:
Otra opción sería utilizar un elemento piezoeléctrico. Su respuesta de frecuencia es pobre, y no estoy seguro de la sensibilidad que tendrías, pero aquí, la ventaja es obvia: no necesitan energía en absoluto (incluso se usa para recolectar energía, bueno, necesitarías para tirar el dispositivo a una mesa para obtener algo de energía utilizable).
Una opción que se podría considerar, si el nivel de sonido a detectar es constante (cuando está presente), y si puede tolerar cierta latencia cuando llega el sonido, sería alimentar la polarización del micrófono solo 1/10 de segundo cada segundo, por ejemplo. Eso dividiría el consumo total por 10. Por supuesto, esto depende de su aplicación y esto puede afectar el rendimiento del micrófono.
La parte de amplificación es menos desafiante, hay muchos amplificadores operacionales de potencia ultra baja disponibles.
La parte de MCU
Para mantener el uso de energía lo más bajo posible cuando no hay sonido (que es, supongo, el caso la mayor parte del tiempo), en lugar de verificar el nivel de sonido del software MCU, usaría un comparador de hardware.
Verificar el nivel de sonido de la MCU significa muestrear regularmente la señal a través del ADC, lo que significa que se debe despertar la MCU y alimentar el ADC. Esto utilizará una potencia significativa, especialmente considerando el hecho de que el sonido debe muestrearse a una frecuencia relativamente alta (unos pocos kHz, dependiendo de la frecuencia de sonido máxima que desee detectar).
Por otro lado, un comparador puede usar muy poca energía (hay algunos baratos que consumen solo unos pocos µA de corriente) y monitoreará constantemente el nivel de sonido, activará una interrupción y activará la MCU solo cuando el nivel de sonido requerido sea realmente alcanzado. Luego, desde la MCU, puede muestrear la forma de onda a través del ADC. Entonces, el micrófono necesita alimentar tanto al comparador como al MCU ADC.
En su caso específico, está utilizando nRF51822 que tiene un comparador interno de baja potencia (LPCOMP). Puede usarlo en lugar de un chip adicional externo. Además, puede elegir alimentar la entrada de referencia del LPCOMP con cualquier múltiplo de Vdd/8 (hasta Vdd*7/8), lo cual es muy útil aquí, si su voltaje de suministro es fijo.
Tenga en cuenta que no es necesario rectificar+filtrar la señal. No importa si te estás perdiendo cada mitad inferior de la onda de la señal. Si la interrupción puede activarse correctamente desde el evento temporal generado por el comparador cuando la mitad superior de la señal de entrada excede la referencia, es suficiente.
Estuve involucrado en un proyecto en el que se miden los eventos de impacto ultrasónico y, dado que se trata de energía recolectada, el presupuesto de energía es un poco desafiante.
Todo el front-end analógico (es necesario realizar algún acondicionamiento de la señal) consume < 8 mW y eso se reduce (si puede vivir con la latencia de inicio) mediante el uso de un amplificador con apagado .
El microcontrolador tiene periféricos autónomos , por lo que puede detectar eventos, ejecutar el ADC y DMA los datos en la memoria sin interferencia del procesador, por lo que el procesador solo sale del modo de suspensión para hacer algo con los datos, lo que mantiene el poder apagado.
La arquitectura es un (conjunto de) comparadores de baja potencia y cadenas de acondicionamiento de señales que se alimentan a las entradas del ADC del microcontrolador. El comparador comienza cuando se detecta una señal por encima de un umbral predefinido.
La potencia promedio de este sistema es pequeña (lo cual es tan bueno como que se alimenta de la energía recolectada).
Tenga en cuenta que ST y otros se han subido al carro de periféricos autónomos, por lo que hay muchas opciones disponibles.
Los micrófonos electret normalmente consumen MUY BAJA potencia. Fácilmente podemos obtener 1 año o más de una celda AA ordinaria. Debería ser bastante fácil medir realmente la corriente continua que consume una cápsula de micrófono de condensador electret. SI desea el nivel de presión de sonido (SPL) promedio (¿o pico?), entonces deberá rectificar y filtrar la forma de onda de audio en una señal de CC que represente el volumen del sonido.
Hay muchos circuitos disponibles que muestran cómo hacerlo. No debería ser difícil crear (o modificar) un circuito para operar a baja potencia. ¿Tiene alguna forma de encender/apagar los circuitos externos (como será necesario para la detección de SPL?)
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Eugenio Sh.
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Eugenio Sh.
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tom carpintero
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