פתרון קשיח המבוסס על בקר מיקרו בשבב יחיד בעלות נמוכה, המיועד לגלאי שבירת זכוכית

Kripasagar Venkat – Texas Instruments

המטרה העיקרית של גלאי שבירת זכוכית [GBD] היא לגלות סימנים של שבירת זכוכית בחלונות או בדלתות של הבית או של העסק. אפשר לכלול את הגלאי גם בקבוצה של התקני ניטור המשפרים את האבטחה בבתי מגורים ובעסקים, כדי למנוע חדירה לא חוקית. גלאי GBD יכול לפעול באופן עצמאי או עם התקנים אחרים ביחד כנגד גנבה, כדי ליצור מערכת אבטחה. הגלאי GBD בעיקרו קולט פעילות שמפיקה צלילים או קולות, מנתח אותה ומדווח כאשר מתרחש אירוע של שבירת זכוכית. בשל צורת פעולה זו, הגלאי GBD תלוי במידה רבה באיכות האירועים מפיקי הצלילים ומציב אינסוף אתגרים בפני המתכנן. בנוסף, הגלאי חייב להיות מסוגל לדחות את כל הצלילים שאינם שבירת זכוכית באמת. אירועים מפיקי צלילים, שלהם יש פוטנציאל לעורר תנאי כוזב של שבירת זכוכית, נקראים התראות כושלות. מאמר זה דן בתכנון יעיל וקשיח של גלאי GBD באמצעות יחידת בקר מיקרו [MCU] בעלות נמוכה.
יחידות MCU הן יחידות מעבד בעלות תכונות בסיסיות שנמצאות במגוון מערכות של יישומים, כמו למשל שעון זמן אמת ספרתי ופשוט או יישום מדידה חכם ומורכב. השימוש ביחידות MCU הוא בראש ובראשונה בשל עלותן הנמוכה, צריכת ההספק הנמוכה וקלות השימוש שלהם בהשוואה לרוב הסוגים האחרים של המעבדים הספרתיים. ביישומים פשוטים, ניתן להגיע בקלות לעלות נמוכה ולצריכת הספק נמוכה בגלל קבוצת הדרישות המוגבלת. ואולם, כאשר המגמה עוברת לכיוון השימוש ביחידות MCU אף ביישומים מורכבים, השמירה על עלות נמוכה והשגת צריכת הספק נמוכה הופכות להיות אתגר. כעת תפקידו של המהנדסים הוא להשיג את הביצועים הגבוהים ביותר בתמורה לעלויות הנמוכות ביותר שאפשר. לצורך כך, הם נתקלים במגבלות של ארכיטקטורות מעבדי מיקרו, כגון זיכרון קטן על שבב, קבוצה מוגבלת של התקנים היקפיים, מהירות פעולה נמוכה, כמות פינים קטנה וכיו”ב. המהנדס צריך לבצע אופטימיזציה בכל חלק קטן שנכלל ביחידות MCU ולנצל אותו לשימוש ביישומים מורכבים למדי, כמו למשל בגלאי שבירת זכוכית [GBD].

שיקולי תכנון
אלגוריתם של גלאי GBD קשיח צריך להיות מסוגל להבדיל בקלות יחסית בין שבירת זכוכית בפועל לבין אירועים אחרים שמפיקים צלילים. כל האלגוריתמים של גלאי GBD קולטים אירועים מפיקי צלילים, מנתחים את הרכבי הזמן והתדירות של האירוע וקובעים החלטה. הצלילים המופקים משבירת זכוכית שונים בהתאם לסוג הזכוכית, לעובי, לסביבה האקוסטית, למרחק, לחפץ שמשמש ככלי הגורם לשבירה וכיו”ב. כל האלגוריתמים של גלאי GBD דומים באופן מובנה, אך הם יהיו שונים במקצת עבור תנאים מסוימים. עם זאת, קשה לקבל אלגוריתם אחד שיעשה את העבודה בכל התנאים. כוונון עדין של האלגוריתם נעשה בדרך כלל במהלך ההתקנה הסופית, בבית או בעסק.
אפשר לנתח אות של שבירת זכוכית בפועל במישור הזמן או במישור התדר. באיור 1 ובאיור 2 אנו רואים אות אופייני של שבירת זכוכית במישורי זמן ותדר, בהתאמה. הצליל נמצא בדיוק בספקטרום האודיו של 20 הרץ עד 20 קילו–הרץ. צורת הגל במישור הזמן מתייחסת לצליל שנשמע בפועל וצורת הגל במישור התדר מתארת את תכולת התדר המלאה של האות. תרשימים אלו מספקים מידע רב–ערך בשלב התכנון של אלגוריתם יעיל לגילוי שבירה. התרשים במישור הזמן מציין שצורת הגל צפופה מאוד ושיש פעילות רבה בפרקי זמן קצרים. הסיבה לכך קשורה לעובדה שהאות כולל הרבה רכיבים בתדר גבוה. בנוסף, המשמעות היא שמספר הנקודות חוצות האפס ונקודות השיא עבור צורת גל זו יהיה גבוה מאוד. נראה שמאפיינים אלו, על אף היותם מידע חשוב, מחקים רעש לבן. האתגר שעומד כעת בפני המתכנן הוא ליצור את ההבחנה הזו.
אם נתבונן בתגובת התדר, ניתקל באתגרים דומים; דומה כאילו הרכיבים של אות שבירת הזכוכית התפזרו על פני הספקטרום כולו עם אנרגיה שווה פחות או יותר, אופיינית לרעש לבן. ובכל זאת אנו מבחינים בשיא נאה בתחום התדר הנמוך של 200 – 300 הרץ, שיעניק לנו את ההבחנה הכל כך נחוצה. שיא זה הוא רכיב התדר של הצליל שנוצר על ידי ההלם הראשון שנגרם לזכוכית במהלך שבירתה. ההלם הוא אות בתדר נמוך בין כל הצלילים של שבירת הזכוכית בתדר הגבוה שיבואו בעקבותיו. את ההלם או החבטה הזו אפשר גם להסביר כצליל הנובע מכלי הפריצה שמכה בזכוכית. אין מבחינים בקלות במידע זה בצורת הגל במישור הזמן, אך אנו יודעים שצליל זה יקדים את כל הצלילים האחרים במהלך שבירת זכוכית. בנקודה זו, קבענו כמה דברים בנוגע לאות שבירת זכוכית ונוכל לסכם אותם להלן:
1.אות שבירת זכוכית כולל רכיבים רבים בתדר גבוה ולכן הרבה נקודות חציית אפס ונקודות שיא
2.אות שבירת זכוכית כולל רכיב תדר נמוך בסביבות 200 – 300 הרץ, שנוצר מההלם של הכלי המכה בזכוכית, והוא מתרחש בתחילת הצליל של שבירת הזכוכית

רכיבי המערכת
איור 3 מראה תרשים בלוקים של מערכת אופיינית של גלאי שבירת זכוכית.
הבלוקים העיקריים שמבצעים פעולות מסוימות מופיעים ברשימה לעיל. הגלאי GBD צריך תמיד להיות במצב פועל ועליו להיות מסוגל לעבד בזמן אמת כל פעילות שמפיקה צלילים. ואולם, חלק מהבלוקים של גלאי GBD יכולים להרשות לעצמם במצבים שבהם אינם בפעולה, להיות במצב כבוי או לעבור למצבים של צריכת הספק נמוכה. הבחנה זו תתבצע במקטעים עוקבים. אירועי צלילים נקלטים בעזרת מיקרופון. מגבר להגברה ולאחריו מסנן נגד קיפול תדרים [Anti–Aliasing–Filter – AAF] מטפל בהגברה של האות ומסנן רכיבי תדר גבוה. המסנן AAF מתוכנן לדחות את כל התדירויות שמעל טווח השמיעה של 20 קילו–הרץ, והוא גם מונע הפרה של
קריטריון Nyquist במהלך ההמרה לספרתי של אות אנלוגי. אפשר להבין שהבלוקים שמתחת לאזור המנוקד הם חלק מהמעבד. המעבד יכול להיות התקן ASIC, יחידת MCU או מעבד אותות ספרתיים [DSP]. הממיר מאנלוגי לספרתי [ADC] ממיר את האות האנלוגי לדגימה ספרתית לצורך עיבוד במישור הספרתי. תדר הדגימה [Fs] נבחר לפי תכולת התדר של האות. מאחר שמשתמשים במסנן AAF של 20 קילו–הרץ, קצב הדגימה חייב בהכרח להיות גדול או שווה ל– 40 קילו–הרץ, כדי לשמור על תכולת האות המקורית ועל שלמותה. בלוק ניתוח האות כולל את עיבוד האות כולו הדרוש לגילוי או לדחייה של שבירת זכוכית. בתום העיבוד, בלוק ההחלטה יפעיל מחוון כגון נורית LED או זמזם, כדי לציין שבירת זכוכית. בסעיפים הבאים נדון במפרט הטכני המפורט של בלוקים אלו.

מפרט תכנון החומרה [HW]
בחלק זה נדון במפרט הטכני של החומרה [HW] שתורם לפתרון גלאי GBD קשיח. בטרם נעמיק בדרישות, ראוי לציין עובדה חשובה, והיא שגלאי GBD החשובים מופעלים על ידי סוללה, וכדי לקבל אורך חיי סוללה מספיק, התכנון חייב להיות עם דגש על צריכת הספק נמוכה. בחירת כל רכיבי החומרה שבמעגל תהיה תלויה ביכולתם לתרום לצריכת הספק נמוכה.
כפי שניתן לראות באיור 3, שרשרת אותות אנלוגיים נוצרת החל במיקרופון וכלה בממיר ADC. הבחירה במיקרופון חשובה במיוחד והביצועים שלו יתרמו להצלחה של כל אלגוריתם של גלאי GBD. המיקרופון צריך גם להיות מסוגל לקלוט ולשמר רכיבי צלילים עיקריים, כגון רכיבי הלמים ורכיבי תדר גבוה אחרים, שבהם משתמשים לרוב באלגוריתם GBD. המיקרופון חייב להיות במצב פועל רוב הזמן כדי לקלוט כל פעילות מפיקת צלילים, ולכן הוא חייב לצרוך פחות הספק כדי להוריד את זרם המערכת הכולל. מגבר ההגברה יהיה בדרך כלל מגבר שרת [OA] שנתון בקונפיגורציה במצב מהפך או במצב לא מהפך, עם הגבר של יותר מיחידה. המטרה של המגבר שרת היא לספק הגבר שיספיק עבור הצליל שנקלט על ידי המיקרופון, שהוא בסדר גודל של עשרות מילי–וולט. המגבר שרת בתיאום עם המיקרופון יישאר תמיד במצב פועל וחייב שיהיה לו זרם הפעלה קטן. המסנן AAF גם הוא מגבר שרת, שמסנן במישור האנלוגי ובדרך כלל יהיה מסנן מעביר נמוכים [LPF] פשוט מסדר ראשון או שני, עם הגבר יחידה.
הבחירה החשובה והמשמעותית ביותר שמתבצעת בתכנון כולו היא מעבד האותות. כפי שמצוין קודם לכן, ניתן להשתמש עבור יישום זה בהתקן ASIC, ביחידת MCU או מעבד DSP. לכל אפשרות יש יתרונות וחסרונות והבחירה תיעשה בהתבסס על גורמים שמקדמים את היישום. רוב הגלאים לשבירת זכוכית, בדומה לגלאי עשן, מוצבים בתוך בתי מגורים או משרדים במיקומים שמבטיחים בטיחות ואבטחה. אך עם זאת, עליהם להיות מופעלים על ידי סוללה משתי סיבות:
1.באופן כזה אפשר להציב אותם בכל מקום מבלי להיות מוטרדים ממיקום שקעי חשמל
2.כך אפשר להבטיח תפקוד מלא במקרים של הפסקת חשמל
המעבד שנבחר חייב להיות בעל הספק נמוך, ניתן לתכנות, קל לשימוש וזול – אבל עם יכולות עיבוד טובות לפעולה בזמן אמת. בין המבחר הכולל שקיים, מעבד MCU נמצא המתאים ביותר, מפני שהוא עומד בכל הדרישות המוזכרות לעיל. ובנוסף על כך, בחלק ממעבדי MCU משולבים התקנים היקפיים אנלוגיים, שמקטינים עוד את עלות המערכת כולה.

מפרט טכני לתכנון התוכנה [SW]
האות האנלוגי מהמיקרופון עובר סינון על ידי מסנן AAF עם תדירות קיטעון [תדירות הברך] של 20 קילו–הרץ. כדי להפוך את האות לספרתי, קצב הדגימה חייב להיות גדול מ–40 קילו–הרץ, עובדה המרמזת על כך שהממיר ADC חייב להיות מסוגל לתמוך בקצב זה. את העיבוד הנדרש יש להשלים בזמן שבין שתי פעולות דגימה עוקבות, כדי לקבל פעולה בזמן אמת. לדוגמה, אם התדר המרבי של היע”מ [CPU] הוא 12 מגה–הרץ, מספר מחזורי היע”מ הזמינים בין דגימות עוקבות יהיה לא יותר מאשר 300, הדוק באופן קיצוני עבור עיבוד אות. עם זאת, אפשר לבחור במעבד שיתמוך באות שעון גבוה יותר של היע”מ, כדי לקבל יותר מחזורי יע”מ; על אף שצריכת ההספק הגבוהה יותר תגרום לחיי סוללה קצרים יותר. לכן יש צורך לשמור על איזון בין רמת המורכבות של האלגוריתם לאורך חיי סוללה.
בחלק זה נעסוק באלגוריתם הממשי המשמש לגילוי שבירת זכוכית. מאיור 1 ומאיור 2 למדנו שלצליל שבירת הזכוכית יש הרבה רכיבי תדר גבוה, נקודות חציית אפס ונקודות שיא, בנוסף לחבטה בתדר נמוך. חבטה או הלם מופיעים בתחילת הצליל של שבירת הזכוכית. חשוב לציין שאות ההלם או החבטה הזה יכולים להימצא ברוב הצלילים, כמו למשל סגירה של דלת עץ או סגירת שידת מגרות, חפץ שנופל לקרקע, מחיאות כפיים מהירות, נקישה בדלת ועוד. ואולם, אף לא לאחד מצלילים אלו יהיו רכיבי תדר גבוה שיבואו בעקבותיו, כמו אלו שאנו מצפים להם באותות שבירת זכוכית אופיינית. באופן דומה, לצלילים של מטחנת קפה, מוסיקה, מרוץ אופנועים שמשודר בטלוויזיה, כוסית יין שנופלת לרצפה ונשברת וכיו”ב, יש רכיבי תדר גבוה דומים, אך ללא רכיב חבטה או הלם. האלגוריתם של הגלאי GBD המתואר בהמשך, מנצל את העובדה ששני הרכיבים האלו נמצאים בכל אחד מהצדדים של ספקטרום התדר ומתרחשים בזמנם, באופן בלתי תלוי האחד בשני.

אלגוריתם
איור 4 מראה תרשים זרימה של תוכנה ברמה גבוהה של האלגוריתם. שלושת החלקים העיקריים של תוכנה זו הם גילוי פעילות, גילוי חבטה ושבירת זכוכית, בסדר ההתרחשות שלהם בזמן. מדי כל 2.5 מילי–שניות בערך, המיקרופון ומגבר שרת 1 [OA1] מועברים למצב פועל [ON] כדי לבדוק אם יש פעילות מעוררת צלילים. בהיעדר פעילות משמעותית, הם מועברים למצב כבוי [OFF] ויחידת MCU עוברת למצב הספק נמוך. אם מתרחשת פעילות משמעותית, התוכנה תמשיך לגילוי חבטה, ואילו הממיר ADC יעבור למצב פועל, ולאחר מכן לעיבוד אות, כדי לבדוק האם יש רכיב חבטה. האלגוריתם ימשיך בפעולתו לגילוי שבירת זכוכית בפועל, רק אם נתגלתה הימצאות של חבטה. במצב אחר, האלגוריתם יחזור למצבו הקודם לגילוי פעילות. אם נתגלתה בהצלחה שבירת זכוכית, תופעל נורית LED או יופעל זמזם שנמצאים על המעגל, כדי לציין את ההתרחשות הזו. לאחר מכן, הגלאי GBD יחזור לפעילות הגילוי הקודמת שלו.
גילוי פעילות רק משווה את ערכי הכניסה של ממיר ADC לערכי סף מוגדרים מראש בכל אחד מהצדדים של נקודת אפס, כדי להבדיל בין אות אמיתי לרעש. כפי שצוין קודם לכן, חבטה היא רכיב בתדירות נמוכה של 300 הרץ בערך. מאחר שרכיב החבטה מתרחש במהלך ההלם הראשוני בלבד, יסוננו רק הדגימות הספורות הראשונות של האות המגיע. סינון כזה מתבצע באמצעות מסנן מעביר נמוכים [LPF] ספרתי עם תדירות קיטעון של 350 הרץ. הדגימות המסוננות נצברות, עוברות מיצוע ומושוות לערך סף אנרגיה שנקבע מראש. אם האנרגיה עולה על סף זה, האלגוריתם לגילוי רכיב החבטה ושבירת הזכוכית אמור להיות מופעל. על מנת שהמסנן LPF הספרתי יהיה קטן ועם זאת יעיל, תדירות הדגימה של דגימות ראשוניות אלו נמוכה יותר בהרבה, והיא נשמרת בקצב של 4 קילו–הרץ בלבד. ועם זאת, עבור חלק זה של האלגוריתם, משתמשים במסנן AAF עם קיטעון של 2 קילו–הרץ במקום במסנן AAF רגיל, שלו יש קיטעון של 20 קילו–הרץ.
האלגוריתם לגילוי שבירת הזכוכית מורכב יותר מאשר האלגוריתם לגילוי החבטה, ומפצלים אותו לשני חלקים – ניתוח אותות 1 [SA1] וניתוח אותות 2 [SA2]. ניתוח אותות 1 הוא השלב הראשון של העיבוד והוא בא לידי ביטוי בכל דגימה, מרגע שנתגלתה חבטה. במהלך ניתוח אותות 1, נבחר מסנן AAF ל–20 קילו–הרץ, ותדירות הדגימה של ממיר ADC נדחפת כלפי מעלה, ל–40 קילו–הרץ. הפעולות של ניתוח אותות 1כוללות מיצוע אותות, גילוי חציית אפס וגילוי שיאים. פעולות אלו מתבצעות במשך פרק זמן של 60 מילי–שניות בערך, ומצטברות ל-2400 דגימות בערך. משהושלם ניתוח אותות 1, מופעל ניתוח אותות 2 להשלמת ניתוח האותות כולו. איור 5 מראה תצוגה של אותות במהלך ניתוח אותות 1 ואיור 6 מראה את זרימת התוכנה בפועל.
הדגימות הנכנסות המצוינות על ידי p(n) מועברות ראשית דרך מסנן פשוט של ממוצע נע, על מנת להקטין את הרעש לעומת התפוקה s(n). אינטגרציית האותות של p(n) מתבצעת על הדגימות החיוביות בלבד, כדי לחשב את אנרגיית האותות המצוינת בתור integ_total – אשר תשמש בניתוח אותות 2 [SA2]. המנייה של השיאים ושל נקודות חציית האפס מתבצעת עבור s(n). על מנת להפיק את רכיבי התדירות הגבוהה של האות הנכנס, אנו משתמשים במסנן מעביר גבוהים [HPF] עם תדירות קיטעון של Fs/4 וכל דגימה של p(n) נתונה לסינון הזה. בו בזמן רק הדגימות החיוביות של היציאה המסוננת נצברות לתוך התוצאה המצוינת כ– integ_HPF_total – אשר תשמש בניתוח אותות 2. ניתוח אותות 1 כולו מתבצע בכל דגימה, ויש להשלימו בכל פעם לפני שמגיעה הדגימה הבאה – p(n+1) – כדי לקבל פעולה בזמן אמת, ומכאן אפשר להסיק שכל מחזורי היע”מ הזמינים לצורך ניתוח זה יהיו רק אלו שהתקבלו מהתוצאה של תדירות היע”מ לחלק ל–40 קילו–הרץ. פעולת הסינון בדרך כלל צורכת זמן. על מנת להשיג יעילות, משתמשים במסנני LWDF [Lattice Wave Digital Filter] ובאלגוריתם של Horner עבור מסנן LPF לגילוי חבטה, ובמסנן HPF שבניתוח אותות 1. לאחר ש– 60 מילי–שניות של נתונים עברו עיבוד באמצעות ניתוח אותות 1, האלגוריתם ממשיך לניתוח אותות 2 – השלב השני בעיבוד. לניתוח אותות 2 אין צורך בפעולה בזמן אמת. סיכום הפעולות מוצג באיור 7. ודבר נוסף, האישור להתרחשות בפועל של שבירת הזכוכית יתקבל בסיום ניתוח אותות 2.
היחס בין סך כל האנרגיה של האותות לבין האנרגיה של האותות שסוננו מסנן מעביר הגבוהים מחושב ונבדק בהשוואה לערך הסף. התוצאות מראות יחס שבין 1.75 ל–14 עבור מספר צלילים של שבירת זכוכית. באופן דומה בודקים את מספר השיאים, כדי לגלות אם מספר זה נמצא בין 160 ל–320 ואת מספר נקודות חציית האפס כדי לגלות אם הוא נמצא בין 95 ל–300. שבירת זכוכית בפועל אמורה להתרחש אם התמלאו כל שלושת התנאים שצוינו לעיל. גם אם אחד מבין התנאים לא התמלא, גלאי שבירת הזכוכית יאותחל שוב ויחזור לגילוי פעילות. יש “למתוח” מעט את ערכי הסף והטווחים האלו בתלות באקוסטיקה של החדר, במיקום גלאי GBD, ברעש הסביבתי וכיו”ב.

מימוש ביחידות MCU
תיק אבי הטיפוס של פלטפורמת יחידת MCU – MSP430TM – תוצרת חברת Texas Instrument [TI] כולל מבחר התקנים. MSP430F2274  הוא יחידת MCU ל– 16 סיביות השייכת למשפחת 2xx  של הפלטפורמה MSP430 להספק נמוך. ליחידת MCU יש יכולת פעולה של עד 16 מגה–הרץ. ליחידה יש גם מתנד פנימי לתדירות נמוכה [VLO] להספק נמוך ביותר, אשר פועל ב–12 קילו–הרץ בטמפרטורת החדר. יש לה שני קוצבי זמן (timer) ל–16 סיביות וממיר מאנלוגי לספרתי משולב ל–10 סיביות [ADC10], שתומך בקצבי המרה של עד 200 קילו–הרץ. אפשר להגדיר את הקונפיגורציה של ממיר ADC10 לפעולה עם מגברי שרת שעל השבב (OA0 ו-OA1) לצורך שיפור אותות אנלוגיים. צריכת הזרם של 0.7 מיקרו אמפר במהלך מצב המתנה [LPM3] ו–250 מיקרו–אמפר במהלך מצב פעיל הופכים את היחידה לבחירה מצוינת עבור יישומים שמופעלים בסוללה.
איור 8 מציג את תרשים הבלוקים ברמת מערכת עם MSP430F2274 עם ההתקנים ההיקפיים המשולבים שלו. מאחר שלמיקרופון יש פס מעבר של 20 הרץ עד 20 קילו–הרץ וביחידה MSP430F2274 משולבים רק שני מגברי שרת, אנו יכולים להרשות לעצמנו להימנע ממימוש של מסנן AAF ל–20 קילו–הרץ. למרות שיש בכך הפרה ברורה של תיאוריית הדגימה, נראה שהתוצאות לא משתנות בהיעדר המסנן. עם זאת, אם יש לנו מגבר שרת אחר, עדיין מסנן AAF ל– 20 קילו–הרץ יכול להיות חלק ממערך זה.
ליחידת MSP430F2274 יש שני מגברי שרת שבהם ניתן לבצע קונפיגורציה בתוכנה, והם מצוינים כ–OA0 ו–OA1. המגבר OA0 משמש כמגבר מהפך עם הגבר של 7 כדי לספק הגברה למוצא המיקרופון. המגבר OA1 מוגדר בקונפיגורציה כמסנן מעביר נמוכים עם הגבר יחידה מסוג Butterworth מסדר שני, שממומש תוך שימוש בארכיטקטורת Sallen-Key. למסנן יש תדירות קיטעון של 3 dB בתדר של 2 קילו–הרץ. היציאות של המגברים OA1 ו–OA2 מחוברות באופן פנימי לערוצים A1 ו–A13 בהתאמה.

צריכת זרם
צריכת הזרם של גלאי GBD כולה תלויה במצבי ההספק הנמוך שנבחרים במהלך פעולתו, ובבחירות ההפעלה והכיבוי של ההתקנים ההיקפיים. פרופיל צריכת הזרם של המימוש באמצעות MSP430 עבור שלושה מצבי פעולה מוצג באיורים 9, 10 ו–11.
איור 9 מציג פרופיל צריכת זרם במהלך גילוי פעילות. ההתקן מתעורר בכל 2.5 מילי–שניות, כדי לבדוק אם יש פעילות, ועובר למצב פעיל [AM1] למשך 20 מיקרו–שנייה, אשר במהלכן אות השעון של היע”מ מוגדר ל–12 מגה–הרץ. אם לא מתגלית כל פעילות במיקרופון החיצוני, ההתקן חוזר למצב המתנה או למצב הספק נמוך 3 [LPM3]. התעוררות מדי זמן ממצב המתנה מושגת באמצעות קוצב זמן על השבב, שאות השעון שלו מוגדר ל–12 קילו–הרץ בערך בטמפרטורת החדר.
איור 10 מציג את פרופיל צריכת הזרם כאשר מתגלית פעילות משמעותית במיקרופון החיצוני והאלגוריתמים מתקדמים לעבר גילוי חבטה. ההתקן עובר למצב AM1 למשך 18 מיקרו–שנייה ומוגדר בקונפיגורציה לפעולה במצב גילוי חבטה. היע”מ פועל כעת ב–8 מגה–הרץ וההתקן עובר למצב פעיל (AM2). במצב זה ממיר ADC מוגדר בקונפיגורציה לדגימה בקצב של 4 קילו–הרץ. ניתוח האותות מתבצע בכל דגימה למשך 32 מילי–שנייה, שהם 128 דגימות. אם לא נתגלתה חבטה בפועל, ההתקן חוזר ל–AM1 למשך 12 מיקרו–שנייה, שבמהלכם ההתקן עובר אתחול מחדש ומוגדר בקונפיגורציה לחזור לגילוי פעילות.
איור 11 מציג את פרופיל צריכת הזרם בשעה שמתקבל אישור חבטה בפועל וההתקן מתקדם לכיוון גילוי שבירת זכוכית. במהלך שבירת הזכוכית, אות שעון היע”מ מוגדר בקונפיגורציה חזרה ל–12 מגה–הרץ וההתקן עובר למצב פעיל [AM3] עם קצב דגימת ממיר ADC של 40 קילו–הרץ. ניתוח האותות מתבצע בכל דגימה במשך 60 מילי–שנייה שהם 2400 דגימות. אם לא נתגלתה שבירת זכוכית בפועל, ההתקן עובר חזרה ל–AM1 למשך 4.6 מילי–שנייה שבמהלכם ההתקן עובר אתחול מחדש ומוגדר בקונפיגורציה לחזור למצב גילוי פעילות עם התעוררות מדי 2.5 מילי–שנייה. בהתרחש שבירת זכוכית בפועל, ההתקן מפעיל נורית LED או זמזם שנמצאים על המעגל למשך 3 שניות וחוזר לגילוי פעילות.
טבלה 1 מציינת רשימה של כל ההתקנים ההיקפיים ואותות השעון הנמצאים במצב פועל במצבי הפעולה השונים. התקנים היקפיים אלו מספקים תרומה חשובה לצריכת הזרם הכוללת שמהלך כל שלב.
מעגל הגלאי GBD המשתמש ביחידת MSP430 מופעל על ידי שתי סוללות AAA המספקות 800 מילי–אמפר–שעה. על אף שחיזוי אורך חיי סוללה של יישום כזה אינו פשוט, בהנחה שלא תתרחש כל שבירת זכוכית, צריכת הזרם הכוללת היא כ–80 מיקרו–אמפר כדי לאפשר חיי סוללה של 416 ימים בערך. אפשר היה להאריך עוד את חיי הסוללה אם היה אפשר להגדיל ההתעוררות לגילוי פעילות מ–2.5 מילי–שנייה; עם זאת, במצב זה גדלה האפשרות להחטאה של אירוע מפיק צלילים.
מאמר זה עסק בפתרון פשוט, אם כי קשיח, של גלאי שבירת זכוכית וכן תאר את הרכיבים של אות שבירת הזכוכית ודן בשיטות לאיתורם. הצגנו את דרישות החומרה והתוכנה ואת הדרך למימושם ביחידת MCU וסיפקנו תובנות לגבי צריכת הזרם עבור מימוש זמן אמת זה.