采用片上系統解決方案設計下一代低功耗自動(dòng)傳感器節點(diǎn)

　　片上系統解決方案

　　可通過(guò)片上系統架構來(lái)構建包括模擬和數字模塊的完整平臺。片上系統架構包含模擬和數字外設，便于實(shí)現自動(dòng)傳感器節點(diǎn)。舉例來(lái)說(shuō)，賽普拉斯半導體公司的可編程片上系統 (PSoC 3/5) 就是針對這種系統設計的理想處理器。PSoC Creator 是進(jìn)行系統開(kāi)發(fā)所使用的開(kāi)發(fā)環(huán)境。其低功耗特性以及其它多種混合信號可編程模塊使得該架構能夠充分滿(mǎn)足無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )應用的較高要求?！　?/p>

 

　　圖 3 為一個(gè)簡(jiǎn)單的自動(dòng)系統。三個(gè)不同的傳感器通過(guò)可編程增益放大器相連接。根據傳感器信號輸出強度的不同來(lái)設置增益。
           

　　The amplified signal(So) is time-multiplexed and sampled at a pre-determined rate, then converted by a Delta-Sigma ADC. The data collected is stored on-chip in Flash and then periodically transmitted via wireless communication.

　　放大后的信號 (So) 需進(jìn)行時(shí)分多路復用，并按預設的頻率進(jìn)行采樣，隨后由 Delta-Sigma ADC 進(jìn)行轉換。收集到的數據被存儲到片上閃存內，隨后定期通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信進(jìn)行傳輸。

　　使用能量收集電源進(jìn)行供電

　　集成型升壓調節器理想適用于能源供應有限或采用較低能量收集傳感器的應用。舉例來(lái)說(shuō)，對于 PSoC 器件而言，供電電壓可低至 0.5V，提供 1.8V 到 5.25V 的可編程電壓，平均負載電流為 50mA。如前所述，升壓調節器用于從能量收集電源獲得足量供電，使節點(diǎn)實(shí)現自供電。也可以使用充電電池進(jìn)行供電和存儲收集到的能量。系統可對電壓電平實(shí)施監控，并根據可用電量的多少調整運行狀態(tài)。舉例來(lái)說(shuō)，如果電池發(fā)出電量較低的信號，那么整個(gè)系統就會(huì )進(jìn)入休眠模式。在進(jìn)入休眠模式等待電池充電之前，系統會(huì )給附近的節點(diǎn)/網(wǎng)絡(luò )網(wǎng)關(guān)發(fā)送信號，以便更新自身的狀態(tài)?！　?/p>

 

　　如圖 4 所示，我們通過(guò)調節電容和電感的值來(lái)配置升壓轉換器?？筛鶕占骱妥罱K應用的需求指定輸入和輸出電壓。開(kāi)關(guān)頻率根據電感允許值的大小(與開(kāi)關(guān)頻率成反比)和開(kāi)關(guān)損耗(與頻率成正比)進(jìn)行控制。
       

 　　面向重要電池供電系統的低功耗設計特性

　　由于有些系統的規模很大或者由于安裝位置的原因難以更換電池，所以這類(lèi)系統有著(zhù)嚴格的能耗要求，需要確保電池擁有很長(cháng)的使用壽命。隨著(zhù)節點(diǎn)變得越來(lái)越小，這也給節點(diǎn)的能量存儲和收集面積提出了嚴峻的挑戰。低功耗設計對于具有能量限制的移動(dòng)應用而言非常重要，SoC 必須確保節點(diǎn)處于閑置狀態(tài)(也是節點(diǎn)的常規狀態(tài))時(shí)的靜態(tài)耗電量達到最低。

　　許多處理器都提供多種工作模式和低功耗模式以提高功率效率。舉例來(lái)說(shuō)，PSoC3 可提供四種模式。工作模式是 CPU 控制特定模塊工作的基本模式。替代工作電源在 CPU 掛起時(shí)只給特定子系統供電。休眠模式 (Sleep mode)是指除監視定時(shí)器等監控系統外，所有模塊和 CPU 都被禁用。最后，睡眠模式 (hibernate mode) 是功耗最低的模式，該模式下包括監控模塊在內的所有模塊都關(guān)閉，耗電低于 200nA。器件僅在出現硬件引腳中斷時(shí)喚醒。這些不同的工作模式都非常有用，模式的選擇取決于無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)的運行狀態(tài)。這可能由外部環(huán)境、當天時(shí)間以及感應到的活動(dòng)量或頻率來(lái)決定。這種基于軟件的狀態(tài)機控制功能有助于最終用戶(hù)選擇適當的模式，還能根據應用的當前要求輕松改變功耗。

　　還可以通過(guò)一些其它技術(shù)來(lái)避免不必要的功耗，例如 I/O 不使用時(shí)會(huì )繼續驅動(dòng)負載，為解決這個(gè)問(wèn)題，我們可以讓 I/O 引腳默認處于高阻抗。此外，使特定應用的頻率高于必須值，這種做法也不理想。同樣，使用源時(shí)鐘頻率較低的 PLL 比在較高時(shí)鐘周期下運行主時(shí)鐘頻率要更加理想。

　　無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)越來(lái)越復雜，計算強度越來(lái)越高。低功耗特性以及在單個(gè)芯片中集成模塊等做法對于穩定、高效節點(diǎn)的開(kāi)發(fā)工作來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。