如何讓高整合傳感器降低平均功耗

　　由于感測器準確度與給定的功率位準高低息息相關(guān)，因此系統功耗降低的空間往往會(huì )受到限制;而電力循環(huán)(PowerCycling)技術(shù)可藉由分析感測器工作周期(DutyCycle)，適當控制感測器開(kāi)關(guān)狀態(tài)，有助開(kāi)發(fā)人員達到最低系統平均功耗，并兼顧感測精準度。

　　系統開(kāi)發(fā)人員就算對感測器并不熟悉，仍能運用具有高整合度、規格完整的感測器，將開(kāi)發(fā)成本和風(fēng)險降到最低。由于感測器準確度完全是按照給定的功率位準來(lái)決定，因此開(kāi)發(fā)人員降低功率消耗的空間將受到壓縮。事實(shí)上，對于必須嚴格管理能源使用情形的產(chǎn)品，電力循環(huán)(PowerCycling)技術(shù)可為降低平均功率消耗開(kāi)辟一條新道路。本文將聚焦于電力循環(huán)及其對總體功率消耗的影響。電力循環(huán)是一種重要的能源管理技巧，是在不需要某項功能時(shí)，就關(guān)閉其電源的流程，像是在不進(jìn)行測量時(shí)，就關(guān)閉感測器系統，這樣做能夠降低平均功率消耗。

　　PON是系統處于正常工作狀態(tài)的功率消耗，POFF是系統處于關(guān)閉態(tài)的功率消耗，這兩者均與剩余電流(ResidualCurrent)相關(guān)，像是電源穩壓器要維持功率開(kāi)關(guān)或關(guān)機模式所需的電流，其典型值在1微安培(μA)左右。開(kāi)啟時(shí)間(OnTime,TON)是感測器系統開(kāi)啟、進(jìn)行所需測量，然后再關(guān)閉所需的時(shí)間量;關(guān)閉時(shí)間(TOFF)取決于系統須要進(jìn)行感測器測量的頻繁程度。如果關(guān)閉狀態(tài)的功率遠小于開(kāi)啟狀態(tài)的功率，則平均功率消耗基本上與工作周期(DutyCycle)成正比。例如，如果關(guān)閉狀態(tài)的功率為零且工作周期為10%，則平均功率消耗為正常工作下功率消耗的10%。

　　感測器系統運作流程復雜

　　感測器可將物理量(如溫度、加速度或應力等)轉換成電子訊號。為合理使用這些電子訊號，感測器元件需要一些支援功能，如訊號調節、濾波、偏移與增益調整以及溫度補償。高級感測器產(chǎn)品還包括類(lèi)比數位轉換器(ADC)，并在單一封裝中提供上述功能，以實(shí)現完整且經(jīng)過(guò)校準的感測器至資料位元轉換功能。這類(lèi)產(chǎn)品讓使用者略過(guò)元件級設計，略過(guò)復雜的特性與校正運算，能夠以更少的投入資源，實(shí)現更短的設計周期。雖然高整合度感測器可減輕電路級設計的決策負擔，但如果希望利用電力循環(huán)降低平均功率，則須了解其內部工作原理，如下。

　　每顆感測器元件都需要一個(gè)介面電路，將元件中的物理變化轉換為標準訊號處理元件可用的電子訊號。例如，電阻應變計(一種在應力改變時(shí)，阻值就會(huì )改變的電阻)常以電橋的形式將阻值的改變轉換成電子訊號。另一個(gè)例子是微機電系統(MEMS)慣性感測器，如加速度計和陀螺儀，其微小的結構可藉由極板間位移所造成的電節點(diǎn)間電容改變，進(jìn)而對慣性運動(dòng)的變化做出回應?？勺冸娙菰慕槊骐娐吠ǔ?huì )組合調變級和解調級，將電容值的變化轉換成電子訊號。

　　緩沖級為類(lèi)比數位轉換器的輸入級準備好訊號，包括位準轉換、增益、偏移修正、緩沖和濾波功能。當感測器訊號經(jīng)過(guò)數位化之后，數位處理功能便進(jìn)一步增加資訊值。數位濾波h(n)則可降低雜訊，聚焦在目標頻寬內。例如，機器故障檢測系統可能使用一個(gè)帶通濾波器(Band-passFilter)聚焦在與一般機構磨損相關(guān)的頻率特征。其他的感測器，尤其是需要穩定直流參考電壓的類(lèi)型，使用低通濾波器(Low-passFilter)就能夠辨識出更多值。

　　感測器準確度可能受到很多其他零件的總體影響而有很大的差異。為收歛誤差分布，提高測量確定性，感測器系統通常包括一個(gè)校準程序，以確定各感測器在已知刺激和條件下的特性，并提供特定單位公式，來(lái)校正在所有預期工作條件范圍下的輸出。最終處理級f(n)代表特定處理，例如用三角關(guān)系將加速度計的靜態(tài)地心引力測量轉換成方位角。

　　電力循環(huán)須考量資料擷取時(shí)間

　　評估感測器系統中電力循環(huán)的有效性時(shí)，設計人員必須確定擷取有效資料所花的時(shí)間。TM是量測時(shí)間(MeasurementTime)、TC是循環(huán)時(shí)間(CycleTime)。測量時(shí)間取決于啟動(dòng)時(shí)間(Start-upTime)T1、安定時(shí)間(SettlingTime)T2和資料擷取時(shí)間(Data-acquisitionTime)T3。

　　啟動(dòng)時(shí)間取決于系統處理器與初始化常式，該常式是支援感測器資料取樣與訊號處理操作一定要執行的步驟。使用高整合度感測器系統時(shí)，通常產(chǎn)品文件中會(huì )規定啟動(dòng)時(shí)間。這類(lèi)產(chǎn)品有的會(huì )提供休眠模式，讓啟動(dòng)時(shí)間更快，但代價(jià)是其斷電時(shí)的功率消耗比關(guān)機模式要高。

　　安定時(shí)間可包括感測器、介面電路、濾波器和物理元件的電氣行為，以及熱安定時(shí)間與機構安定時(shí)間。某些情況下，這些暫態(tài)行為在開(kāi)機時(shí)就已經(jīng)安定下來(lái)，因此對總體測量時(shí)間影響很小，甚至沒(méi)有影響。除非進(jìn)一步的分析研究，可以支持啟動(dòng)與安定是同時(shí)發(fā)生的這類(lèi)較有利假設，否則分析這些特性的最保守方法，是假設這些情形是一連串發(fā)生的。

　　資料擷取時(shí)間取決于所需資料樣本的數量、系統處理器讀取資料的速度，以及精確資料擷取準備就緒后，處理器可以開(kāi)始工作的時(shí)間。

　　范例分析

　　本范例藉由評估一個(gè)完全整合型MEMS傾斜感測器，來(lái)定義影響準確度和測量時(shí)間的參數，進(jìn)而確認重要的功率與性能關(guān)系。以下四個(gè)步驟對此過(guò)程提供簡(jiǎn)單準則：

　　.了解感測器工作原理

　　MEMS加速度計核心包括感測器元件和介面電路。加速度計訊號通過(guò)一個(gè)單極點(diǎn)低通濾波器，該濾波器將訊號頻寬限制在50Hz。類(lèi)比至數位轉換器以200SPS的取樣率運作，并將輸出送入數位處理級。數位處理功能包括一個(gè)均值濾波器、溫度驅動(dòng)器校正公式、將靜態(tài)加速度計讀數轉換成傾斜角的數學(xué)函數、使用者介面暫存器，以及一個(gè)串列介面。

　　假設偏移誤差為零，每當加速度計的測量軸與重力方向垂直時(shí)，其輸出將為零。其測量軸與重力方向平行時(shí)，將產(chǎn)生+1g或-1g的輸出，其極性取決于方向。靜態(tài)加速度計量測與傾斜角間的關(guān)系是一個(gè)簡(jiǎn)單的正弦或正切函數。

　　.由產(chǎn)品文件獲得相關(guān)資訊

　　表1列出影響先進(jìn)感測器系統電力循環(huán)的參數。某些參數可從產(chǎn)品資料手冊獲得，而其他參數須針對終端系統的性能目標進(jìn)行分析。PON和T1是資料手冊提供的參數，其余參數可用于估計T2和T3。關(guān)閉模式的功率值得自線(xiàn)性穩壓器的關(guān)機電流(ShutdownCurrent)。

　　估算未明確規定的重要參數

　　安定時(shí)間影響一個(gè)感測器系統能夠支援的準確度和測量速率。有許多不同的因素都會(huì )影響安定時(shí)間，但這里著(zhù)重點(diǎn)在電氣因素。估計安定時(shí)間需要性能目標、重要假設，以及一個(gè)用于分析感測器響應對供電的模型。第一項重要假設是濾波器在初始啟動(dòng)周期(開(kāi)機時(shí)間)之后就安定，雖然這兩個(gè)周期可以同時(shí)進(jìn)行，但以連續發(fā)生的方式著(zhù)手分析是較為保守的方法。

　　供電后，加速度計感測器的輸出a(t)呈現步階響應。因為感測器采用單電源供電，其輸出很可能會(huì )從零開(kāi)始，并迅速轉換至確定其方位的準位。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，假定零輸出對應到最低有效加速度準位。這種情況下，我們采用-2g加速度，以便在最小額定值-1.7g的基礎上提供一些容限。同時(shí)，最大傾斜范圍為+30o，相當于+0.5g。將這兩個(gè)區間結合，加速度計訊號在啟動(dòng)時(shí)可進(jìn)行的最大轉換為+2.5g。

　　包括數位濾波器的模型需要離散形式的b(t)，以及一個(gè)總和模型來(lái)模擬濾波器。

　　安定時(shí)間是在規定準確度AE范圍內穩定到最終值所需的時(shí)間。本例中，誤差預算允許0.2o的安定準確度。正弦公式提供一種將此目標轉換成加速度衡量指標的簡(jiǎn)單方法。

　　使用諸如Excel或MATLAB之類(lèi)的工具對此公式進(jìn)行建模是很簡(jiǎn)單的。如果使用Excel，輸出在N=16時(shí)的第十八次取樣和N=64時(shí)的第六十五次取樣達到距0.5g約3mg內的水準。將這些數值分別除以取樣速率(200SPS)，可針對21ms(N=1)、90ms(N=16)和325ms(N=64)這些設置提供安定時(shí)間估計值。假設熱安定的相關(guān)誤差可忽略不計(如果合理的話(huà))。由于所考量的元件提供溫度校準回應，所以這一假設應該可以接受。驗證此假設為在確認準確度的最終特性過(guò)程中，提供不錯的機會(huì )。

　　此類(lèi)系統的資料擷取時(shí)間T3，不會(huì )超過(guò)一個(gè)取樣周期，因為所有必要的校正和濾波都在元件內部實(shí)現。擷取時(shí)間只會(huì )使總體測量時(shí)間增加5ms。

　　.推算功率與性能的關(guān)系

　　本分析的最后一部分與平均功率消耗及循環(huán)時(shí)間有關(guān)，循環(huán)時(shí)間實(shí)際上等于兩個(gè)特有測量事件之間的時(shí)間量。表2總結重要的電力循環(huán)因素，包括感測器資料手冊中規定或藉由該簡(jiǎn)單分析過(guò)程產(chǎn)生的因素，以及完全啟動(dòng)(電力循環(huán))和休眠模式恢復(休眠循環(huán))的次數。

　　在這里休眠循環(huán)非常有利。然而，如果將循環(huán)時(shí)間增加至每分鐘取樣一次(TC=60s)，電力循環(huán)方式的平均功率消耗會(huì )是0.2毫瓦(mW)，而休眠循環(huán)方式為1.2毫瓦。

　　休眠模式保留全部初始值，同時(shí)關(guān)閉系統其余部分。盡管保持這些設定值需要一定功率，但恢復時(shí)間要比重新完全啟動(dòng)的時(shí)間更快。業(yè)界已研發(fā)一款傾斜感測器，具有可程式休眠時(shí)間和自動(dòng)喚醒功能，這種解決方案非常適用于那些可發(fā)出資料就緒訊號來(lái)執行喚醒功能的主處理器，在讀取所需資料后，命令感測器再次在另一個(gè)固定的周期內重新處于休眠模式。使用休眠模式的另一MEMS產(chǎn)品實(shí)例是振動(dòng)感測器，該感測器收集并儲存振動(dòng)資料后，自動(dòng)返回休眠模式，然后啟動(dòng)對另一測量事件的倒數計時(shí)。這種感測器非常適合須要進(jìn)行周期性監控的系統，毋須分配處理器資源管理休眠模式和資料收集模式。

　　這里藉由簡(jiǎn)單的分析提供部分有用的深度資訊。具體而言，在某些情況下，不管休眠模式需要多少功率，通過(guò)休眠模式管理仍然能夠實(shí)現節能。在上述范例中，須要以1SPS速率進(jìn)行傾斜測量的系統采用休眠模式，省電能力提高四倍。此處，休眠模式針對最高6s的測量循環(huán)時(shí)間可實(shí)現節能。對于測量循環(huán)時(shí)間更長(cháng)的系統，與關(guān)機性能相關(guān)的功率消耗更低，進(jìn)而使得平均功率位準更低。

　　無(wú)論是出于經(jīng)濟因素還是環(huán)保因素，降低功率消耗的要求都很普遍。降低功率消耗可以減小電源轉換器、電池和太陽(yáng)能電池等電源的尺寸和成本。其他潛在好處還包括降低熱和機構設計要求，降低電磁干擾(EMI)輻射，有利于環(huán)境影響評等。

　　對于重視高整合度的感測器產(chǎn)品，但又不得不盡可能降低功率消耗的工程師而言，本文提到的概念和分析方法提供一個(gè)很好的起點(diǎn)。更重要的是，因為每種系統設計都存在新的機會(huì )與風(fēng)險，所以確定并分析影響總體功率目標特性的相關(guān)思考過(guò)程將更加重要。完成初始分析之后，或許一句俄羅斯諺語(yǔ)--“信任，但要驗證!”最能說(shuō)明該如何確保最終成功實(shí)現。要追蹤重要假設，例如安定準確度(3mg)及熱安定因素是否會(huì )有影響。如果有合適的硬體，要在盡可能匹配其預期使用條件的情況下測試這些解決方案，因這些假設不僅能讓工程師設計出理想產(chǎn)品，并可調整新的假設值，用于之后的電源管理分析。