采用片上系統(tǒng)解決方案設(shè)計下一代低功耗自動傳感器節(jié)點

　　片上系統(tǒng)解決方案

　　可通過片上系統(tǒng)架構(gòu)來構(gòu)建包括模擬和數(shù)字模塊的完整平臺。片上系統(tǒng)架構(gòu)包含模擬和數(shù)字外設(shè)，便于實現(xiàn)自動傳感器節(jié)點。舉例來說，賽普拉斯半導(dǎo)體公司的可編程片上系統(tǒng) (PSoC 3/5) 就是針對這種系統(tǒng)設(shè)計的理想處理器。PSoC Creator 是進行系統(tǒng)開發(fā)所使用的開發(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(gòu)能夠充分滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的較高要求?！　?/p>

 

　　圖 3 為一個簡單的自動系統(tǒng)。三個不同的傳感器通過可編程增益放大器相連接。根據(jù)傳感器信號輸出強度的不同來設(shè)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) 需進行時分多路復(fù)用，并按預(yù)設(shè)的頻率進行采樣，隨后由 Delta-Sigma ADC 進行轉(zhuǎn)換。收集到的數(shù)據(jù)被存儲到片上閃存內(nèi)，隨后定期通過無線通信進行傳輸。

　　使用能量收集電源進行供電

　　集成型升壓調(diào)節(jié)器理想適用于能源供應(yīng)有限或采用較低能量收集傳感器的應(yīng)用。舉例來說，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(diào)節(jié)器用于從能量收集電源獲得足量供電，使節(jié)點實現(xiàn)自供電。也可以使用充電電池進行供電和存儲收集到的能量。系統(tǒng)可對電壓電平實施監(jiān)控，并根據(jù)可用電量的多少調(diào)整運行狀態(tài)。舉例來說，如果電池發(fā)出電量較低的信號，那么整個系統(tǒng)就會進入休眠模式。在進入休眠模式等待電池充電之前，系統(tǒng)會給附近的節(jié)點/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，我們通過調(diào)節(jié)電容和電感的值來配置升壓轉(zhuǎn)換器?？筛鶕?jù)收集器和最終應(yīng)用的需求指定輸入和輸出電壓。開關(guān)頻率根據(jù)電感允許值的大小(與開關(guān)頻率成反比)和開關(guān)損耗(與頻率成正比)進行控制。
       

 　　面向重要電池供電系統(tǒng)的低功耗設(shè)計特性

　　由于有些系統(tǒng)的規(guī)模很大或者由于安裝位置的原因難以更換電池，所以這類系統(tǒng)有著嚴格的能耗要求，需要確保電池擁有很長的使用壽命。隨著節(jié)點變得越來越小，這也給節(jié)點的能量存儲和收集面積提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。低功耗設(shè)計對于具有能量限制的移動應(yīng)用而言非常重要，SoC 必須確保節(jié)點處于閑置狀態(tài)(也是節(jié)點的常規(guī)狀態(tài))時的靜態(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。舉例來說，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 掛起時只給特定子系統(tǒng)供電。休眠模式 (Sleep mode)是指除監(jiān)視定時器等監(jiān)控系統(tǒng)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(jiān)控模塊在內(nèi)的所有模塊都關(guān)閉，耗電低于 200nA。器件僅在出現(xiàn)硬件引腳中斷時喚醒。這些不同的工作模式都非常有用，模式的選擇取決于無線傳感器節(jié)點的運行狀態(tài)。這可能由外部環(huán)境、當(dāng)天時間以及感應(yīng)到的活動量或頻率來決定。這種基于軟件的狀態(tài)機控制功能有助于最終用戶選擇適當(dāng)?shù)哪Ｊ?，還能根據(jù)應(yīng)用的當(dāng)前要求輕松改變功耗。

　　還可以通過一些其它技術(shù)來避免不必要的功耗，例如 I/O 不使用時會繼續(xù)驅(qū)動負載，為解決這個問題，我們可以讓 I/O 引腳默認處于高阻抗。此外，使特定應(yīng)用的頻率高于必須值，這種做法也不理想。同樣，使用源時鐘頻率較低的 PLL 比在較高時鐘周期下運行主時鐘頻率要更加理想。

　　無線傳感器節(jié)點越來越復(fù)雜，計算強度越來越高。低功耗特性以及在單個芯片中集成模塊等做法對于穩(wěn)定、高效節(jié)點的開發(fā)工作來說至關(guān)重要。