采用片上系統解決方案設計下一代低功耗自動傳感器節點

　　片上系統解決方案

　　可通過片上系統架構來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，便于實現自動傳感器節點。舉例來說，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 是進行系統開發所使用的開發環境。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足無線傳感器網絡應用的較高要求。　　

 

　　圖 3 為一個簡單的自動系統。三個不同的傳感器通過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) 需進行時分多路復用，并按預設的頻率進行采樣，隨后由 Delta-Sigma ADC 進行轉換。收集到的數據被存儲到片上閃存內，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，升壓調節器用于從能量收集電源獲得足量供電，使節點實現自供電。也可以使用充電電池進行供電和存儲收集到的能量。系統可對電壓電平實施監控，并根據可用電量的多少調整運行狀態。舉例來說，如果電池發出電量較低的信號，那么整個系統就會進入休眠模式。在進入休眠模式等待電池充電之前，系統會給附近的節點/網絡網關發送信號，以便更新自身的狀態。　　

 

　　如圖 4 所示，我們通過調節電容和電感的值來配置升壓轉換器。可根據收集器和最終應用的需求指定輸入和輸出電壓。開關頻率根據電感允許值的大小(與開關頻率成反比)和開關損耗(與頻率成正比)進行控制。
       

 　　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，所以這類系統有著嚴格的能耗要求，需要確保電池擁有很長的使用壽命。隨著節點變得越來越小，這也給節點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應用而言非常重要，SoC 必須確保節點處于閑置狀態(也是節點的常規狀態)時的靜態耗電量達到最低。

　　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供電。休眠模式 (Sleep mode)是指除監視定時器等監控系統外，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閉，耗電低于 200nA。器件僅在出現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點的運行狀態。這可能由外部環境、當天時間以及感應到的活動量或頻率來決定。這種基于軟件的狀態機控制功能有助于最終用戶選擇適當的模式，還能根據應用的當前要求輕松改變功耗。

　　還可以通過一些其它技術來避免不必要的功耗，例如 I/O 不使用時會繼續驅動負載，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。

　　無線傳感器節點越來越復雜，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定、高效節點的開發工作來說至關重要。