采用片上系统解决方案设计下一代低功耗自动传感器节点

片上系统解决方案

　　可通过片上系统架构来构建包括模拟和数字模块的完整平台。片上系统架构包含模拟和数字外设，便于实现自动传感器节点。举例来说，赛普拉斯半导体公司的可编程片上系统 (PSoC 3/5) 就是针对这种系统设计的理想处理器。PSoC Creator 是进行系统开发所使用的开发环境。其低功耗特性以及其它多种混合信号可编程模块使得该架构能够充分满足无线传感器网络应用的较高要求。　　

　　图 3 为一个简单的自动系统。三个不同的传感器通过可编程增益放大器相连接。根据传感器信号输出强度的不同来设置增益。

　　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.

　　放大后的信号 (So) 需进行时分多路复用，并按预设的频率进行采样，随后由 Delta-Sigma ADC 进行转换。收集到的数据被存储到片上闪存内，随后定期通过无线通信进行传输。

使用能量收集电源进行供电

　　集成型升压调节器理想适用于能源供应有限或采用较低能量收集传感器的应用。举例来说，对于 PSoC 器件而言，供电电压可低至 0.5V，提供 1.8V 到 5.25V 的可编程电压，平均负载电流为 50mA。如前所述，升压调节器用于从能量收集电源获得足量供电，使节点实现自供电。也可以使用充电电池进行供电和存储收集到的能量。系统可对电压电平实施监控，并根据可用电量的多少调整运行状态。举例来说，如果电池发出电量较低的信号，那么整个系统就会进入休眠模式。在进入休眠模式等待电池充电之前，系统会给附近的节点/网络网关发送信号，以便更新自身的状态。　　

　　如图 4 所示，我们通过调节电容和电感的值来配置升压转换器。可根据收集器和最终应用的需求指定输入和输出电压。开关频率根据电感允许值的大小(与开关频率成反比)和开关损耗(与频率成正比)进行控制。

面向重要电池供电系统的低功耗设计特性

　　由于有些系统的规模很大或者由于安装位置的原因难以更换电池，所以这类系统有着严格的能耗要求，需要确保电池拥有很长的使用寿命。随着节点变得越来越小，这也给节点的能量存储和收集面积提出了严峻的挑战。低功耗设计对于具有能量限制的移动应用而言非常重要，SoC 必须确保节点处于闲置状态(也是节点的常规状态)时的静态耗电量达到最低。

　　许多处理器都提供多种工作模式和低功耗模式以提高功率效率。举例来说，PSoC3 可提供四种模式。工作模式是 CPU 控制特定模块工作的基本模式。替代工作电源在 CPU 挂起时只给特定子系统供电。休眠模式 (Sleep mode)是指除监视定时器等监控系统外，所有模块和 CPU 都被禁用。最后，睡眠模式 (hibernate mode) 是功耗最低的模式，该模式下包括监控模块在内的所有模块都关闭，耗电低于 200nA。器件仅在出现硬件引脚中断时唤醒。这些不同的工作模式都非常有用，模式的选择取决于无线传感器节点的运行状态。这可能由外部环境、当天时间以及感应到的活动量或频率来决定。这种基于软件的状态机控制功能有助于最终用户选择适当的模式，还能根据应用的当前要求轻松改变功耗。

　　还可以通过一些其它技术来避免不必要的功耗，例如 I/O 不使用时会继续驱动负载，为解决这个问题，我们可以让 I/O 引脚默认处于高阻抗。此外，使特定应用的频率高于必须值，这种做法也不理想。同样，使用源时钟频率较低的 PLL 比在较高时钟周期下运行主时钟频率要更加理想。

　　无线传感器节点越来越复杂，计算强度越来越高。低功耗特性以及在单个芯片中集成模块等做法对于稳定、高效节点的开发工作来说至关重要。