- 如何為物聯網構建低功耗傳感器接口
- 來源：賽斯維傳感器網 發表于 2014/12/9
功耗是物聯網設計中的關鍵因素。 采用功耗極低的架構，才能在家庭、工廠車間或辦公室等許多不同的場所部署電池供電型無線傳感器并連接互聯網。 有時，傳感器技術會制約任何降低功耗方法，但對于其余節點來說接口是至關重要的。
微加工感應元件等新型技術有助于減低功耗，而匹配 ADC 的性能或者將其與傳感器集成在一起則有助于減少損耗。 選擇 ADC – 通常為三角積分逐次逼近型 – 也有助于降低功耗。
例如，Silicon Labs 的 Si8900/1/2 系列隔離式監控 ADC 就屬于此類器件。該系列在包括輸電系統、太陽能逆變器等許多應用中非常有用，可作為線性信號電隔離器、電平轉換器和/或接地環路消除器。 這些器件在單一封裝中集成了一個 10 位 SAR ADC 子系統、監控狀態機和隔離式 UART（限 Si8900）、I²C/SMbus 端口（限 Si8901）或 SPI 端口（限 Si8902）。
Silicon Labs Si8900
圖 1：Si8900 采用專有 CMOS 工藝，將電隔離器和數據轉換器組合在一起，形成低功耗傳感器節點。
Silicon Labs 采用專有 CMOS 隔離技術選擇 2.5 kV 或 5 kV 隔離等級，實現與 SAR ADC 的集成，同時，還具有典型的 45 kV/µs 抗共模瞬態能力，以確保在多噪聲、高電壓環境中擁有穩定的性能。
越來越多的做法是將 ADC 集成到傳感器內部。 ADT7410 來自 Analog Devices，是一款采用 SOIC 窄封裝的高精度數字式溫度傳感器，并集成了三角積分轉換器，以提供數字輸出。
Analog Devices ADT7410
圖 2：ADT7410 將三角積分轉換器與溫度傳感器集成在一起，可實現低功耗可配置分辨率。
其中，傳感器含有帶隙溫度基準和一個 13 位 ADC，可用于監視溫度并對溫度進行數字化，達到 0.0625°C 分辨率。 該 ADC 的默認分辨率為 13 位 (0.0625°C)。 通過在配置寄存器中設置位 7（寄存器地址 0x03），能把分辨改改為 16 位 (0.0078°C)。
ADT7410 可以保證在 2.7 V - 5.5 V 電源電壓下正常工作。當工作電壓為 3.3 V 時，平均電流通常為 210 μA。 該器件具有能使其斷電的關斷模式，且通常可提供 2 μA 關斷電流，以減少節點功耗。
有時，為了提高設計靈活性會采用分立式 ADC，但這并不表示功耗肯定會增大。
ADC081C021 器件來自 Texas Instruments，是一款支持 100 kHz、400 kHz 和 3.4 MHz 的低功耗、單片、8 位模數轉換器 (ADC)。 該器件工作電壓為 +2.7 V - 5.5 V 單電源，也用作電壓基準。 該轉換器基于逐次逼近式寄存器架構，內置可支持高達 11 MHz 輸入頻率的跟蹤保持電路。 I²C 接口能在全部三種速度模式下輕松連接微控制器，且該器件在非轉換狀態下會自動進入省電模式，以降低功耗。
采用 +3 V 電源供電時，正常功耗為 0.26 W，而在停止轉換時則降至 1 µW。 這些器件體型小巧，均針對電池供電型便攜應用進行了優化，非常適用于物聯網中的傳感器節點。
Texas Instruments 的 ADC081C021
圖 3：ADC081C021 使用了逐次逼近式轉換器，在轉換停止時能自動進入省電模式，以降低功耗。
簡化無線傳感器所需設備的一種方法是采用專有架構。 Analog Devices 用網關設備連接大量高度集成的無線振動傳感器，為大量工業設備應用提供低成本傳感器網絡。 這種網絡中采用了一種與處理電源和無線收發器集成在一起的微加工 MEMS 2 軸感應元件。 這種結構消除了從芯片轉向其他設備時造成的功率損耗，因此能同時減小感應元件和節點的功耗。
ADIS16000 和 ADIS16229 的這種組合構建了一個感應網絡，其中 ADIS16000 提供網關功能，用于管理由 ADIS16229 傳感器單元組成的網絡。
ADIS16000 采用專有架構，可在本地星形網絡中同時支持多達六個 ADIS16229 節點。 作為網關節點，ADIS16000 的 SPI 接口可為管理配置參數（網關和傳感器節點）、遠程警報標志和遠程振動數據的可尋址寄存器映射提供訪問路徑。 ADIS16000 的 SPI 接口能為大多數嵌入式處理器實現簡單連接，且其標準 SMA 連接器可直接連接各種天線。 ADIS16229 僅需要一根天線和電池即可啟動，并與 ADIS16000 連接后開始工作。
Analog Devices 的 ADI16000 網關和 ADI16229
圖 4：ADI16000 網關和 ADI16229 的組合構建了一個可連接互聯網的專用無線振動傳感器網絡。
ADIS16229 iSensor 將雙軸加速度感應功能與先進的時域、頻域信號處理功能集于一身。 時域信號處理包括可編程抽取濾波器和可選的窗函數。 頻域處理包括一個 512 點的真值快速傅里葉轉換 (FFT)、FFT 幅度平均、可編程頻譜警報。 FFT 記錄存儲系統能讓用戶利用多個抽取濾波器設置值來跟蹤隨時間發生的變化并捕獲 FFT。
ADIS16229 的動態范圍、采樣率、噪聲性能、非常適用于廣泛的機械健康和生產設備監視系統。 該器件也能提供大量無線配置參數，使得在權衡電池壽命和通訊頻率時時擁有更多的靈活性。
該系統的機械零件包括兩個不同的框架，其中一個為活動式，另一個為固定式，且這兩個框架采用一系列板來形成一個可變差分電容網絡。 當遭遇到與重力或加速度有關作用力時，活動框架會改變與固定框架之間的相對位置，從而改變電容值。 多個小型彈簧把移動框架與固定框架系在一起，并決定加速度和相對位移之間的關系。 針對活動板的調制信號會通過每個電容路徑被送至固定框架板和一個解調電路，其中，解調電路會產生與施加在設備上的加速度成比例的電氣信號。
ADIS16000 模塊采用 37.8 mm × 22.8 mm × 8.8 mm 多芯片模塊層壓 (MCML) 結構，ADIS16229 采用 37.8 mm × 22.8 mm × 13.5 mm MCML 結構。 這兩個器件均采用可以簡化天線連接的 SMA 連接器和簡化安裝的兩個安裝孔，工作溫度范圍為 −40°C 至 +85°C。 ADIS16000 還配備一個標準的 1 mm、14 引腳連接器，用于連接嵌入式處理器系統。 ADIS16229 采用引線結構，可方便地連接電池引線。
結論
通過把不同的 ADC 架構和傳感器組合在一起提供數字式輸出，可為物聯網中的電池供電型節點提供低功耗開發方法，但分立式 ADC 器件也在利用各種技術來降低功耗，讓設計人員擁有更大的靈活性。 我們甚至可以選擇完整的專有網絡，從而方便地提供一個能與互聯網連接后用于監視、控制的低功耗感應網絡。
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