常開、零維護(hù)數(shù)據(jù)發(fā)射器概覽

智能手機(jī)給我們的日常生活帶來(lái)了重大改變，是我們隨時(shí)獲取健康、環(huán)境甚至購(gòu)物相關(guān)信息的重要手段。遺憾的是，現(xiàn)如今，在大多數(shù)情況下，用戶在需要數(shù)據(jù)時(shí)必須采取一定的操作。這樣做效率低下，因?yàn)橛脩艨赡懿恢廊绾嗡阉餍畔ⅲɡ缟痰昀锬撤N產(chǎn)品的標(biāo)價(jià)）。

解決這個(gè)問題的辦法是開發(fā)一個(gè)系統(tǒng)，使得智能手機(jī)可以使用特定情形的數(shù)據(jù)，從而為用戶提供所需的信息。這些數(shù)據(jù)可能來(lái)自一個(gè)傳感器，也可以是與某一對(duì)象或位置關(guān)聯(lián)的唯一識(shí)別符。信標(biāo)因此應(yīng)運(yùn)而生。

在無(wú)線術(shù)語(yǔ)中，信標(biāo)是一種器件，廣播可被鄰近其他設(shè)備接收的數(shù)據(jù)。理想情況下，廣播數(shù)據(jù)可以在無(wú)用戶干預(yù)的情況下被收到，實(shí)現(xiàn)無(wú)縫傳輸。低功耗藍(lán)牙?具備這種功能，因此成為信標(biāo)通信的普遍選擇。

低功耗藍(lán)牙（BLE）適合需要在較小半徑（通常小于10米）范圍內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用，被廣泛用于低功耗無(wú)線通信。以無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)（WSN）為例，數(shù)據(jù)可由WSN收集并發(fā)送給智能手機(jī)。圖1顯示這類傳感器節(jié)點(diǎn)的典型應(yīng)用流程：

信標(biāo)和傳感器需要從某個(gè)來(lái)源供電，以讓其能夠持續(xù)工作，同時(shí)仍要保持整個(gè)器件的尺寸和外形。由有線來(lái)源供電的可行性很小，因?yàn)樗鼈円幢蝗穗S身攜帶，要么放在較遠(yuǎn)的位置。因此，要求有線來(lái)源供電的方案通常都行不通。采取電池供電的方法則會(huì)引入一些問題，例如工作壽命有限，需要頻繁對(duì)電池充電，最終棄置電池會(huì)對(duì)環(huán)境造成不利影響。

如果我們真的需要信標(biāo)不需任何類型維護(hù)，則需要利用周圍環(huán)境中的閑置能源，例如光、運(yùn)動(dòng)、壓力或熱量。這將實(shí)現(xiàn)一種“裝后即忘”的方法，信標(biāo)和傳感器可在器件的使用壽命期間持續(xù)獲得供電。

能量收集

能量收集是一種從周圍環(huán)境收集閑置微能量并存儲(chǔ)起來(lái)的方法。存儲(chǔ)足夠能量后，傳感器可執(zhí)行多種任務(wù)，例如收集數(shù)據(jù)并通過BLE傳輸給其他器件。

能量收集系統(tǒng)（EHS）是一個(gè)電路，包括能量收集器件（EHD）、能量收集電源管理集成電路（PMIC）和能量存儲(chǔ)器件（ESD）。PMIC使用太陽(yáng)能電池、振動(dòng)傳感器或壓電器件等EHD提供的能量，對(duì)能量存儲(chǔ)器件（通常為電容器）進(jìn)行“涓流”充電。然后，EHS會(huì)使用這些存儲(chǔ)的電荷向其它嵌入式器件提供能量。根據(jù)傳感器的狀態(tài)，EHS輸出功率會(huì)有所不同。當(dāng)處于有源狀態(tài)時(shí)，能量會(huì)被消耗，EHS的電壓也開始下降。處于低功耗狀態(tài)時(shí)，EHS的電壓會(huì)上升，因?yàn)槟芰看鎯?chǔ)器件的充電速度比耗電速度快。圖3中的示例顯示了EHS輸出電壓在一段時(shí)間內(nèi)隨嵌入式器件活動(dòng)而變化。

對(duì)于由EHS供電的器件，有源狀態(tài)期間消耗的能量不能超過EHS中可用的能量。圖4顯示EHS供電的系統(tǒng)，其中，有源狀態(tài)期間的能耗大于EHS可提供的能量。EHS的輸出電壓因能量被消耗而緩慢下降，最終完全關(guān)閉輸出。

為設(shè)計(jì)出通過能量收集供電的強(qiáng)大系統(tǒng)，需要對(duì)嵌入式系統(tǒng)的每個(gè)方面進(jìn)行能量?jī)?yōu)化，使其能夠在EHS供電時(shí)無(wú)縫工作。此類系統(tǒng)中有許多高耗電的子系統(tǒng)，需要優(yōu)化以確保不會(huì)拉低EH的輸出。優(yōu)化功耗時(shí)針對(duì)的某些關(guān)鍵領(lǐng)域包括：

1.CPU時(shí)鐘頻率

系統(tǒng)時(shí)鐘頻率決定處理特定例程的速度以及這段時(shí)間內(nèi)的能耗。時(shí)鐘較快意味著處理速度更快，但電流消耗也更高。此外，每個(gè)器件還有一定的最低和最高時(shí)鐘頻率要求，不得違反這些要求。

對(duì)于基于EHS的設(shè)計(jì)，必須選擇在以下兩個(gè)方面經(jīng)過優(yōu)化的時(shí)鐘頻率：

平均電流消耗

峰值電流消耗

EHS容量必須同時(shí)考慮這兩個(gè)因素。平均電流是特定有源狀態(tài)期間所需的電流時(shí)間平均值。峰值電流則是有源狀態(tài)要求的瞬態(tài)最大電流，通常比平均電流高得多。所需的平均電流可能在EHS的容量范圍內(nèi)，但峰值電流會(huì)造成EHS發(fā)生突然的能量損耗，從而使電壓降至截止電壓以下。請(qǐng)注意，處理時(shí)間是平均電流消耗計(jì)算的一部分。

圖5為在48MHz系統(tǒng)頻率下處理特定程序的功耗與時(shí)間圖，圖6為在12MHz下處理相同程序的功耗與時(shí)間圖。

此示例中，在48MHz下處理例程大約耗時(shí)300μs，此間消耗的峰值電流大約為10mA。在12MHz下處理例程耗時(shí)1.1ms，但消耗的峰值電流僅為4mA。與在12MHz下相比，此過程中消耗的平均電流更大，但峰值電流要求更低。根據(jù)EHS容量，用戶可選擇短暫的48MHz時(shí)鐘設(shè)置、較長(zhǎng)的12MHz時(shí)鐘設(shè)置，或者將兩者混合，此時(shí)時(shí)鐘頻率從一個(gè)過程到另一個(gè)過程切換。選擇優(yōu)化的系統(tǒng)頻率時(shí)，應(yīng)考慮這種電流分布。

2.低功耗器件啟動(dòng)

當(dāng)嵌入式器件通電后，必須先完成啟動(dòng)程序，然后才可執(zhí)行應(yīng)用代碼。典型的啟動(dòng)順序包括：

初始化存儲(chǔ)器

設(shè)置中斷矢量

配置外設(shè)和公用寄存器

初始化外部時(shí)鐘（如果有）

這些步驟中的每一個(gè)都會(huì)花費(fèi)CPU處理時(shí)間，因此會(huì)消耗能量。具體能耗取決于所用器件的類型、系統(tǒng)時(shí)鐘頻率、初始化的存儲(chǔ)器/寄存器組的大小以及設(shè)置外部時(shí)鐘所花的時(shí)間。因此，啟動(dòng)過程是高能耗的活動(dòng)，應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化，使其不會(huì)從EH輸出消耗過多的能量。編寫啟動(dòng)代碼時(shí)應(yīng)記住以下因素：

僅初始化將用到的存儲(chǔ)器和寄存器部分。將其它部分保留為默認(rèn)值

大多數(shù)無(wú)線系統(tǒng)需要高精度的外部時(shí)鐘。外部時(shí)鐘振蕩器或手表晶體振蕩器等時(shí)鐘啟動(dòng)后需要很長(zhǎng)的穩(wěn)定時(shí)間。應(yīng)將系統(tǒng)置于低功耗模式（休眠/深度休眠）并僅在時(shí)鐘準(zhǔn)備好供使用時(shí)將其喚醒，而不是在有源模式下等待時(shí)鐘穩(wěn)定。可使用內(nèi)部定時(shí)器達(dá)成此目的。

3.低功耗系統(tǒng)啟動(dòng)

在器件開始執(zhí)行應(yīng)用代碼后，通常需要啟動(dòng)系統(tǒng)中的個(gè)別外設(shè)。這些外設(shè)可能是器件內(nèi)部的元件（例如ADC），也可能是外部元件（例如傳感器）。單個(gè)外設(shè)的啟動(dòng)時(shí)間可能不會(huì)很長(zhǎng)，但整體的設(shè)置時(shí)間加總卻可能需要很長(zhǎng)的處理時(shí)間，足以耗盡EHS中存儲(chǔ)的能量。首先，根據(jù)給定的CPU頻率計(jì)算單個(gè)外設(shè)的啟動(dòng)時(shí)間。然后確定同時(shí)啟動(dòng)所有外設(shè)（較快）的能量預(yù)算是否可行或者啟動(dòng)程序是否需要分階段執(zhí)行（較慢）。

4.分階段的應(yīng)用處理

該器件將具有各種需要其自身CPU帶寬的應(yīng)用例程。這些例程包括配置外設(shè)、從傳感器接收數(shù)據(jù)、執(zhí)行計(jì)算以及管理事件和中斷等任務(wù)。確保此處理所需的能量不超出EHS容量。如果是這樣，將例程分解成較小的子例程，并分階段管理它們。這可將EHS上的負(fù)載分解成可管理的電流脈沖，能夠讓EHS在活動(dòng)的CPU進(jìn)程間隙時(shí)間充電。

此外，在每個(gè)階段之間，將系統(tǒng)置于低功耗模式下，并使用計(jì)數(shù)器或看門狗定時(shí)器提供中斷以用作喚醒源。由于系統(tǒng)大多數(shù)時(shí)間處于低功耗模式，因此這些模式期間的電流要求必須盡量低。系統(tǒng)在這些模式下越高效，在各階段之間充電所需的時(shí)間就越少，執(zhí)行任務(wù)的速度也越快。

5.無(wú)線傳輸

數(shù)據(jù)在收集后必須通過BLE傳輸。這種傳輸可在BLE連接或BLE廣播上完成。請(qǐng)注意，支持能量收集的信標(biāo)限于BLE通告。這是因?yàn)槿绻褂肂LE連接，必須先消耗大量能量設(shè)置該連接，才可將其用于傳輸數(shù)據(jù)。一般而言，無(wú)線電活動(dòng)（無(wú)論是傳輸［TX］還是接收［RX］）是無(wú)線器件中能量消耗最大的操作。請(qǐng)確保BLE活動(dòng)是作為一個(gè)獨(dú)立進(jìn)程執(zhí)行，且只有在EH輸出能夠提供足夠峰值電流時(shí)才和另一個(gè)進(jìn)程結(jié)合。

使用CypressPMIC和BLE解決方案進(jìn)行高效設(shè)計(jì)

CypressSemiconductor的能量收集電源管理IC（PMIC）實(shí)現(xiàn)了無(wú)電池型無(wú)線傳感器和網(wǎng)絡(luò)解決方案。通過高效的電源轉(zhuǎn)換精確控制輸出功率，使得它們成為信標(biāo)和無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)等小型低功耗BLE應(yīng)用的明智選擇。它們可用于無(wú)電池型解決方案，或與電池（例如鋰離子電池）結(jié)合作為備用電源。象S6AE101A（優(yōu)化了太陽(yáng)能或光EHD）這樣的優(yōu)化型PMIC的啟動(dòng)和靜態(tài)功耗極低，支持使用小型太陽(yáng)能電池來(lái)將總體外形尺寸減到最小。如MB39C831之類的EHPMIC可從低電壓?jiǎn)?dòng)，并能夠適應(yīng)使用最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）功能的應(yīng)用的功率要求。MPPT通過追蹤輸入功率讓內(nèi)部DC/DC轉(zhuǎn)換器控制輸出充電，因此實(shí)現(xiàn)最大的功率輸出。

Cypress的能量收集PMIC適合多種應(yīng)用。例如，MB39C8xx系列的PMIC支持基于太陽(yáng)能、振動(dòng)和熱量的EH器件。對(duì)于更復(fù)雜的系統(tǒng)，S6AE10xA系列太陽(yáng)能優(yōu)化型PMIC可控制多個(gè)輸出和存儲(chǔ)器件。

無(wú)電池?zé)o線信標(biāo)的另一方面就是選擇MCU。MCU集成為可編程系統(tǒng)，例如支持多種低功耗模式的片上系統(tǒng)（SoC）器件，非常適合此類應(yīng)用。舉例來(lái)說，Cypress的可編程片上系統(tǒng)（PSoC）可與多種能夠連接至傳感器的外設(shè)緊密集成。特別值得一提的是，PSoC4BLE包含低功耗外設(shè)以及BLE無(wú)線電和集成的BLE堆棧，幫助實(shí)現(xiàn)了單芯片BLE傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。此外，由于支持超低功耗模式，系統(tǒng)可使用能量收集器和鈕扣電池等受限電源可靠地運(yùn)行。實(shí)踐證明，此類收集器以及PSoC對(duì)于無(wú)電池BLE傳感器節(jié)點(diǎn)應(yīng)用而言，是優(yōu)化的設(shè)計(jì)。

要了解為能量收集應(yīng)用設(shè)計(jì)高效無(wú)線系統(tǒng)的更多信息，請(qǐng)參閱低功耗藍(lán)牙入門應(yīng)用說明。關(guān)于為能量收集優(yōu)化BLE子系統(tǒng)的更多詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱設(shè)計(jì)低功耗應(yīng)用并預(yù)估BLE應(yīng)用的電池壽命。此外，單擊此處可獲取電源管理集成電路簡(jiǎn)介。

附錄

A1：EH供電的BLE傳感器節(jié)點(diǎn)中多個(gè)進(jìn)程的示波器截圖

此圖顯示了在一段時(shí)間內(nèi)EHS輸出電壓相對(duì)于CPU處理的變化。黃色信號(hào)是EHS輸出電壓，綠色信號(hào)是嵌入式器件的電流消耗。綠色峰值是CPU有源進(jìn)程期間的電流消耗。平坦信號(hào)在器件處于低功耗模式時(shí)出現(xiàn)。請(qǐng)注意，每次CPU活動(dòng)時(shí)（綠色信號(hào)中的峰值），EHS輸出電壓會(huì)下降，因?yàn)镃PU消耗了能量。還需注意，隨著EHS對(duì)能量存儲(chǔ)器件充電，電壓在低功耗狀態(tài)期間恢復(fù)。

此圖顯示了在不對(duì)EHS中的能量存儲(chǔ)器件充電的情況下，EHS輸出電壓相對(duì)于CPU活動(dòng)的變化。請(qǐng)注意，在能量耗盡后，電壓會(huì)下降到截止電壓以下，此時(shí)EHS輸出將關(guān)閉。

器件啟動(dòng)時(shí)的電流消耗（綠色信號(hào)）：

通過能量收集供電的信標(biāo)中的BLE傳輸活動(dòng)：