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電壓控制提高傳感器節(jié)點(diǎn)效率

1947103 2022-11-28 | pdf | 185.02KB | 次下載 | 免費(fèi)

資料介紹

無線傳感器節(jié)點(diǎn)為物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 的發(fā)展提供了驅(qū)動(dòng)力。無線傳感器節(jié)點(diǎn)的兩個(gè)最重要的方面是它們應(yīng)該對(duì)本地環(huán)境的變化做出反應(yīng)，并且具有足夠的能源效率，一次電池充電可以存活數(shù)年——可能是傳感器的整個(gè)預(yù)期壽命。為了確保傳感器只對(duì)重要的變化做出反應(yīng)，越來越復(fù)雜的軟件將被下載到它們中。這反過來又需要高效的處理器，例如基于 32 位 ARM? Cortex?-M 架構(gòu)的處理器，或者對(duì)于更簡(jiǎn)單的傳感器，需要改進(jìn)版本的 8 位內(nèi)核，例如 8051。無線傳感器節(jié)點(diǎn)為物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 的發(fā)展提供了驅(qū)動(dòng)力。無線傳感器節(jié)點(diǎn)的兩個(gè)最重要的方面是它們應(yīng)該對(duì)本地環(huán)境的變化做出反應(yīng)，并且具有足夠的能源效率，一次電池充電可以存活數(shù)年——可能是傳感器的整個(gè)預(yù)期壽命。為了確保傳感器只對(duì)重要的變化做出反應(yīng)，越來越復(fù)雜的軟件將被下載到它們中。這反過來又需要高效的處理器，例如基于 32 位 ARM? Cortex?-M 架構(gòu)的處理器，或者對(duì)于更簡(jiǎn)單的傳感器，需要改進(jìn)版本的 8 位內(nèi)核，例如 8051。系統(tǒng)級(jí)功耗由許多變量決定，超出了處理器本身的能效。為提高效率，低能耗 MCU 采用大量智能外設(shè)來代表核心處理器控制硬件。這些外設(shè)在不同時(shí)間運(yùn)行，并且具有以毫秒為單位變化的功率需求。他們需要靈活的電源架構(gòu)來支持這一點(diǎn)。系統(tǒng)級(jí)功耗由許多變量決定，超出了處理器本身的能效。為提高效率，低能耗 MCU 采用大量智能外設(shè)來代表核心處理器控制硬件。這些外設(shè)在不同時(shí)間運(yùn)行，并且具有以毫秒為單位變化的功率需求。他們需要靈活的電源架構(gòu)來支持這一點(diǎn)。需要控制系統(tǒng)各個(gè)部分甚至集成到 MCU 本身的外圍設(shè)備的電源的原因是為了支持低占空比。占空比決定了 MCU 處理器在其生命周期中清醒和處理數(shù)據(jù)的時(shí)間以及斷電和睡眠的時(shí)間。低占空比很重要，因?yàn)橄到y(tǒng)內(nèi)的處理器幾乎所有時(shí)間都在休眠以節(jié)省能源。需要控制系統(tǒng)各個(gè)部分甚至集成到 MCU 本身的外圍設(shè)備的電源的原因是為了支持低占空比。占空比決定了 MCU 處理器在其生命周期中清醒和處理數(shù)據(jù)的時(shí)間以及斷電和睡眠的時(shí)間。低占空比很重要，因?yàn)橄到y(tǒng)內(nèi)的處理器幾乎所有時(shí)間都在休眠以節(jié)省能源。低占空比策略已被證明在電表設(shè)計(jì)中非常有效，其中處理器內(nèi)核可能會(huì)在其整個(gè)生命周期的 99% 內(nèi)休眠。它喚醒只是為了從傳感器輸入收集數(shù)據(jù)，通常是在預(yù)定的時(shí)間或響應(yīng)計(jì)劃外的中斷。智能外設(shè)通過檢查輸入數(shù)據(jù)來支持這一點(diǎn)，而無需喚醒處理器。僅當(dāng)超過閾值時(shí)，外設(shè)才會(huì)觸發(fā)中斷，從而導(dǎo)致處理器處理環(huán)境變化。此策略可確保僅處理重大更改。那些暗示變化很小的可以在內(nèi)存中排隊(duì)，并在處理器內(nèi)核因其他原因被喚醒時(shí)處理。低占空比策略已被證明在電表設(shè)計(jì)中非常有效，其中處理器內(nèi)核可能會(huì)在其整個(gè)生命周期的 99% 內(nèi)休眠。它喚醒只是為了從傳感器輸入收集數(shù)據(jù)，通常是在預(yù)定的時(shí)間或響應(yīng)計(jì)劃外的中斷。智能外設(shè)通過檢查輸入數(shù)據(jù)來支持這一點(diǎn)，而無需喚醒處理器。僅當(dāng)超過閾值時(shí)，外設(shè)才會(huì)觸發(fā)中斷，從而導(dǎo)致處理器處理環(huán)境變化。此策略可確保僅處理重大更改。那些暗示變化很小的可以在內(nèi)存中排隊(duì)，并在處理器內(nèi)核因其他原因被喚醒時(shí)處理。例如，在計(jì)量應(yīng)用中，寄存器編碼器將天然氣或水的流量記錄為一系列脈沖。如果沒有硬件支持，MCU 的處理器必須喚醒并對(duì) I/O 引腳的狀態(tài)進(jìn)行采樣以確定開關(guān)是打開還是關(guān)閉。如果它是一個(gè)物理簧片開關(guān)，則需要額外的處理來消除開關(guān)的抖動(dòng)并管理上拉電阻以檢查它是否是有效脈沖并最小化通過閉合開關(guān)的電流消耗。例如，在計(jì)量應(yīng)用中，寄存器編碼器將天然氣或水的流量記錄為一系列脈沖。如果沒有硬件支持，MCU 的處理器必須喚醒并對(duì) I/O 引腳的狀態(tài)進(jìn)行采樣以確定開關(guān)是打開還是關(guān)閉。如果它是一個(gè)物理簧片開關(guān)，則需要額外的處理來消除開關(guān)的抖動(dòng)并管理上拉電阻以檢查它是否是有效脈沖并最小化通過閉合開關(guān)的電流消耗。一種能源優(yōu)化方法是使用專用輸入捕獲定時(shí)器，該定時(shí)器可以在設(shè)備處于睡眠模式時(shí)自主運(yùn)行。開關(guān)閉合可以累積在硬件寄存器中，幾乎不需要軟件干預(yù)。開關(guān)去抖動(dòng)、上拉電阻管理和自校準(zhǔn)等功能可以直接集成到硬件中。通過兩個(gè)定時(shí)器輸入，可以支持正交解碼功能以確定流向。這提供了回流檢測(cè)和防篡改功能，兩者都用于觸發(fā)中斷，讓處理器做出反應(yīng)并發(fā)送警告消息。即使采樣率高達(dá) 500 Hz，專用低功耗輸入捕捉定時(shí)器在 3.6 V 時(shí)也可以消耗低至 400 nA 的電流，而如果在軟件中執(zhí)行則超過 1 μA。一種能源優(yōu)化方法是使用專用輸入捕獲定時(shí)器，該定時(shí)器可以在設(shè)備處于睡眠模式時(shí)自主運(yùn)行。開關(guān)閉合可以累積在硬件寄存器中，幾乎不需要軟件干預(yù)。開關(guān)去抖動(dòng)、上拉電阻管理和自校準(zhǔn)等功能可以直接集成到硬件中。通過兩個(gè)定時(shí)器輸入，可以支持正交解碼功能以確定流向。