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電壓控制提高傳感器節(jié)點效率

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

資料介紹

無線傳感器節(jié)點為物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 的發(fā)展提供了驅(qū)動力。無線傳感器節(jié)點的兩個最重要的方面是它們應該對本地環(huán)境的變化做出反應，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預期壽命。為了確保傳感器只對重要的變化做出反應，越來越復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，或者對于更簡單的傳感器，需要改進版本的 8 位內(nèi)核，例如 8051。無線傳感器節(jié)點為物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 的發(fā)展提供了驅(qū)動力。無線傳感器節(jié)點的兩個最重要的方面是它們應該對本地環(huán)境的變化做出反應，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預期壽命。為了確保傳感器只對重要的變化做出反應，越來越復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，或者對于更簡單的傳感器，需要改進版本的 8 位內(nèi)核，例如 8051。系統(tǒng)級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 采用大量智能外設來代表核心處理器控制硬件。這些外設在不同時間運行，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。系統(tǒng)級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 采用大量智能外設來代表核心處理器控制硬件。這些外設在不同時間運行，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。需要控制系統(tǒng)各個部分甚至集成到 MCU 本身的外圍設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)的時間以及斷電和睡眠的時間。低占空比很重要，因為系統(tǒng)內(nèi)的處理器幾乎所有時間都在休眠以節(jié)省能源。需要控制系統(tǒng)各個部分甚至集成到 MCU 本身的外圍設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)的時間以及斷電和睡眠的時間。低占空比很重要，因為系統(tǒng)內(nèi)的處理器幾乎所有時間都在休眠以節(jié)省能源。低占空比策略已被證明在電表設計中非常有效，其中處理器內(nèi)核可能會在其整個生命周期的 99% 內(nèi)休眠。它喚醒只是為了從傳感器輸入收集數(shù)據(jù)，通常是在預定的時間或響應計劃外的中斷。智能外設通過檢查輸入數(shù)據(jù)來支持這一點，而無需喚醒處理器。僅當超過閾值時，外設才會觸發(fā)中斷，從而導致處理器處理環(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，并在處理器內(nèi)核因其他原因被喚醒時處理。低占空比策略已被證明在電表設計中非常有效，其中處理器內(nèi)核可能會在其整個生命周期的 99% 內(nèi)休眠。它喚醒只是為了從傳感器輸入收集數(shù)據(jù)，通常是在預定的時間或響應計劃外的中斷。智能外設通過檢查輸入數(shù)據(jù)來支持這一點，而無需喚醒處理器。僅當超過閾值時，外設才會觸發(fā)中斷，從而導致處理器處理環(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，并在處理器內(nèi)核因其他原因被喚醒時處理。例如，在計量應用中，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 I/O 引腳的狀態(tài)進行采樣以確定開關(guān)是打開還是關(guān)閉。如果它是一個物理簧片開關(guān)，則需要額外的處理來消除開關(guān)的抖動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，在計量應用中，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 I/O 引腳的狀態(tài)進行采樣以確定開關(guān)是打開還是關(guān)閉。如果它是一個物理簧片開關(guān)，則需要額外的處理來消除開關(guān)的抖動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器，該定時器可以在設備處于睡眠模式時自主運行。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。開關(guān)去抖動、上拉電阻管理和自校準等功能可以直接集成到硬件中。通過兩個定時器輸入，可以支持正交解碼功能以確定流向。這提供了回流檢測和防篡改功能，兩者都用于觸發(fā)中斷，讓處理器做出反應并發(fā)送警告消息。即使采樣率高達 500 Hz，專用低功耗輸入捕捉定時器在 3.6 V 時也可以消耗低至 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器，該定時器可以在設備處于睡眠模式時自主運行。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。開關(guān)去抖動、上拉電阻管理和自校準等功能可以直接集成到硬件中。通過兩個定時器輸入，可以支持正交解碼功能以確定流向。