功耗是物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵因素。 采用功耗極低的架構(gòu)，才能在家庭、工廠車間或辦公室等許多不同的場(chǎng)所部署電池供電型無(wú)線傳感器并連接互聯(lián)網(wǎng)。 有時(shí)，傳感器技術(shù)會(huì)制約任何降低功耗方法，但對(duì)于其余節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)接口是至關(guān)重要的。

　　微加工感應(yīng)元件等新型技術(shù)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(jiān)控 ADC 就屬于此類器件。該系列在包括輸電系統(tǒng)、太陽(yáng)能逆變器等許多應(yīng)用中非常有用，可作為線性信號(hào)電隔離器、電平轉(zhuǎn)換器和/或接地環(huán)路消除器。 這些器件在單一封裝中集成了一個(gè) 10 位 SAR ADC 子系統(tǒng)、監(jiān)控狀態(tài)機(jī)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(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器組合在一起，形成低功耗傳感器節(jié)點(diǎn)。

　　Silicon Labs 采用專有 CMOS 隔離技術(shù)選擇 2.5 kV 或 5 kV 隔離等級(jí)，實(shí)現(xiàn)與 SAR ADC 的集成，同時(shí)，還具有典型的 45 kV/µs 抗共模瞬態(tài)能力，以確保在多噪聲、高電壓環(huán)境中擁有穩(wěn)定的性能。

　　越來(lái)越多的做法是將 ADC 集成到傳感器內(nèi)部。 ADT7410 來(lái)自 Analog Devices，是一款采用 SOIC 窄封裝的高精度數(shù)字式溫度傳感器，并集成了三角積分轉(zhuǎn)換器，以提供數(shù)字輸出。

　　Analog Devices ADT7410

　　圖 2：ADT7410 將三角積分轉(zhuǎn)換器與溫度傳感器集成在一起，可實(shí)現(xiàn)低功耗可配置分辨率。

　　其中，傳感器含有帶隙溫度基準(zhǔn)和一個(gè) 13 位 ADC，可用于監(jiān)視溫度并對(duì)溫度進(jìn)行數(shù)字化，達(dá)到 0.0625°C 分辨率。 該 ADC 的默認(rèn)分辨率為 13 位 (0.0625°C)。 通過(guò)在配置寄存器中設(shè)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(dāng)工作電壓為 3.3 V 時(shí)，平均電流通常為 210 μA。 該器件具有能使其斷電的關(guān)斷模式，且通�？商峁� 2 μA 關(guān)斷電流，以減少節(jié)點(diǎn)功耗。

　　有時(shí)，為了提高設(shè)計(jì)靈活性會(huì)采用分立式 ADC，但這并不表示功耗肯定會(huì)增大。

　　ADC081C021 器件來(lái)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(shù)轉(zhuǎn)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(zhǔn)。 該轉(zhuǎn)換器基于逐次逼近式寄存器架構(gòu)，內(nèi)置可支持高達(dá) 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(zhuǎn)換狀態(tài)下會(huì)自動(dòng)進(jìn)入省電模式，以降低功耗。

　　采用 +3 V 電源供電時(shí)，正常功耗為 0.26 W，而在停止轉(zhuǎn)換時(shí)則降至 1 µW。 這些器件體型小巧，均針對(duì)電池供電型便攜應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，非常適用于物聯(lián)網(wǎng)中的傳感器節(jié)點(diǎn)。

　　Texas Instruments 的 ADC081C021

　　圖 3：ADC081C021 使用了逐次逼近式轉(zhuǎn)換器，在轉(zhuǎn)換停止時(shí)能自動(dòng)進(jìn)入省電模式，以降低功耗。

　　簡(jiǎn)化無(wú)線傳感器所需設(shè)備的一種方法是采用專有架構(gòu)。 Analog Devices 用網(wǎng)關(guān)設(shè)備連接大量高度集成的無(wú)線振動(dòng)傳感器，為大量工業(yè)設(shè)備應(yīng)用提供低成本傳感器網(wǎng)絡(luò)。 這種網(wǎng)絡(luò)中采用了一種與處理電源和無(wú)線收發(fā)器集成在一起的微加工 MEMS 2 軸感應(yīng)元件。 這種結(jié)構(gòu)消除了從芯片轉(zhuǎn)向其他設(shè)備時(shí)造成的功率損耗，因此能同時(shí)減小感應(yīng)元件和節(jié)點(diǎn)的功耗。

　　ADIS16000 和 ADIS16229 的這種組合構(gòu)建了一個(gè)感應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，其中 ADIS16000 提供網(wǎng)關(guān)功能，用于管理由 ADIS16229 傳感器單元組成的網(wǎng)絡(luò)。

　　ADIS16000 采用專有架構(gòu)，可在本地星形網(wǎng)絡(luò)中同時(shí)支持多達(dá)六個(gè) ADIS16229 節(jié)點(diǎn)。 作為網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，ADIS16000 的 SPI 接口可為管理配置參數(shù)（網(wǎng)關(guān)和傳感器節(jié)點(diǎn)）、遠(yuǎn)程警報(bào)標(biāo)志和遠(yuǎn)程振動(dòng)數(shù)據(jù)的可尋址寄存器映射提供訪問(wèn)路徑。 ADIS16000 的 SPI 接口能為大多數(shù)嵌入式處理器實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單連接，且其標(biāo)準(zhǔn) 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(dòng)，并與 ADIS16000 連接后開(kāi)始工作。
Analog Devices 的 ADI16000 網(wǎng)關(guān)和 ADI16229

　　圖 4：ADI16000 網(wǎng)關(guān)和 ADI16229 的組合構(gòu)建了一個(gè)可連接互聯(lián)網(wǎng)的專用無(wú)線振動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)。

　　ADIS16229 iSensor 將雙軸加速度感應(yīng)功能與先進(jìn)的時(shí)域、頻域信號(hào)處理功能集于一身。 時(shí)域信號(hào)處理包括可編程抽取濾波器和可選的窗函數(shù)。 頻域處理包括一個(gè) 512 點(diǎn)的真值快速傅里葉轉(zhuǎn)換 (FFT)、FFT 幅度平均、可編程頻譜警報(bào)。 FFT 記錄存儲(chǔ)系統(tǒng)能讓用戶利用多個(gè)抽取濾波器設(shè)置值來(lái)跟蹤隨時(shí)間發(fā)生的變化并捕獲 FFT。

　　ADIS16229 的動(dòng)態(tài)范圍、采樣率、噪聲性能、非常適用于廣泛的機(jī)械健康和生產(chǎn)設(shè)備監(jiān)視系統(tǒng)。 該器件也能提供大量無(wú)線配置參數(shù)，使得在權(quán)衡電池壽命和通訊頻率時(shí)時(shí)擁有更多的靈活性。

　　該系統(tǒng)的機(jī)械零件包括兩個(gè)不同的框架，其中一個(gè)為活動(dòng)式，另一個(gè)為固定式，且這兩個(gè)框架采用一系列板來(lái)形成一個(gè)可變差分電容網(wǎng)絡(luò)。 當(dāng)遭遇到與重力或加速度有關(guān)作用力時(shí)，活動(dòng)框架會(huì)改變與固定框架之間的相對(duì)位置，從而改變電容值。 多個(gè)小型彈簧把移動(dòng)框架與固定框架系在一起，并決定加速度和相對(duì)位移之間的關(guān)系。 針對(duì)活動(dòng)板的調(diào)制信號(hào)會(huì)通過(guò)每個(gè)電容路徑被送至固定框架板和一個(gè)解調(diào)電路，其中，解調(diào)電路會(huì)產(chǎn)生與施加在設(shè)備上的加速度成比例的電氣信號(hào)。

　　ADIS16000 模塊采用 37.8 mm × 22.8 mm × 8.8 mm 多芯片模塊層壓 (MCML) 結(jié)構(gòu)，ADIS16229 采用 37.8 mm × 22.8 mm × 13.5 mm MCML 結(jié)構(gòu)。 這兩個(gè)器件均采用可以簡(jiǎn)化天線連接的 SMA 連接器和簡(jiǎn)化安裝的兩個(gè)安裝孔，工作溫度范圍為 −40°C 至 +85°C。 ADIS16000 還配備一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的 1 mm、14 引腳連接器，用于連接嵌入式處理器系統(tǒng)。 ADIS16229 采用引線結(jié)構(gòu)，可方便地連接電池引線。

　　結(jié)論

　　通過(guò)把不同的 ADC 架構(gòu)和傳感器組合在一起提供數(shù)字式輸出，可為物聯(lián)網(wǎng)中的電池供電型節(jié)點(diǎn)提供低功耗開(kāi)發(fā)方法，但分立式 ADC 器件也在利用各種技術(shù)來(lái)降低功耗，讓設(shè)計(jì)人員擁有更大的靈活性。 我們甚至可以選擇完整的專有網(wǎng)絡(luò)，從而方便地提供一個(gè)能與互聯(lián)網(wǎng)連接后用于監(jiān)視、控制的低功耗感應(yīng)網(wǎng)絡(luò)。

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