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所部署電池供電型無線傳感器并連接互聯(lián)網(wǎng)。 有時(shí)，傳感器技術(shù)會制約任何降低功耗方法，但對于其余節(jié)點(diǎn)來說接口是至關(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)、太陽能逆變器等許多應(yīng)用中非常有用，可作為線性信號電隔離器、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 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，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。

　　越來越多的做法是將 ADC 集成到傳感器內(nèi)部。 ADT7410 來自 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 13 位 ADC，可用于監(jiān)視溫度并對溫度進(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(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)下會自動進(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)能自動進(jìn)入省電模式，以降低功耗。

　　簡化無線傳感器所需設(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線振動傳感器，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 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)程振動數(shù)據(jù)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(shù)嵌入式處理器實(shí)現(xiàn)簡單連接，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，并與 ADIS16000 連接后開始工作。
Analog Devices 的 ADI16000 網(wǎng)關(guān)和 ADI16229

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

　　ADIS16229 iSensor 將雙軸加速度感應(yīng)功能與先進(jìn)的時(shí)域、頻域信號處理功能集于一身。 時(shí)域信號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 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 記錄存儲系統(tǒng)能讓用戶利用多個抽取濾波器設(shè)置值來跟蹤隨時(shí)間發(fā)生的變化并捕獲 FFT。

　　ADIS16229 的動態(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(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(guān)系。 針對活動板的調(diào)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(diào)電路，其中，解調(diào)電路會產(chǎn)生與施加在設(shè)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(jié)構(gòu)，ADIS16229 采用 37.8 mm × 22.8 mm × 13.5 mm MCML 結(jié)構(gòu)。 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(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)提供低功耗開發(fā)方法，但分立式 ADC 器件也在利用各種技術(shù)來降低功耗，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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