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- 如何为物联网构建低功耗传感器接口
- 来源：pg电子游戏官网官方网站-pg电子竞技平台 发表于 2014/12/9
功耗是物联网设计中的关键因素。 采用功耗极低的架构，才能在家庭、工厂车间或办公室等许多不同的场所部署电池供电型无线传感器并连接互联网。 有时，pg电子游戏官网官方网站-pg电子竞技平台技术会制约任何降低功耗方法，但对于其余节点来说接口是至关重要的。
微加工感应元件等新型技术有助于减低功耗，而匹配 adc 的性能或者将其与传感器集成在一起则有助于减少损耗。 选择 adc – 通常为三角积分逐次逼近型 – 也有助于降低功耗。
例如，silicon labs 的 si8900/1/2 系列隔离式监控 adc 就属于此类器件。该系列在包括输电系统、太阳能逆变器等许多应用中非常有用，可作为线性信号电隔离器、电平转换器和/或接地环路消除器。 这些器件在单一封装中集成了一个 10 位 sar adc 子系统、监控状态机和隔离式 uart（限 si8900）、i²c/smbus 端口（限 si8901）或 spi 端口（限 si8902）。
silicon labs si8900
图 1：si8900 采用专有 cmos 工艺，将电隔离器和数据转换器组合在一起，形成低功耗传感器节点。
silicon labs 采用专有 cmos 隔离技术选择 2.5 kv 或 5 kv 隔离等级，实现与 sar adc 的集成，同时，还具有典型的 45 kv/µs 抗共模瞬态能力，以确保在多噪声、高电压环境中拥有稳定的性能。
越来越多的做法是将 adc 集成到传感器内部。 adt7410 来自 analog devices，是一款采用 soic 窄封装的高精度数字式温度传感器，并集成了三角积分转换器，以提供数字输出。
analog devices adt7410
图 2：adt7410 将三角积分转换器与温度传感器集成在一起，可实现低功耗可配置分辨率。
其中，传感器含有带隙温度基准和一个 13 位 adc，可用于监视温度并对温度进行数字化，达到 0.0625°c 分辨率。 该 adc 的默认分辨率为 13 位 (0.0625°c)。 通过在配置寄存器中设置位 7（寄存器地址 0x03），能把分辨改改为 16 位 (0.0078°c)。
adt7410 可以保证在 2.7 v - 5.5 v 电源电压下正常工作。当工作电压为 3.3 v 时，平均电流通常为 210 μa。 该器件具有能使其断电的关断模式，且通常可提供 2 μa 关断电流，以减少节点功耗。
有时，为了提高设计灵活性会采用分立式 adc，但这并不表示功耗肯定会增大。
adc081c021 器件来自 texas instruments，是一款支持 100 khz、400 khz 和 3.4 mhz 的低功耗、单片、8 位模数转换器 (adc)。 该器件工作电压为 2.7 v - 5.5 v 单电源，也用作电压基准。 该转换器基于逐次逼近式寄存器架构，内置可支持高达 11 mhz 输入频率的跟踪保持电路。 i²c 接口能在全部三种速度模式下轻松连接微控制器，且该器件在非转换状态下会自动进入省电模式，以降低功耗。
采用 3 v 电源供电时，正常功耗为 0.26 w，而在停止转换时则降至 1 µw。 这些器件体型小巧，均针对电池供电型便携应用进行了优化，非常适用于物联网中的传感器节点。
texas instruments 的 adc081c021
图 3：adc081c021 使用了逐次逼近式转换器，在转换停止时能自动进入省电模式，以降低功耗。
简化无线pg电子游戏官网官方网站-pg电子竞技平台所需设备的一种方法是采用专有架构。 analog devices 用网关设备连接大量高度集成的无线振动传感器，为大量工业设备应用提供低成本传感器网络。 这种网络中采用了一种与处理电源和无线收发器集成在一起的微加工 mems 2 轴感应元件。 这种结构消除了从芯片转向其他设备时造成的功率损耗，因此能同时减小感应元件和节点的功耗。
adis16000 和 adis16229 的这种组合构建了一个感应网络，其中 adis16000 提供网关功能，用于管理由 adis16229 传感器单元组成的网络。
adis16000 采用专有架构，可在本地星形网络中同时支持多达六个 adis16229 节点。 作为网关节点，adis16000 的 spi 接口可为管理配置参数（网关和pg电子游戏官网官方网站-pg电子竞技平台节点）、远程警报标志和远程振动数据的可寻址寄存器映射提供访问路径。 adis16000 的 spi 接口能为大多数嵌入式处理器实现简单连接，且其标准 sma 连接器可直接连接各种天线。 adis16229 仅需要一根天线和电池即可启动，并与 adis16000 连接后开始工作。
analog devices 的 adi16000 网关和 adi16229
图 4：adi16000 网关和 adi16229 的组合构建了一个可连接互联网的专用无线振动传感器网络。
adis16229 isensor 将双轴加速度感应功能与先进的时域、频域信号处理功能集于一身。 时域信号处理包括可编程抽取滤波器和可选的窗函数。 频域处理包括一个 512 点的真值快速傅里叶转换 (fft)、fft 幅度平均、可编程频谱警报。 fft 记录存储系统能让用户利用多个抽取滤波器设置值来跟踪随时间发生的变化并捕获 fft。
adis16229 的动态范围、采样率、噪声性能、非常适用于广泛的机械健康和生产设备监视系统。 该器件也能提供大量无线配置参数，使得在权衡电池寿命和通讯频率时时拥有更多的灵活性。
该系统的机械零件包括两个不同的框架，其中一个为活动式，另一个为固定式，且这两个框架采用一系列板来形成一个可变差分电容网络。 当遭遇到与重力或加速度有关作用力时，活动框架会改变与固定框架之间的相对位置，从而改变电容值。 多个小型弹簧把移动框架与固定框架系在一起，并决定加速度和相对位移之间的关系。 针对活动板的调制信号会通过每个电容路径被送至固定框架板和一个解调电路，其中，解调电路会产生与施加在设备上的加速度成比例的电气信号。
adis16000 模块采用 37.8 mm × 22.8 mm × 8.8 mm 多芯片模块层压 (mcml) 结构，adis16229 采用 37.8 mm × 22.8 mm × 13.5 mm mcml 结构。 这两个器件均采用可以简化天线连接的 sma 连接器和简化安装的两个安装孔，工作温度范围为 −40°c 至 85°c。 adis16000 还配备一个标准的 1 mm、14 引脚连接器，用于连接嵌入式处理器系统。 adis16229 采用引线结构，可方便地连接电池引线。
结论
通过把不同的 adc 架构和pg电子游戏官网官方网站-pg电子竞技平台组合在一起提供数字式输出，可为物联网中的电池供电型节点提供低功耗开发方法，但分立式 adc 器件也在利用各种技术来降低功耗，让设计人员拥有更大的灵活性。 我们甚至可以选择完整的专有网络，从而方便地提供一个能与互联网连接后用于监视、控制的低功耗感应网络。
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