常開、零維護(hù)數(shù)據(jù)發(fā)射器概覽

智能手機(jī)給我們的日常生活帶來了重大改變，是我們隨時獲取健康、環(huán)境甚至購物相關(guān)信息的重要手段。遺憾的是，現(xiàn)如今，在大多數(shù)情況下，用戶在需要數(shù)據(jù)時必須采取一定的操作。這樣做效率低下，因為用戶可能不知道如何搜索信息（例如商店里某種產(chǎn)品的標(biāo)價）。

解決這個問題的辦法是開發(fā)一個系統(tǒng)，使得智能手機(jī)可以使用特定情形的數(shù)據(jù)，從而為用戶提供所需的信息。這些數(shù)據(jù)可能來自一個傳感器，也可以是與某一對象或位置關(guān)聯(lián)的唯一識別符。信標(biāo)因此應(yīng)運而生。

在無線術(shù)語中，信標(biāo)是一種器件，廣播可被鄰近其他設(shè)備接收的數(shù)據(jù)。理想情況下，廣播數(shù)據(jù)可以在無用戶干預(yù)的情況下被收到，實現(xiàn)無縫傳輸。低功耗藍(lán)牙?具備這種功能，因此成為信標(biāo)通信的普遍選擇。

低功耗藍(lán)牙（BLE）適合需要在較小半徑（通常小于10米）范圍內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用，被廣泛用于低功耗無線通信。以無線傳感器節(jié)點（WSN）為例，數(shù)據(jù)可由WSN收集并發(fā)送給智能手機(jī)。圖1顯示這類傳感器節(jié)點的典型應(yīng)用流程：

信標(biāo)和傳感器需要從某個來源供電，以讓其能夠持續(xù)工作，同時仍要保持整個器件的尺寸和外形。由有線來源供電的可行性很小，因為它們要么被人隨身攜帶，要么放在較遠(yuǎn)的位置。因此，要求有線來源供電的方案通常都行不通。采取電池供電的方法則會引入一些問題，例如工作壽命有限，需要頻繁對電池充電，最終棄置電池會對環(huán)境造成不利影響。

如果我們真的需要信標(biāo)不需任何類型維護(hù)，則需要利用周圍環(huán)境中的閑置能源，例如光、運動、壓力或熱量。這將實現(xiàn)一種“裝后即忘”的方法，信標(biāo)和傳感器可在器件的使用壽命期間持續(xù)獲得供電。

能量收集

能量收集是一種從周圍環(huán)境收集閑置微能量并存儲起來的方法。存儲足夠能量后，傳感器可執(zhí)行多種任務(wù)，例如收集數(shù)據(jù)并通過BLE傳輸給其他器件。

能量收集系統(tǒng)（EHS）是一個電路，包括能量收集器件（EHD）、能量收集電源管理集成電路（PMIC）和能量存儲器件（ESD）。PMIC使用太陽能電池、振動傳感器或壓電器件等EHD提供的能量，對能量存儲器件（通常為電容器）進(jìn)行“涓流”充電。然后，EHS會使用這些存儲的電荷向其它嵌入式器件提供能量。根據(jù)傳感器的狀態(tài)，EHS輸出功率會有所不同。當(dāng)處于有源狀態(tài)時，能量會被消耗，EHS的電壓也開始下降。處于低功耗狀態(tài)時，EHS的電壓會上升，因為能量存儲器件的充電速度比耗電速度快。圖3中的示例顯示了EHS輸出電壓在一段時間內(nèi)隨嵌入式器件活動而變化。

對于由EHS供電的器件，有源狀態(tài)期間消耗的能量不能超過EHS中可用的能量。圖4顯示EHS供電的系統(tǒng)，其中，有源狀態(tài)期間的能耗大于EHS可提供的能量。EHS的輸出電壓因能量被消耗而緩慢下降，最終完全關(guān)閉輸出。

為設(shè)計出通過能量收集供電的強(qiáng)大系統(tǒng)，需要對嵌入式系統(tǒng)的每個方面進(jìn)行能量優(yōu)化，使其能夠在EHS供電時無縫工作。此類系統(tǒng)中有許多高耗電的子系統(tǒng)，需要優(yōu)化以確保不會拉低EH的輸出。優(yōu)化功耗時針對的某些關(guān)鍵領(lǐng)域包括：

1.CPU時鐘頻率

系統(tǒng)時鐘頻率決定處理特定例程的速度以及這段時間內(nèi)的能耗。時鐘較快意味著處理速度更快，但電流消耗也更高。此外，每個器件還有一定的最低和最高時鐘頻率要求，不得違反這些要求。

對于基于EHS的設(shè)計，必須選擇在以下兩個方面經(jīng)過優(yōu)化的時鐘頻率：

平均電流消耗

峰值電流消耗

EHS容量必須同時考慮這兩個因素。平均電流是特定有源狀態(tài)期間所需的電流時間平均值。峰值電流則是有源狀態(tài)要求的瞬態(tài)最大電流，通常比平均電流高得多。所需的平均電流可能在EHS的容量范圍內(nèi)，但峰值電流會造成EHS發(fā)生突然的能量損耗，從而使電壓降至截止電壓以下。請注意，處理時間是平均電流消耗計算的一部分。

圖5為在48MHz系統(tǒng)頻率下處理特定程序的功耗與時間圖，圖6為在12MHz下處理相同程序的功耗與時間圖。

此示例中，在48MHz下處理例程大約耗時300μs，此間消耗的峰值電流大約為10mA。在12MHz下處理例程耗時1.1ms，但消耗的峰值電流僅為4mA。與在12MHz下相比，此過程中消耗的平均電流更大，但峰值電流要求更低。根據(jù)EHS容量，用戶可選擇短暫的48MHz時鐘設(shè)置、較長的12MHz時鐘設(shè)置，或者將兩者混合，此時時鐘頻率從一個過程到另一個過程切換。選擇優(yōu)化的系統(tǒng)頻率時，應(yīng)考慮這種電流分布。

2.低功耗器件啟動

當(dāng)嵌入式器件通電后，必須先完成啟動程序，然后才可執(zhí)行應(yīng)用代碼。典型的啟動順序包括：

初始化存儲器

設(shè)置中斷矢量

配置外設(shè)和公用寄存器

初始化外部時鐘（如果有）

這些步驟中的每一個都會花費CPU處理時間，因此會消耗能量。具體能耗取決于所用器件的類型、系統(tǒng)時鐘頻率、初始化的存儲器/寄存器組的大小以及設(shè)置外部時鐘所花的時間。因此，啟動過程是高能耗的活動，應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化，使其不會從EH輸出消耗過多的能量。編寫啟動代碼時應(yīng)記住以下因素：

僅初始化將用到的存儲器和寄存器部分。將其它部分保留為默認(rèn)值

大多數(shù)無線系統(tǒng)需要高精度的外部時鐘。外部時鐘振蕩器或手表晶體振蕩器等時鐘啟動后需要很長的穩(wěn)定時間。應(yīng)將系統(tǒng)置于低功耗模式（休眠/深度休眠）并僅在時鐘準(zhǔn)備好供使用時將其喚醒，而不是在有源模式下等待時鐘穩(wěn)定。可使用內(nèi)部定時器達(dá)成此目的。

3.低功耗系統(tǒng)啟動

在器件開始執(zhí)行應(yīng)用代碼后，通常需要啟動系統(tǒng)中的個別外設(shè)。這些外設(shè)可能是器件內(nèi)部的元件（例如ADC），也可能是外部元件（例如傳感器）。單個外設(shè)的啟動時間可能不會很長，但整體的設(shè)置時間加總卻可能需要很長的處理時間，足以耗盡EHS中存儲的能量。首先，根據(jù)給定的CPU頻率計算單個外設(shè)的啟動時間。然后確定同時啟動所有外設(shè)（較快）的能量預(yù)算是否可行或者啟動程序是否需要分階段執(zhí)行（較慢）。

4.分階段的應(yīng)用處理

該器件將具有各種需要其自身CPU帶寬的應(yīng)用例程。這些例程包括配置外設(shè)、從傳感器接收數(shù)據(jù)、執(zhí)行計算以及管理事件和中斷等任務(wù)。確保此處理所需的能量不超出EHS容量。如果是這樣，將例程分解成較小的子例程，并分階段管理它們。這可將EHS上的負(fù)載分解成可管理的電流脈沖，能夠讓EHS在活動的CPU進(jìn)程間隙時間充電。

此外，在每個階段之間，將系統(tǒng)置于低功耗模式下，并使用計數(shù)器或看門狗定時器提供中斷以用作喚醒源。由于系統(tǒng)大多數(shù)時間處于低功耗模式，因此這些模式期間的電流要求必須盡量低。系統(tǒng)在這些模式下越高效，在各階段之間充電所需的時間就越少，執(zhí)行任務(wù)的速度也越快。

5.無線傳輸

數(shù)據(jù)在收集后必須通過BLE傳輸。這種傳輸可在BLE連接或BLE廣播上完成。請注意，支持能量收集的信標(biāo)限于BLE通告。這是因為如果使用BLE連接，必須先消耗大量能量設(shè)置該連接，才可將其用于傳輸數(shù)據(jù)。一般而言，無線電活動（無論是傳輸［TX］還是接收［RX］）是無線器件中能量消耗最大的操作。請確保BLE活動是作為一個獨立進(jìn)程執(zhí)行，且只有在EH輸出能夠提供足夠峰值電流時才和另一個進(jìn)程結(jié)合。

使用CypressPMIC和BLE解決方案進(jìn)行高效設(shè)計

CypressSemiconductor的能量收集電源管理IC（PMIC）實現(xiàn)了無電池型無線傳感器和網(wǎng)絡(luò)解決方案。通過高效的電源轉(zhuǎn)換精確控制輸出功率，使得它們成為信標(biāo)和無線傳感器節(jié)點等小型低功耗BLE應(yīng)用的明智選擇。它們可用于無電池型解決方案，或與電池（例如鋰離子電池）結(jié)合作為備用電源。象S6AE101A（優(yōu)化了太陽能或光EHD）這樣的優(yōu)化型PMIC的啟動和靜態(tài)功耗極低，支持使用小型太陽能電池來將總體外形尺寸減到最小。如MB39C831之類的EHPMIC可從低電壓啟動，并能夠適應(yīng)使用最大功率點跟蹤（MPPT）功能的應(yīng)用的功率要求。MPPT通過追蹤輸入功率讓內(nèi)部DC/DC轉(zhuǎn)換器控制輸出充電，因此實現(xiàn)最大的功率輸出。

Cypress的能量收集PMIC適合多種應(yīng)用。例如，MB39C8xx系列的PMIC支持基于太陽能、振動和熱量的EH器件。對于更復(fù)雜的系統(tǒng)，S6AE10xA系列太陽能優(yōu)化型PMIC可控制多個輸出和存儲器件。

無電池?zé)o線信標(biāo)的另一方面就是選擇MCU。MCU集成為可編程系統(tǒng)，例如支持多種低功耗模式的片上系統(tǒng)（SoC）器件，非常適合此類應(yīng)用。舉例來說，Cypress的可編程片上系統(tǒng)（PSoC）可與多種能夠連接至傳感器的外設(shè)緊密集成。特別值得一提的是，PSoC4BLE包含低功耗外設(shè)以及BLE無線電和集成的BLE堆棧，幫助實現(xiàn)了單芯片BLE傳感器節(jié)點的設(shè)計。此外，由于支持超低功耗模式，系統(tǒng)可使用能量收集器和鈕扣電池等受限電源可靠地運行。實踐證明，此類收集器以及PSoC對于無電池BLE傳感器節(jié)點應(yīng)用而言，是優(yōu)化的設(shè)計。

要了解為能量收集應(yīng)用設(shè)計高效無線系統(tǒng)的更多信息，請參閱低功耗藍(lán)牙入門應(yīng)用說明。關(guān)于為能量收集優(yōu)化BLE子系統(tǒng)的更多詳細(xì)信息，請參閱設(shè)計低功耗應(yīng)用并預(yù)估BLE應(yīng)用的電池壽命。此外，單擊此處可獲取電源管理集成電路簡介。

附錄

A1：EH供電的BLE傳感器節(jié)點中多個進(jìn)程的示波器截圖

此圖顯示了在一段時間內(nèi)EHS輸出電壓相對于CPU處理的變化。黃色信號是EHS輸出電壓，綠色信號是嵌入式器件的電流消耗。綠色峰值是CPU有源進(jìn)程期間的電流消耗。平坦信號在器件處于低功耗模式時出現(xiàn)。請注意，每次CPU活動時（綠色信號中的峰值），EHS輸出電壓會下降，因為CPU消耗了能量。還需注意，隨著EHS對能量存儲器件充電，電壓在低功耗狀態(tài)期間恢復(fù)。

此圖顯示了在不對EHS中的能量存儲器件充電的情況下，EHS輸出電壓相對于CPU活動的變化。請注意，在能量耗盡后，電壓會下降到截止電壓以下，此時EHS輸出將關(guān)閉。

器件啟動時的電流消耗（綠色信號）：

通過能量收集供電的信標(biāo)中的BLE傳輸活動：