【導(dǎo)讀】像傾斜傳感器ADIS16209(見 附錄)這樣的傳感器系統(tǒng)具有集成度高、規(guī)格全面的特點(diǎn)，采用緊湊型封裝，并且價格合理，使系統(tǒng)開發(fā)人員能夠輕松運(yùn)用自己可能并不熟悉的傳感器技術(shù)，從而將成本和風(fēng)險(xiǎn)降至最低。由于精度是完全按給定的功率電平確定，因而似乎會約束開發(fā)人員降低功耗的能力。但是，對于必須嚴(yán)格管理能量使用的應(yīng)用，采用周期供電的方式為降低平均功耗提供了突破口。本文將重點(diǎn)討論周期供電及其對總體功耗的影響。
我們中許多人都是在溫馨的家庭環(huán)境中長大的，但父母總會沖我們大喊："離開房間時把燈關(guān)上！我們家不是開電廠的！"實(shí)際上，他們是在教會我們一項(xiàng)重要的能源管理方法——周期供電，一種在不需要某項(xiàng)功能時關(guān)閉其電源的過程，例如在不需要進(jìn)行測量時關(guān)閉傳感器系統(tǒng)。這樣做能夠降低平均功耗，計(jì)算公式如下：
PON是系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時的功耗。POFF是系統(tǒng)處于關(guān)閉狀態(tài)時的功耗。它與殘留電流相關(guān)，如電源調(diào)節(jié)器要維持功率開關(guān)或關(guān)斷模式所需的電流，其典型值在1 μA左右。開啟時間(TON)是傳感器系統(tǒng)開啟、進(jìn)行所需測量并重新關(guān)閉所需的時間量。關(guān)閉時間 (TOFF)取決于系統(tǒng)需要進(jìn)行傳感器測量的頻繁程度。如果關(guān)閉功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于開啟 功率，則平均功耗實(shí)際上與占空比成正比。例如，如果關(guān)閉功率為零且占空比為10%，則平均功耗為正常工作功耗的10%。
傳感器系統(tǒng)綜述
傳感器可將溫度、加速度或應(yīng)力等物理量轉(zhuǎn)變成電信號。為了合理使用這些電信號，傳感器元件需要一些支持功能，如激勵、信號調(diào)理、濾波、失調(diào)和增益調(diào)整以及溫度補(bǔ)償。高級傳感器產(chǎn)品還包括模數(shù)轉(zhuǎn)換，并在單封裝中提供所有這些功能，從而實(shí)現(xiàn)完整且經(jīng)過校準(zhǔn)的傳感器至數(shù)據(jù)位的轉(zhuǎn)換功能。這類產(chǎn)品無需用戶進(jìn)行器件級設(shè)計(jì)或復(fù)雜表征與校正運(yùn)算，能夠以更少的投入實(shí)現(xiàn)更短的設(shè)計(jì)周期。雖然高度集成的傳感器產(chǎn)品可減輕進(jìn)行電路級設(shè)計(jì)決策的負(fù)擔(dān)，但如果希望利用周期供電來降低平均功耗，仍有必要了解其內(nèi)部工作原理。
圖1顯示了許多完整傳感器系統(tǒng)相關(guān)的功能。每個傳感器元件都需要一個 接口電路來將元件中的物理變化轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號處理器件可用的電信號。例如，電阻應(yīng)變計(jì)就是應(yīng)力改變時阻抗發(fā)生變化的電阻，常以橋接電路的形式（帶激勵功能）將可變電阻轉(zhuǎn)換成電信號。另一個例子是集成式微機(jī)電系統(tǒng) (iMEMS®)慣性傳感器，如加速度計(jì)和陀螺儀。它們采用小型結(jié)構(gòu)，通過極板間位移改變導(dǎo)致電節(jié)點(diǎn)間電容改變，從而對慣性運(yùn)動變化做出響應(yīng)。可變電容元件的接口電路一般使用調(diào)制級和解調(diào)級組合，將電容變化轉(zhuǎn)變成電信號。
1. 傳感器系統(tǒng)示例
緩沖級為模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)的輸入級準(zhǔn)備信號，可包括電平轉(zhuǎn)換、增益、失調(diào)校正、緩沖和濾波功能。傳感器信號經(jīng)過數(shù)字化處理之后，數(shù)字處理功能便進(jìn)一步增加信息值。數(shù)字濾波, h(n)則可降低噪聲，重點(diǎn)關(guān)注目標(biāo)頻帶。例如，機(jī)器健康狀況檢測系統(tǒng)可能通過一個帶通濾波器來關(guān)注與一般機(jī)械裝置磨損相關(guān)的頻率特征。其他需要穩(wěn)定的直流基準(zhǔn)電壓的傳感器可能傾向于使用低通濾波器。
由于系統(tǒng)中很多其他器件的影響，傳感器精度可能有很大的差異。為了收縮誤差分布并提高測量確定性，傳感器系統(tǒng)通常包括一個校準(zhǔn)程序，以確定各傳感器在已知激勵和條件下的特性，并提供特定單位公式來校正在所有預(yù)期工作條件范圍內(nèi)輸出。最終處理級f(n)代表特定處理，例如用于將加速度計(jì)的靜態(tài)地心引力測量轉(zhuǎn)變成方位角的三角關(guān)系。
周期供電考慮因素
評估傳感器系統(tǒng)中周期供電的有效性時，設(shè)計(jì)人員必須明確采集有用數(shù)據(jù)所花的時間。圖2顯示供電時一個典型的傳感器系統(tǒng)響應(yīng)。TM是測量時間，TC是周期時間。測量時間取決于啟動時間T1、建立時間T2和數(shù)據(jù)采集時間T3.
啟動時間 取決于系統(tǒng)處理器，以及支持傳感器數(shù)據(jù)采樣和信號處理操作所必須運(yùn)行的初始化程序。使用高度集成的傳感器系統(tǒng)時，通常產(chǎn)品文檔中會規(guī)定啟動時間。此類產(chǎn)品有時會提供休眠 模式，其啟動時間更快，但代價是其斷電功耗比關(guān)斷模式要高。
建立時間 可包括傳感器、接口電路、濾波器和物理器件的電氣特性建立時間，以及熱建立時間和機(jī)械建立時間。某些情況下，這些過渡特性在上電時間內(nèi)建立，因此對總體測量時間影響很小，甚至沒有影響。但是，分析這些特性的最保守方法是假設(shè)這些情形是依次發(fā)生的，除非進(jìn)一步分析研究可以支持更有利的同時啟動和建立假設(shè)。
數(shù)據(jù)采集時間取決于所需數(shù)據(jù)樣本的數(shù)量、系統(tǒng)處理器讀取數(shù)據(jù)的速度，以及精確數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)備就緒后處理器可以開始工作的時間。
圖2. 周期供電期間的傳感器響應(yīng)
分析示例
本示例通過評估一個完全集成的MEMS傾斜傳感器來確定影響精度和測量時間的參數(shù)，從而明確功率與性能的重要關(guān)系。以下四個步驟對此過程提供了簡單的指引：
● 了解傳感器的工作原理。
● 通過產(chǎn)品文檔獲取相關(guān)信息。
● 評估未明確規(guī)定的重要參數(shù)。
● 推算出功率與性能的關(guān)系。
1. 了解工作原理
示例的傾斜傳感器系統(tǒng)與圖1中的通用系統(tǒng)非常相似。MEMS加速度計(jì)包括傳感器元件和接口電路。加速度計(jì)信號通過一個單極點(diǎn)低通濾波器，該濾波器將信號帶寬限制在50 Hz。模數(shù)轉(zhuǎn)換器以200 SPS的采樣率運(yùn)行，并將其輸出送入數(shù)字處理級。數(shù)字處理功能包括一個均值濾波器、溫度驅(qū)動器校正公式、將靜態(tài)加速度計(jì)讀數(shù)轉(zhuǎn)變成傾斜角的數(shù)學(xué)函數(shù)、用戶接口寄存器和一個串行接口。
假設(shè)偏置誤差為零，當(dāng)加速度計(jì)的測量軸與重力方向垂直時，其輸出將為零。其測量軸與重力方向平行時，將產(chǎn)生 +1 g 或 –1 g的輸出，極性取決于方向。靜態(tài)加速度計(jì)測量與傾斜角之間的關(guān)系是一個簡單的正弦或正切函數(shù)，如圖3所示。這里的分析重點(diǎn)考慮水平模式（正弦）。
圖3. MEMS傾斜傳感器工作原理
2.通過產(chǎn)品文獻(xiàn)獲取相關(guān)信息
表1列出了影響高級傳感器系統(tǒng)周期供電的參數(shù)。這些參數(shù)一部分可從產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊獲得，而其他參數(shù)需要針對終端系統(tǒng)性能目標(biāo)進(jìn)行分析。PON 和T1 是數(shù)據(jù)手冊提供的參數(shù)。其余參數(shù)可用于估計(jì)T2 和 T3。關(guān)閉模式功率得自線性調(diào)節(jié)器的關(guān)斷電流。
表1. 傳感器系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)
3. 利用經(jīng)驗(yàn)假設(shè)來量化其余影響因素
建立時間影響一個傳感器系統(tǒng)能夠支持的精度和測量速率。許多不同的因素都會影響建立時間，但這里重點(diǎn)分析電的因素。估計(jì)建立時間需要性能目標(biāo)、部分重要假設(shè)和一個用于分析傳感器對供電響應(yīng)的模型。第一項(xiàng)重要假設(shè)是濾波器在初始啟動周期（上電時間）之后建立。雖然這兩個周期可以同時進(jìn)行，但以連續(xù)發(fā)生的方式著手分析是更為保守的方法。圖4提供分析傳感器對供電響應(yīng)的簡化模型。
圖4. 建立時間分析的模型
供電后，加速度計(jì)傳感器的輸出a(t)呈現(xiàn)階躍響應(yīng)。因?yàn)閭鞲衅鞑捎脝坞娫垂╇姡漭敵龊芸赡軙牧汩_始，并迅速轉(zhuǎn)變至確定其方位的電平。為簡明起見，假定零輸出與最低有效加速度水平相對應(yīng)。這種情況下，我們采用–2 g加速度，以便在最小額定值 –1.7 g的基礎(chǔ)上提供一些裕量。同時，最大傾斜范圍為+30°，相當(dāng)于+0.5 g。將這兩個間隔結(jié)合，加速度計(jì)信號在啟動時可進(jìn)行的最大轉(zhuǎn)換為+2.5 g。單極點(diǎn)、低通濾波器的階躍響應(yīng)b(t)可通過以下公式獲得：
包括數(shù)字濾波器的模型需要離散形式的b(t), 以及一個總和模型來仿真濾波器。
建立時間是在規(guī)定精度AE范圍內(nèi)穩(wěn)定到最終值所需的時間。圖5顯示兩條瞬態(tài)響應(yīng)曲線，指示每條曲線達(dá)到0.1 g精度所需的建立時間。
圖5. 上電瞬態(tài)響應(yīng)
本例中，誤差預(yù)算允許0.2°的建立精度。正弦公式提供一種將此目標(biāo)轉(zhuǎn)變成加速度衡量指標(biāo)的簡單方法。
使用諸如Excel或MATLAB之類的工具對此公式進(jìn)行建模將非常簡單。如果使用Excel，輸出在N = 16時的第18次采樣和N = 64時的第65次采樣達(dá)到距 0.5 g約3 mg內(nèi)的水平。將這些數(shù)值分別除以采樣速率(200 SPS)，可針對21 ms (N = 1)、90 ms (N = 16)和325 ms (N = 64)這些設(shè)置提供建立時間估計(jì)值。假設(shè)熱建立的相關(guān)誤差可忽略不計(jì)（如合理的話）。因?yàn)樗剂康钠骷峁┝藴囟刃?zhǔn)響應(yīng)，所以這一假設(shè)應(yīng)該可以接受。驗(yàn)證此假設(shè)為在最終表征過程中確認(rèn)精度提供了好機(jī)會。
此類系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集時間 T3不需要超過一個采樣周期，因?yàn)樗斜匦璧男Ｕ蜑V波都在器件內(nèi)部實(shí)現(xiàn)。采集時間只會使總體測量時間增加5 ms。
4.使功耗與周期時間相關(guān)
此分析的最后一部分與平均功耗和周期時間有關(guān)，周期時間實(shí)際上等于各測量事件之間的時間量。表2總結(jié)了重要的周期供電因素，包括傳感器數(shù)據(jù)手冊中規(guī)定或通過該簡單分析過程產(chǎn)生的因素，以及完全啟動（周期供電）和休眠模式恢復(fù)（周期休眠）的次數(shù)。
表2. 關(guān)鍵周期供電參數(shù)匯總
下面通過計(jì)算舉例說明，如何使用這些參數(shù)來分析和比較一個要求測量速率為1 SPS的系統(tǒng)的周期供電和周期休眠。
周期供電：
周期休眠：
這里的周期休眠非常有利。但是，如果將周期時間增加至每分鐘采樣一次(TC = 60 s)，周期供電方式的平均功耗會是0.2 mW，而周期休眠方式為1.2 mW。圖6所示為周期時間與平均功耗的關(guān)系。
圖6. 周期時間與平均功耗的關(guān)系
休眠模式保留全部初始化值，同時關(guān)閉系統(tǒng)其余部分。盡管保持這些設(shè)置需要一定功率，但恢復(fù)時間要比完全啟動更快。傾斜傳感器ADIS16209具有可編程休眠時間和自動喚醒功能。這種解決方案非常適用于那些具有數(shù)據(jù)就緒信號喚醒功能的主處理器，在讀取所需數(shù)據(jù)后命令傳感器再次在另一個固定的周期內(nèi)重新處于休眠模式。使用休眠模式的另一MEMS產(chǎn)品實(shí)例是振動傳感器ADIS16223，該傳感器收集并儲存振動數(shù)據(jù)，自動返回至休眠模式，然后啟動對另一測量事件的倒計(jì)時。這種傳感器非常適合需要進(jìn)行周期性監(jiān)控的系統(tǒng)，無需分配處理器資源來管理休眠模式和數(shù)據(jù)收集模式。
這里通過簡單分析提供了部分有用的深度信息。具體而言，在某些情況下，不管休眠模式需要多少功率，通過休眠模式管理仍然能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能。在上述示例中，需要以1 SPS速率進(jìn)行傾斜測量的系統(tǒng)采用休眠模式，省電能力提高了4倍。此處，休眠模式針對最高6 s的測量周期時間可實(shí)現(xiàn)節(jié)能。對于測量周期時間更長的系統(tǒng)，與關(guān)斷性能相關(guān)的功率開銷更低，從而使得平均功率電平更低。
結(jié)論
無論是出于經(jīng)濟(jì)還是環(huán)保原因，降低功耗的要求都很普遍。降低功耗可以減小功率轉(zhuǎn)換器、電池和太陽能電池等電源的尺寸和成本。其他潛在好處還包括降低熱和機(jī)械設(shè)計(jì)要求，降低EMI輻射，有利于環(huán)境影響評級。
對于重視高集成度傳感器產(chǎn)品但又不得不考慮盡可能降低功耗的工程師而言，本文提到的概念和分析方法提供了一個很好的起點(diǎn)。更重要的是，因?yàn)槊糠N系統(tǒng)設(shè)計(jì)都存在新的機(jī)會與風(fēng)險(xiǎn)，所以確定并分析影響總體功率目標(biāo)特性的相關(guān)思考過程將更加重要。完成初始分析之后，或許一句俄羅斯諺語"Доверяй, нопроверяй`"（"信任，但要確認(rèn)"）最能說明該如何確保最終成功實(shí)現(xiàn)。要跟蹤重要假設(shè)，例如建立精度(3 mg)及熱建立因素是否會有影響。如果有合適的硬件，要在盡可能匹配其預(yù)期使用條件的情況下測試這些解決方案。最后，測試這些假設(shè)將增加自信，并可調(diào)整改善新假設(shè)，以用于今后的電源管理方法分析。
附錄
iSensor® 雙軸傾斜計(jì)ADIS16209圖A）的數(shù)字輸出在±180°的范圍內(nèi)與平行于重力方向（垂直模式）的一個平面的旋轉(zhuǎn)角成正比，或在±90°的范圍內(nèi)與重力方向正切（水平模式）的兩個平面的旋轉(zhuǎn)角成正比。片內(nèi)ADC對iMEMS®加速度計(jì)、內(nèi)部溫度傳感器、電源的輸出和一個輔助模擬輸入進(jìn)行數(shù)字化，并通過SPI兼容接口提供數(shù)據(jù)。靈敏度、采樣速率、帶寬和報(bào)警閾值均支持?jǐn)?shù)字編程。該器件具有完整的功能，還包括一個12位輔助DAC、2.5 V精密基準(zhǔn)電壓、數(shù)字自測功能和可編程電源管理。ADIS16209采用3.0 V至3.6 V的單電源供電，快速模式下功耗為36 mA，標(biāo)準(zhǔn)模式下為11 mA，休眠模式下為140 μA。它采用16引腳LGA封裝，額定溫度范圍為–40°C至+125°C。
圖A. ADIS16209框圖
iSensor®數(shù)字振動傳感器ADIS16223（圖B）集±70 g單軸iMEMS® 加速度計(jì)與靈活的低功耗信號處理器于一體，22 kHz傳感器帶寬和72.9 kSPS采樣速率非常適合機(jī)器健康狀況檢測應(yīng)用，均值/抽取濾波器則可針對低帶寬應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化。這款器件可以利用自動、手動或事件捕獲三種數(shù)據(jù)采集模式，分別從三個軸捕獲并存儲1k樣本。它還能測量溫度和電源電壓，捕捉峰值，并提供條件報(bào)警功能。ADIS16223采用3.15 V至3.6 V單電源供電，捕捉模式下功耗為38 mA，休眠模式下為230 μA。它采用16引腳LGA封裝，額定溫度范圍為–40°C至+125°C。
圖B. ADIS16223框圖
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