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通过控制传感设备的占空比最小化无线传感器网络的功耗

一种基于ARM传感器定位方法的案例

KaiLutzandAndreasKonig

InstituteofIntegratedSensorSystems

TUKaiserslautern

67663Kaiserslautern,Germany

e-mail:

koenig@eit.uni-kl.de

摘要：

在过去的十年里，无线传感器网络（WSN）已经取得了重大的突破。

它为传感器的应用提供了更多的选择，例如从环境智能到农业应用，基于WSN的测量系统通常是在苛刻的功耗限制条件下工作。

尤其因为微机械电子系统的存储元件的能量密度很低，所以WSN的功率消耗少。

SWN功耗少的主要原因是由于传感器和传感器设备使用了高度优化的微控制器。

WSN试图通过低功耗桥式放大电路的设计方法减少待机电流。

相反的是，本文调查了一种通过无缝集成进入微控制器睡眠模式的电桥可控传感和占空比的方法。

该电路被用于基于本土化自主WSN的各向异性磁通（AMR）的特定情形，在一个分析放大器电流的系统里，转换速率、开启时间被优化用于三轴ARM传感器的最小功耗参数。

在所要求的读出速率，例如，每分钟测量连续操作的因素能量消耗可减少1.5。

可控芯片在标准体积为0.35umcmos技术下针对不同类型的传感器和校准需求增加了它的灵活性。

关键字：

可控传感器设备；睡眠模式；无线传感器网络；AMR传感器

Ι简介

在过去十年里，WSN在识别、应用和技术方面有了大幅提高。

尤其，由于MEMS的集成减少了尺寸和价格以及增加了性能，为新型应用领域提供了解决方案。

由于不同类型的传感器，WSN越来越被广泛的应用，比如，从环境智能（Aml）到农业应用。

自动WSN应用需要自给自足或在极端低功耗系统下实现基于诸如能量收集和低功耗电路设计的技术。

今天的微控制器（MCU），例如，TI的MSP430系列，Atmel的XMEGA256系列，或能量MICRO的皮质控制器，给它们提供了前所未有的经济操作/睡眠模式，包括模数转换器（ADC）。

然而，现有的传感器，电桥，以及所需的放大器，如仪表放大器（InAmp），它们都不包括在该MCU的睡眠模式设置里。

整个传感器节点的功耗主要由电路桥中的纵向电流和传感放大器组成，并且通过传感器，桥和放大器的低功耗设计已经使功耗减到最小限度。

相比之下，基于占空比，开关操作放大器和传感电路桥应该被重视。

虽然分离电子开关可以作为补救措施，但是由于尺寸和潜在不可预测的电压降它们是不值得推荐的。

或者，可以将开关设计概念和电压调节器相结合，例如ADP120，它有许多分立元件，以及印刷电路板调平系统分立元件过多的使用会耗费昂贵的装配且不利于功耗和瞬态行为的优化。

一个更有利的普遍做法是在单片机电路离通过电流源控制的手段关断放大器纵向电流，现代的无线传感器节点是由PCB调平系统组装而成，更先进的方式是采用异构组装技术封装芯片或者是将它密封于更密不透风的封装里。

弗劳思霍夫协会的电子产品便是一个典型的例子。

在这两种情况下，经济实用的芯片已被采用，而在这些芯片中只有少数的芯片具有有效占空比和睡眠模式一体化的功能，并且在某些特定情况下，没有将这些功能与主要配置选项相结合。

德克萨斯州仪器和Analog设备支持308/309或8231和8555型号的可编程放大器，他们具有偏移补偿和增益控制配置。

不幸的是，这些设备仪器不能的这些功能不能被禁用或者进入睡眠模式状态，同时也无传感器电桥控制这个功能。

不过有两个特别的芯片可以实现这一功能，2MD21013MUSIL就是其中的一个种芯片，它可以为带有传感器放大器睡眠操作模式中的传感电桥和ADC板提供开关电源支持，另一种芯片就是AD8290，它提供了带有传感器放大器睡眠模式的外部可编程电流模式传感器电桥电源。

虽然，最后这两个芯片展示了吸引人的特性，但是他们无法对所有相关自动无线传感器节点的设计的挑战进行说明。

额外的配置功能是强制性的，以便为无线传感器网络提供精确、快速和低功率传感器的数据采集。

图1.无线传感器节点的框图认为在案例研究和Micadot的AMR三轴定位传感器与天线。

在一个案例研究的最开始，是基于无线传感器节点结合磁传感器的设计，在研究项目及相关工业生产自动化的处理中要应用这些设计，它是决定占空比传感器电子最小功率的最佳设计。

第二节将概述应用背景和传感器，第三节将呈现系统优化设计界参数和必要配置资源的调查数据，第四节，总结前文，将透露设计细节和所需占空比专用配置传感器电子的意义。

ⅡAMR传感器基于节点定位

在我们的工作中，我们注重具有无线传感器节点的最小功率需求这样的特殊结构，如图一所示

一个带有定电池供电的标准MCU，如已被应用的艾特梅尔Xmega256，它是通过几个传感通道读取数据的，尤其是对无线传感器节点定位这一块，三轴传感器设计就应用了AMR传感器电桥。

图2.低功耗可重构传感器电子

在原型中，AMR桥有一个阻值约为2.5KΩ的电阻，在3V电源的情况下，三轴传感器的三个电桥将会消耗10.8mw的功率。

此外三个已被使用的INA122仪表放大器中的任何一个都具有电流约为60uA的静态电流。

从而至少导致0.54mw的功率消耗。

假设它的速率为每分钟测量一次，则MCU在省电模式下每分钟将大约消耗3.5uw且在一个固定周期内它的额外配置平均为0.09Uw.

图3.可重构仪表放大器和相应的模具，其中，虚线表示可重新配置的顺序编程顺序设备领域，通过在码元箭头指示。

因此，该传感器电桥和放大器通过三个以上的数量级主宰整个无线传感器节点的功耗，为最小功耗传感器电子的优化提供需要。

有效占空比操作在最小开启时间内通过专用电子器可以有效的解决这些问题，图二展示了期望低功率可配置传感器电子的框图，它包括基于可编程电流的传感器电桥控制和一个读出各个传感器通道的放大器。

因此三至六个通道为案例研究呈现的基准。

因为本土概念要求快速并发读取三轴传感器中的数据，其不提倡时间复用操作这个功能。

Ⅲ.为占空比传感器电子电力消耗最小化的调查

采用有效设计的方法将睡眠模式、传感器电桥控制以及重要可配置功能相结合。

这是我工作目标的追求方式。

此前实现了可重构放大器的设计用于可被研究的传感器电子所谓的self-x

图4.单通道与AMR传感器桥开关电流源，DAC的切换开关和仪表放大器。

该组的前期工作是从演化硬件领域启发，基于大规模晶体管和无源器件领域的数字化可重构传感电子已经得到了开发。

一个动态可重构仪表放大器在0.35umCOMS技术下已被设计验证了，这使得它具有固定睡眠模式（MCU控制下关断）和灵活的睡眠模式。

通过重新编写计算机程序来降低最低功率从而降低警惕和测量速率。

尽管这个概念适用于无线传感器网络可以通过细胞复制进行缩放到多个类似通道该领域功耗是禁止的。

因此，在我们最近研究可重构多通道的活动中，推行最小最小芯片同步采集，也就是说可编程资源要被保持到所需的最低限度。

同时保持所需的修整、柔韧性和功耗特性。

该案例研究注重于系统分析与设计参数的优化，并通过单一传感器电子渠道结合SensitesAFF755BAMR传感器电桥，开关电流源重新配置资源，并切换仪表放大器。

还包括数模转换器，如图四所示。

该研究是基于奥地利微电子公司标准的C35B40.35um互补金属氧化物半导体（CMOS）2聚酯层/4金属层技术，该技术通常用于工业模拟和混合信号电路中。

图5.每小时消耗的能量与采样率AMR桥和仪表放大器增加功耗（版本，5pF的片上载，吨如表给我）。

工作的第一步，要仔细的对传感器通道结构中的放大器的最佳速率和功耗的权衡事项进行探讨。

对于这个目的，要将由两个操作放大器结合拓扑米勒组成的仪表放大器给设计一个5PF的片上负载。

之后要给放大器输出驱动芯片和片外负载添加一个缓冲器以驱动高达10nF的负载。

表一：

不同INAMp版本的功率分析

图五中，在连续和关断操作的情况下，比较了五个设计参数的情形，为了说明占空比操作下能源消耗的趋势，在x轴上用四种常用的采样率表示。

曲线包括占空比操作内的电桥能量。

从图五上可以明了的看出，该变化最快和最具潜在的功放设计在占空比操作下已经有最佳效果了，对于低阻抗的AMR电桥来说。

此外，该规模和电桥供给的电流源的重置范围已经进行了研究。

虽然小电流可以允许被用于低功耗电路，但这样将导致有效电桥供电电压V的值变小，Sensties、AFF755B的电桥灵敏度就直接下降到最初值。

图6.针对以上不同电源有效的桥梁电源电压不同的共源共栅镜像晶体管的宽度

因此，数字配置从50uA到1200uA的更宽范围内是值得推荐的，此外为了补偿因电池失效导致的电压降低，配备一个小的电压源是必要的。

图7.能源和电力与垂直电流的变化仪表放大器块2.5生病AMR桥。

是通过配置反射率实现的，发射率是由反射晶体管的宽度变化设置的，它控制了放大器中的纵向电流。

该偏置电流的上升引起功率消耗的上升，以及改变从系统观察到的动力学属性。

例如，在较高的转换速率和较低的稳定时间内，根据特殊应用的要求，放大器一方面可以在一个非常低功耗状态

下操作，其中的测量时间T是相当长的，另一方面也可以工作在一个高功耗状态下，其中的测量时间是非常快的（小于如图四所示为该电桥的电流源供给图形，它采用了共删源的设计方法，其中该参考电流源自敏感电路。

例如PTAT源，可重构性可以同时被电桥供给的扩展电流使用，因而，有效的电桥供电压也可以减少电源的残留电压，尤其是，该光衰减用电池供给电压以及动态的电源电压下降导致了功率峰值下降，例如，通信芯片，稳定的电流源以及低残留电压是强制性的指标以便正确地读出电桥的斜电压。

图六分析了共源共栅源晶体管的宽度为了持续供给800uA的电流就通过降低电源电压的方式。

在我们调查的下一个步骤中，对于一个固定有效电压值为2V的电桥电压（在图中调整过来的M1A/BandM2A/B功率消耗和能源消耗的分析对于单一测量开启时间T通过建立标准时间来完成。

所以开关相关的瞬态变化都被考虑到能量曲线的计算中，电流变化是通过T）。

适于通用，已经在5kΩ、10kΩ、25kΩ以及50kΩ的情况下重复模拟了电桥，对于不同型号的传感器能耗的相应最小值被表示在表Ⅱ由此可以看在这两极端状态之间，可以找到速度和功耗最佳平衡点的配置。

图7中总能量最低消耗点在W=77um处，此刻的偏流为I=1.75mA（W一直保持在20um）

对于较高电阻的传感器，例如，温度传感器pt10k或pt50k,为了出，随着桥电阻的增加，对于又低又慢的功率放大器而言是需要有力的最佳操作。

表2最低能源单耗CONFIGUATIONFORTHE不同的桥抗力的案件。

从本节分析中四个可配置定位和认证。

这些是，除了普通的增益和偏移调整，桥电源和放大器的偏置电流。

前者是为了调整有效的电桥电压为不同的桥电阻以及重新调整在电池的情况下或温度的情况下，与后者在最佳操作状态下就可以实现，数字可编程增加了可配置的可能。

如果该最佳操作点由于工业制造容差和应用途中漂移而丢失。

Ⅳ占空比可配置传感器电子电路的设计

如图四所示，该期望传感器电路是由外部电阻桥，可编程电1源以及一个16bitDAC的可配置仪表放大器（图9，10）偏移控制。

该基本电路是有【10,11】支持并长占空比操作这些将在以下内容中更详细的给出。

大小/重新配置问题将根据上一节的研究情况进行讨论。

在所提议的方法中，重新配置需要取消偏置电流，和增益编程，此外电桥供应电流和残留电压可以在一个实际范围内被设置电阻值，电源电压和垂直电流放大器是为了能耗最小化。

图8.用于可重构桥电流的电流源电路下沉供电和放大器垂直电流。

图8显示了电流配置是如何实现。

该PATA的参考电流是通过两个共源共栅电流镜像的，每一个反射镜用来提供I6bit的可重构允许的iBridge和的Ibias可达到最高1.5毫安。

然而晶体管的长度是固定为1um，宽度可以在1um到255um之间以1um为步长等比例缩小8bit被用于输出镜晶体管（M2和M4），在此电流源范围内，有效电压为3v的电桥传感器的电阻也可以低到2.5kΩ,此外该镜像配置可以被用于调整在电池下降或由于温度变化的电阻的情况下的有效电桥电压，该放大器的偏置电流，也就是用于控制InAmp的1垂直电流，可以以类似的方式重新配置随着偏置电流的增大，放大器速度的上升伴随能耗的增加。

在图9所示为仪表放大器所示电路，其增益可设置的范围为5~2000，是由数字可编程电阻Ra（11bit）实现的。

该InAmp设计用于驱动高达10nF的负载电容。

因此，一个片外模拟-数字转换器可以进行连接，偏移校正可通过一个16bit的DAC【11,12】实现，这也是一个占空比，驱动InAmp中的参考管脚偏移校正+/-140mv是可能的。

分别用分层的方法来修剪偏移粗（8位）和FME（8位）的步骤IMV和101lV的。

图10示出了一个详细的运算放大器【10,11】的原理图。

除了测量振荡电流的可能性，目前没有深沉配置调备。

该规模是为了确保稳定运行变化中的偏移电流，例如，适当的相位度和可控偏移值。

可配置有源和无源器件在原理图中还没详细表述，但是可扩展设备中的期望单元以及串行配置寄存器存在以前的有源元件中。

图9部分可重构仪表原理框图放大器睡眠模式。

Ⅴ结语

在本文中，最小功率的案例研究目前还不能精确测量基于占空比可配置传感器电子基于一个特定的WSN定位AMR传感器应用的无线传感器应用的无线传感器节点的运行在系统调查中，基于标准电路的（拓扑）、重新配置位置和资源已经有了定义。

尤其电流的优化和电桥电阻的大小以及微控制器感应负载已经是关注的焦点了。

对于AMR电桥和更多的典型桥电阻，最小功率设置和对应的采样时间T以及放大器转换速率已被设定好了，可配置这功能已被应到偏移、增益，电桥电路以及转换速率控制中去，

所需的能量的比率来计算在第二节和根据由3换算表Ⅱ第一栏所需要的能量频道和每小时60测量和假设sleepmode的1N瓦时的能量消耗3（80pWh*60+InWh）/11.35mWh;:

:

;1.5.10-6•结果也在

适用于相关的大量电子罗盘的应用，以及作为一个更大范围的电阻传感器。

该结果也适用于大量的相关电子应用范围内，以及作为一个范围更宽泛的电阻传感器现在追求的综合性概念，目前现有的商用设备还未对其提供该概念已经用COMS技术在原理图单通道上完成设计了。

在接下来的步骤中，完成一个三到六个通道传感器电子芯片的物理设计将继续被执行，包括温度漂移补偿和一个低功率集成翻转电路。

由于技术方面的原因。

翻译当前设计到一个硅-绝缘体（SOL）bipolarCMOS的（的BiCMOS）技术意图。

AMR传感器的整合和这里提出的电子传感器是不存在MEMS技术中的。

这在随后的工作中将被考虑。

致谢

AMR定位方案的设计信息是由S.Carrella和K.Iswandy

从联邦教育部所办的研究活动以及MST-AVS节目的研究所提供的并由PAC4PTROSIG16SV3604项目组审核的。

图10.与运算放大器块的晶体管级示意图省电电路和晶体管伊尔姆纵横比

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