如何讓高整合傳感器降低平均功耗

　　由于感測器準(zhǔn)確度與給定的功率位準(zhǔn)高低息息相關(guān)，因此系統(tǒng)功耗降低的空間往往會受到限制;而電力循環(huán)(PowerCycling)技術(shù)可藉由分析感測器工作周期(DutyCycle)，適當(dāng)控制感測器開關(guān)狀態(tài)，有助開發(fā)人員達(dá)到最低系統(tǒng)平均功耗，并兼顧感測精準(zhǔn)度。

　　系統(tǒng)開發(fā)人員就算對感測器并不熟悉，仍能運(yùn)用具有高整合度、規(guī)格完整的感測器，將開發(fā)成本和風(fēng)險降到最低。由于感測器準(zhǔn)確度完全是按照給定的功率位準(zhǔn)來決定，因此開發(fā)人員降低功率消耗的空間將受到壓縮。事實(shí)上，對于必須嚴(yán)格管理能源使用情形的產(chǎn)品，電力循環(huán)(PowerCycling)技術(shù)可為降低平均功率消耗開辟一條新道路。本文將聚焦于電力循環(huán)及其對總體功率消耗的影響。電力循環(huán)是一種重要的能源管理技巧，是在不需要某項(xiàng)功能時，就關(guān)閉其電源的流程，像是在不進(jìn)行測量時，就關(guān)閉感測器系統(tǒng)，這樣做能夠降低平均功率消耗。

　　PON是系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)的功率消耗，POFF是系統(tǒng)處于關(guān)閉態(tài)的功率消耗，這兩者均與剩余電流(ResidualCurrent)相關(guān)，像是電源穩(wěn)壓器要維持功率開關(guān)或關(guān)機(jī)模式所需的電流，其典型值在1微安培(μA)左右。開啟時間(OnTime,TON)是感測器系統(tǒng)開啟、進(jìn)行所需測量，然后再關(guān)閉所需的時間量;關(guān)閉時間(TOFF)取決于系統(tǒng)須要進(jìn)行感測器測量的頻繁程度。如果關(guān)閉狀態(tài)的功率遠(yuǎn)小于開啟狀態(tài)的功率，則平均功率消耗基本上與工作周期(DutyCycle)成正比。例如，如果關(guān)閉狀態(tài)的功率為零且工作周期為10%，則平均功率消耗為正常工作下功率消耗的10%。

　　感測器系統(tǒng)運(yùn)作流程復(fù)雜

　　感測器可將物理量(如溫度、加速度或應(yīng)力等)轉(zhuǎn)換成電子訊號。為合理使用這些電子訊號，感測器元件需要一些支援功能，如訊號調(diào)節(jié)、濾波、偏移與增益調(diào)整以及溫度補(bǔ)償。高級感測器產(chǎn)品還包括類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器(ADC)，并在單一封裝中提供上述功能，以實(shí)現(xiàn)完整且經(jīng)過校準(zhǔn)的感測器至資料位元轉(zhuǎn)換功能。這類產(chǎn)品讓使用者略過元件級設(shè)計(jì)，略過復(fù)雜的特性與校正運(yùn)算，能夠以更少的投入資源，實(shí)現(xiàn)更短的設(shè)計(jì)周期。雖然高整合度感測器可減輕電路級設(shè)計(jì)的決策負(fù)擔(dān)，但如果希望利用電力循環(huán)降低平均功率，則須了解其內(nèi)部工作原理，如下。

　　每顆感測器元件都需要一個介面電路，將元件中的物理變化轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)訊號處理元件可用的電子訊號。例如，電阻應(yīng)變計(jì)(一種在應(yīng)力改變時，阻值就會改變的電阻)常以電橋的形式將阻值的改變轉(zhuǎn)換成電子訊號。另一個例子是微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)慣性感測器，如加速度計(jì)和陀螺儀，其微小的結(jié)構(gòu)可藉由極板間位移所造成的電節(jié)點(diǎn)間電容改變，進(jìn)而對慣性運(yùn)動的變化做出回應(yīng)?？勺冸娙菰慕槊骐娐吠ǔM合調(diào)變級和解調(diào)級，將電容值的變化轉(zhuǎn)換成電子訊號。

　　緩沖級為類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器的輸入級準(zhǔn)備好訊號，包括位準(zhǔn)轉(zhuǎn)換、增益、偏移修正、緩沖和濾波功能。當(dāng)感測器訊號經(jīng)過數(shù)位化之后，數(shù)位處理功能便進(jìn)一步增加資訊值。數(shù)位濾波h(n)則可降低雜訊，聚焦在目標(biāo)頻寬內(nèi)。例如，機(jī)器故障檢測系統(tǒng)可能使用一個帶通濾波器(Band-passFilter)聚焦在與一般機(jī)構(gòu)磨損相關(guān)的頻率特征。其他的感測器，尤其是需要穩(wěn)定直流參考電壓的類型，使用低通濾波器(Low-passFilter)就能夠辨識出更多值。

　　感測器準(zhǔn)確度可能受到很多其他零件的總體影響而有很大的差異。為收歛誤差分布，提高測量確定性，感測器系統(tǒng)通常包括一個校準(zhǔn)程序，以確定各感測器在已知刺激和條件下的特性，并提供特定單位公式，來校正在所有預(yù)期工作條件范圍下的輸出。最終處理級f(n)代表特定處理，例如用三角關(guān)系將加速度計(jì)的靜態(tài)地心引力測量轉(zhuǎn)換成方位角。

　　電力循環(huán)須考量資料擷取時間

　　評估感測器系統(tǒng)中電力循環(huán)的有效性時，設(shè)計(jì)人員必須確定擷取有效資料所花的時間。TM是量測時間(MeasurementTime)、TC是循環(huán)時間(CycleTime)。測量時間取決于啟動時間(Start-upTime)T1、安定時間(SettlingTime)T2和資料擷取時間(Data-acquisitionTime)T3。

　　啟動時間取決于系統(tǒng)處理器與初始化常式，該常式是支援感測器資料取樣與訊號處理操作一定要執(zhí)行的步驟。使用高整合度感測器系統(tǒng)時，通常產(chǎn)品文件中會規(guī)定啟動時間。這類產(chǎn)品有的會提供休眠模式，讓啟動時間更快，但代價是其斷電時的功率消耗比關(guān)機(jī)模式要高。

　　安定時間可包括感測器、介面電路、濾波器和物理元件的電氣行為，以及熱安定時間與機(jī)構(gòu)安定時間。某些情況下，這些暫態(tài)行為在開機(jī)時就已經(jīng)安定下來，因此對總體測量時間影響很小，甚至沒有影響。除非進(jìn)一步的分析研究，可以支持啟動與安定是同時發(fā)生的這類較有利假設(shè)，否則分析這些特性的最保守方法，是假設(shè)這些情形是一連串發(fā)生的。

　　資料擷取時間取決于所需資料樣本的數(shù)量、系統(tǒng)處理器讀取資料的速度，以及精確資料擷取準(zhǔn)備就緒后，處理器可以開始工作的時間。

　　范例分析

　　本范例藉由評估一個完全整合型MEMS傾斜感測器，來定義影響準(zhǔn)確度和測量時間的參數(shù)，進(jìn)而確認(rèn)重要的功率與性能關(guān)系。以下四個步驟對此過程提供簡單準(zhǔn)則：

　　.了解感測器工作原理

　　MEMS加速度計(jì)核心包括感測器元件和介面電路。加速度計(jì)訊號通過一個單極點(diǎn)低通濾波器，該濾波器將訊號頻寬限制在50Hz。類比至數(shù)位轉(zhuǎn)換器以200SPS的取樣率運(yùn)作，并將輸出送入數(shù)位處理級。數(shù)位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)換成傾斜角的數(shù)學(xué)函數(shù)、使用者介面暫存器，以及一個串列介面。

　　假設(shè)偏移誤差為零，每當(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+1g或-1g的輸出，其極性取決于方向。靜態(tài)加速度計(jì)量測與傾斜角間的關(guān)系是一個簡單的正弦或正切函數(shù)。

　　.由產(chǎn)品文件獲得相關(guān)資訊

　　表1列出影響先進(jìn)感測器系統(tǒng)電力循環(huán)的參數(shù)。某些參數(shù)可從產(chǎn)品資料手冊獲得，而其他參數(shù)須針對終端系統(tǒng)的性能目標(biāo)進(jìn)行分析。PON和T1是資料手冊提供的參數(shù)，其余參數(shù)可用于估計(jì)T2和T3。關(guān)閉模式的功率值得自線性穩(wěn)壓器的關(guān)機(jī)電流(ShutdownCurrent)。

　　估算未明確規(guī)定的重要參數(shù)

　　安定時間影響一個感測器系統(tǒng)能夠支援的準(zhǔn)確度和測量速率。有許多不同的因素都會影響安定時間，但這里著重點(diǎn)在電氣因素。估計(jì)安定時間需要性能目標(biāo)、重要假設(shè)，以及一個用于分析感測器響應(yīng)對供電的模型。第一項(xiàng)重要假設(shè)是濾波器在初始啟動周期(開機(jī)時間)之后就安定，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較為保守的方法。

　　供電后，加速度計(jì)感測器的輸出a(t)呈現(xiàn)步階響應(yīng)。因?yàn)楦袦y器采用單電源供電，其輸出很可能會從零開始，并迅速轉(zhuǎn)換至確定其方位的準(zhǔn)位。為簡單起見，假定零輸出對應(yīng)到最低有效加速度準(zhǔn)位。這種情況下，我們采用-2g加速度，以便在最小額定值-1.7g的基礎(chǔ)上提供一些容限。同時，最大傾斜范圍為+30o，相當(dāng)于+0.5g。將這兩個區(qū)間結(jié)合，加速度計(jì)訊號在啟動時可進(jìn)行的最大轉(zhuǎn)換為+2.5g。

　　包括數(shù)位濾波器的模型需要離散形式的b(t)，以及一個總和模型來模擬濾波器。

　　安定時間是在規(guī)定準(zhǔn)確度AE范圍內(nèi)穩(wěn)定到最終值所需的時間。本例中，誤差預(yù)算允許0.2o的安定準(zhǔn)確度。正弦公式提供一種將此目標(biāo)轉(zhuǎn)換成加速度衡量指標(biāo)的簡單方法。

　　使用諸如Excel或MATLAB之類的工具對此公式進(jìn)行建模是很簡單的。如果使用Excel，輸出在N=16時的第十八次取樣和N=64時的第六十五次取樣達(dá)到距0.5g約3mg內(nèi)的水準(zhǔn)。將這些數(shù)值分別除以取樣速率(200SPS)，可針對21ms(N=1)、90ms(N=16)和325ms(N=64)這些設(shè)置提供安定時間估計(jì)值。假設(shè)熱安定的相關(guān)誤差可忽略不計(jì)(如果合理的話)。由于所考量的元件提供溫度校準(zhǔn)回應(yīng)，所以這一假設(shè)應(yīng)該可以接受。驗(yàn)證此假設(shè)為在確認(rèn)準(zhǔn)確度的最終特性過程中，提供不錯的機(jī)會。

　　此類系統(tǒng)的資料擷取時間T3，不會超過一個取樣周期，因?yàn)樗斜匾男Ｕ蜑V波都在元件內(nèi)部實(shí)現(xiàn)。擷取時間只會使總體測量時間增加5ms。

　　.推算功率與性能的關(guān)系

　　本分析的最后一部分與平均功率消耗及循環(huán)時間有關(guān)，循環(huán)時間實(shí)際上等于兩個特有測量事件之間的時間量。表2總結(jié)重要的電力循環(huán)因素，包括感測器資料手冊中規(guī)定或藉由該簡單分析過程產(chǎn)生的因素，以及完全啟動(電力循環(huán))和休眠模式恢復(fù)(休眠循環(huán))的次數(shù)。

　　在這里休眠循環(huán)非常有利。然而，如果將循環(huán)時間增加至每分鐘取樣一次(TC=60s)，電力循環(huán)方式的平均功率消耗會是0.2毫瓦(mW)，而休眠循環(huán)方式為1.2毫瓦。

　　休眠模式保留全部初始值，同時關(guān)閉系統(tǒng)其余部分。盡管保持這些設(shè)定值需要一定功率，但恢復(fù)時間要比重新完全啟動的時間更快。業(yè)界已研發(fā)一款傾斜感測器，具有可程式休眠時間和自動喚醒功能，這種解決方案非常適用于那些可發(fā)出資料就緒訊號來執(zhí)行喚醒功能的主處理器，在讀取所需資料后，命令感測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)例是振動感測器，該感測器收集并儲存振動資料后，自動返回休眠模式，然后啟動對另一測量事件的倒數(shù)計(jì)時。這種感測器非常適合須要進(jìn)行周期性監(jiān)控的系統(tǒng)，毋須分配處理器資源管理休眠模式和資料收集模式。

　　這里藉由簡單的分析提供部分有用的深度資訊。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。在上述范例中，須要以1SPS速率進(jìn)行傾斜測量的系統(tǒng)采用休眠模式，省電能力提高四倍。此處，休眠模式針對最高6s的測量循環(huán)時間可實(shí)現(xiàn)節(jié)能。對于測量循環(huán)時間更長的系統(tǒng)，與關(guān)機(jī)性能相關(guān)的功率消耗更低，進(jìn)而使得平均功率位準(zhǔn)更低。

　　無論是出于經(jīng)濟(jì)因素還是環(huán)保因素，降低功率消耗的要求都很普遍。降低功率消耗可以減小電源轉(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)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，降低電磁干擾(EMI)輻射，有利于環(huán)境影響評等。

　　對于重視高整合度的感測器產(chǎn)品，但又不得不盡可能降低功率消耗的工程師而言，本文提到的概念和分析方法提供一個很好的起點(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，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--“信任，但要驗(yàn)證!”最能說明該如何確保最終成功實(shí)現(xiàn)。要追蹤重要假設(shè)，例如安定準(zhǔn)確度(3mg)及熱安定因素是否會有影響。如果有合適的硬體，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，因這些假設(shè)不僅能讓工程師設(shè)計(jì)出理想產(chǎn)品，并可調(diào)整新的假設(shè)值，用于之后的電源管理分析。