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电压控制提高传感器节点效率
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2022-11-28
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无线传感器节点为物联网 (IoT) 的发展提供了驱动力。无线传感器节点的两个最重要的方面是它们应该对本地环境的变化做出反应，并且具有足够的能源效率，一次电池充电可以存活数年——可能是传感器的整个预期寿命。为了确保传感器只对重要的变化做出反应，越来越复杂的软件将被下载到它们中。这反过来又需要高效的处理器，例如基于 32 位 ARM® Cortex®-M 架构的处理器，或者对于更简单的传感器，需要改进版本的 8 位内核，例如 8051。无线传感器节点为物联网 (IoT) 的发展提供了驱动力。无线传感器节点的两个最重要的方面是它们应该对本地环境的变化做出反应，并且具有足够的能源效率，一次电池充电可以存活数年——可能是传感器的整个预期寿命。为了确保传感器只对重要的变化做出反应，越来越复杂的软件将被下载到它们中。这反过来又需要高效的处理器，例如基于 32 位 ARM® Cortex®-M 架构的处理器，或者对于更简单的传感器，需要改进版本的 8 位内核，例如 8051。系统级功耗由许多变量决定，超出了处理器本身的能效。为提高效率，低能耗 MCU 采用大量智能外设来代表核心处理器控制硬件。这些外设在不同时间运行，并且具有以毫秒为单位变化的功率需求。他们需要灵活的电源架构来支持这一点。系统级功耗由许多变量决定，超出了处理器本身的能效。为提高效率，低能耗 MCU 采用大量智能外设来代表核心处理器控制硬件。这些外设在不同时间运行，并且具有以毫秒为单位变化的功率需求。他们需要灵活的电源架构来支持这一点。需要控制系统各个部分甚至集成到 MCU 本身的外围设备的电源的原因是为了支持低占空比。占空比决定了 MCU 处理器在其生命周期中清醒和处理数据的时间以及断电和睡眠的时间。低占空比很重要，因为系统内的处理器几乎所有时间都在休眠以节省能源。需要控制系统各个部分甚至集成到 MCU 本身的外围设备的电源的原因是为了支持低占空比。占空比决定了 MCU 处理器在其生命周期中清醒和处理数据的时间以及断电和睡眠的时间。低占空比很重要，因为系统内的处理器几乎所有时间都在休眠以节省能源。低占空比策略已被证明在电表设计中非常有效，其中处理器内核可能会在其整个生命周期的 99% 内休眠。它唤醒只是为了从传感器输入收集数据，通常是在预定的时间或响应计划外的中断。智能外设通过检查输入数据来支持这一点，而无需唤醒处理器。仅当超过阈值时，外设才会触发中断，从而导致处理器处理环境变化。此策略可确保仅处理重大更改。那些暗示变化很小的可以在内存中排队，并在处理器内核因其他原因被唤醒时处理。低占空比策略已被证明在电表设计中非常有效，其中处理器内核可能会在其整个生命周期的 99% 内休眠。它唤醒只是为了从传感器输入收集数据，通常是在预定的时间或响应计划外的中断。智能外设通过检查输入数据来支持这一点，而无需唤醒处理器。仅当超过阈值时，外设才会触发中断，从而导致处理器处理环境变化。此策略可确保仅处理重大更改。那些暗示变化很小的可以在内存中排队，并在处理器内核因其他原因被唤醒时处理。例如，在计量应用中，寄存器编码器将天然气或水的流量记录为一系列脉冲。如果没有硬件支持，MCU 的处理器必须唤醒并对 I/O 引脚的状态进行采样以确定开关是打开还是关闭。如果它是一个物理簧片开关，则需要额外的处理来消除开关的抖动并管理上拉电阻以检查它是否是有效脉冲并最小化通过闭合开关的电流消耗。例如，在计量应用中，寄存器编码器将天然气或水的流量记录为一系列脉冲。如果没有硬件支持，MCU 的处理器必须唤醒并对 I/O 引脚的状态进行采样以确定开关是打开还是关闭。如果它是一个物理簧片开关，则需要额外的处理来消除开关的抖动并管理上拉电阻以检查它是否是有效脉冲并最小化通过闭合开关的电流消耗。一种能源优化方法是使用专用输入捕获定时器，该定时器可以在设备处于睡眠模式时自主运行。开关闭合可以累积在硬件寄存器中，几乎不需要软件干预。开关去抖动、上拉电阻管理和自校准等功能可以直接集成到硬件中。通过两个定时器输入，可以支持正交解码功能以确定流向。这提供了回流检测和防篡改功能，两者都用于触发中断，让处理器做出反应并发送警告消息。即使采样率高达 500 Hz，专用低功耗输入捕捉定时器在 3.6 V 时也可以消耗低至 400 nA 的电流，而如果在软件中执行则超过 1 µA。一种能源优化方法是使用专用输入捕获定时器，该定时器可以在设备处于睡眠模式时自主运行。开关闭合可以累积在硬件寄存器中，几乎不需要软件干预。开关去抖动、上拉电阻管理和自校准等功能可以直接集成到硬件中。通过两个定时器输入，可以支持正交解码功能以确定流向。
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