自給自足，無線溫度傳感器的設(shè)計(jì)方案解析 - 全文

　　現(xiàn)在不必面對(duì)在工廠內(nèi)部布設(shè)電纜帶來的挑戰(zhàn)和高成本問題了，因?yàn)榭梢园惭b可靠的、工業(yè)級(jí)強(qiáng)度的無線傳感器，這些傳感器可以靠小型電池工作很多年，或者依靠從光、振動(dòng)或溫度變化等可用來源收集的能量工作。

　　凌力爾特提供設(shè)計(jì)高性能、可靠、低功率無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所需的所有元件。本文所述案例是一個(gè)真實(shí)的設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)整合了一個(gè)高分辨率溫度傳感器、一個(gè)電源管理電路和一個(gè)低功耗無線電模塊，其中電源管理電路用太陽能 （可用時(shí)） 和備份電池 （需要時(shí)） 供電，而無線電模塊則自動(dòng)地構(gòu)成一個(gè)可靠的網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)，以無線方式將所有傳感器連接到一個(gè)中央接入點(diǎn)。

　　設(shè)計(jì)概述

　　圖 1 顯示了該設(shè)計(jì)的方框圖。溫度傳感器基于一個(gè)熱敏電阻器，該熱敏電阻器由低噪聲 LT6654 電壓基準(zhǔn)偏置。24 位ΔΣ ADC LTC2484 讀取熱敏電阻器的電壓，并通過 SPI 接口報(bào)告讀取的結(jié)果。LTP5901 是無線電模塊，不僅含有無線電單元，還含有自動(dòng)構(gòu)成 IP 網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)所需的連網(wǎng)固件。此外，LTP5901 還有一個(gè)內(nèi)置的微處理器，該微處理器讀取 LTC2484 ADC SPI 端口，并管理面向信號(hào)鏈路組件的電源排序。LTC3330 是一款低功率、開關(guān)模式雙輸出電源，當(dāng)可得到足夠的光照時(shí)，LTC3330 靠太陽能電池板供電，當(dāng)光照不足但需要保持輸出電壓穩(wěn)定時(shí)，LTC3330 用電池供電。LTC3330 還含有一個(gè) LDO，用來設(shè)定溫度傳感器供電電源的占空比。

　　圖 1：通過將無線電模塊連至ADC、基準(zhǔn)和熱敏電阻器以構(gòu)成無線溫度傳感器。該電路由一個(gè)可從電池或太陽能電池板獲取電能的能量收集器供電。（BATTERY：電池;SOLAR PANEL：太陽能電池板;DUTY CYCLED：所設(shè)定的占空比;WIRELESS NETWORK：無線網(wǎng)絡(luò);THERMISTOR BRIDGE：熱敏電阻器電橋）

　　信號(hào)鏈路

　　這個(gè)設(shè)計(jì)用一個(gè)熱敏電阻器測量溫度。熱敏電阻是非常適合在溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出人們感興趣的典型環(huán)境溫度范圍中讀取溫度值。熱敏電阻器指的是具備很大負(fù)溫度系數(shù)的電阻器。例如，器件型號(hào)為 KS502J2 （按照 US Sensor 公司的規(guī)定） 的熱敏電阻，在 25°C 時(shí)阻值為 5kΩ，在 -30°C 至 +70°C 溫度范圍內(nèi)，電阻值從 88kΩ 變化到 875Ω。

　　該熱敏電阻器與兩個(gè)準(zhǔn)確的 49.9kΩ 電阻串聯(lián)，并由精確的電壓基準(zhǔn) LT6654 偏置 （圖 2）。LTC2484 ΔΣ ADC 以 24 位分辨率測量電阻分壓器的分壓比。該 ADC 的總體未調(diào)整誤差為 15ppm，對(duì)于本文應(yīng)用所用的熱敏電阻器斜率而言，這對(duì)應(yīng)于少于 0.05°C 的溫度不確定性。這個(gè)熱敏電阻器規(guī)定的溫度準(zhǔn)確度為 0.1°C，因此無需任何校準(zhǔn)，所測量的溫度就能達(dá)到這樣的準(zhǔn)確度。

　　圖 2：采用 LTC2484 24 位 ADC 讀取熱敏電阻的電壓。因?yàn)檩斎牍材ｋ妷菏侵弥校?Easy Drive ADC 不吸取輸入電流，從而很容易準(zhǔn)確獲得成比例的讀數(shù)。（3-WIRE SPI INTERFACE：3 線 SPI 接口）

　　該 ADC 的噪聲低于 4μVp-p，這對(duì)應(yīng)不到 0.005°C 的溫度變化。因此，通過校準(zhǔn)，這個(gè)系統(tǒng)可以用來以極其精細(xì)的分辨率測量溫度。既然 ADC 測量熱敏電阻電壓與基準(zhǔn)電壓值之比，所以嚴(yán)格說來，基準(zhǔn)電壓無需準(zhǔn)確。但是它必須是低噪聲的，因?yàn)樵?ADC 轉(zhuǎn)換時(shí)，基準(zhǔn)電壓變化可能引起誤差。

　　LTC2484 ADC 采用了 Easy Drive輸入結(jié)構(gòu)。這意味著在轉(zhuǎn)換時(shí)的凈差分采樣電流接近為零。因此，流經(jīng)阻性熱敏電阻器網(wǎng)絡(luò)的輸入采樣電流不引起任何測量誤差，這意味著，無需單獨(dú)的運(yùn)算放大器緩沖器。旁路電容器在高頻時(shí)提供一條低阻抗通路。在很多情況下，不需要不斷測量溫度，而是每秒測量一次甚至每分鐘只測量一次。在系統(tǒng)未測量溫度時(shí)，節(jié)省功耗是有意義的。如下所述，這個(gè)應(yīng)用電路正是這么做的。

　　電阻器網(wǎng)絡(luò)從 2.5V 基準(zhǔn)吸取最大 25μA 電流。為了避免測量之間的功率損耗，將基準(zhǔn)電源的工作周期調(diào)整為僅在測量期間導(dǎo)通。ADC 輸入的 RC 時(shí)間常數(shù)大約為 5ms。通過在進(jìn)行測量之前 80ms接通電源，可確保 ADC 輸入完全穩(wěn)定。實(shí)際上，既然兩個(gè)輸入節(jié)點(diǎn)以相同的斜率接通，所以遠(yuǎn)遠(yuǎn)不用理論的穩(wěn)定時(shí)間那么久，讀數(shù)就已準(zhǔn)確。LT6654 由 LTC3330 的 3V LDO 輸出供電。在讀取溫度讀數(shù)之前和之后的恰當(dāng)時(shí)間，LTP5901 微處理器驅(qū)動(dòng) LTC3330 中 LDO 的使能引腳至高電平和低電平。

　　在未進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)，LTC2484 自動(dòng)進(jìn)入休眠模式。與無線電已經(jīng)很低的功率相比，1μA 的睡眠電流更低。因此，不必設(shè)定至 ADC 供電電源的占空比。通過保持 ADC 的電源電壓始終與 LTP5901 相同，可確保 SPI 接口上的邏輯電平始終保持不變，這有助于實(shí)現(xiàn)簡單的設(shè)計(jì)。

　　通過 SPI 端口提供轉(zhuǎn)換結(jié)果以后，LTC2484 自動(dòng)地開始進(jìn)行新的轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲(chǔ)到其內(nèi)部寄存器中，直到用戶再次要求讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。在需要非常頻繁地讀取溫度值的系統(tǒng)中，這種工作方式是非常便利。但是，有些超低功率應(yīng)用可能在兩次讀數(shù)之間等待很長時(shí)間。為了確保提供給用戶的溫度數(shù)據(jù)始終是“新鮮”的讀數(shù)，這類應(yīng)用首先切換 CSb 和 SCK 引腳，以將“陳舊的”溫度讀數(shù)從 ADC 寄存器中移出，然后自動(dòng)地開始進(jìn)行新的溫度轉(zhuǎn)換。微處理器一直等待到轉(zhuǎn)換結(jié)束為止，然后通過 SPI 端口讀取結(jié)果。即使新的溫度讀取過程會(huì)再次自動(dòng)開始，但是系統(tǒng)接下來會(huì)關(guān)閉熱敏電阻器網(wǎng)絡(luò) （通過關(guān)閉 LDO），因?yàn)檫@些額外的溫度讀數(shù)隨后將被忽略。

　　該溫度傳感器電路的總功耗可以按如下方法估計(jì)。首先，求基準(zhǔn) （350uA）、熱敏電阻器網(wǎng)絡(luò) （25μA） 和 ADC （轉(zhuǎn)換時(shí)為 160μA） 的電流之和，所得總電流為 535μA （參見表 1）。然后，考慮這一電流持續(xù)多長時(shí)間。ADC 每次轉(zhuǎn)換大約耗時(shí) 140ms，在每次轉(zhuǎn)換之前，等待 80ms，以讓基準(zhǔn)和熱敏電阻器穩(wěn)定。再加上一些 SPI 讀數(shù)所需時(shí)間，這樣接通時(shí)間大約為 300ms。在 300ms時(shí)間內(nèi)消耗 535μA 電流，相應(yīng)于 160μC 的電荷量。我們應(yīng)該在這個(gè)電荷量之上，再加上給 4.7μF 電源旁路電容器充電至電壓基準(zhǔn)所需的電荷量，因?yàn)槊看巫x數(shù)時(shí)這個(gè)節(jié)點(diǎn)都從 0V 充電至 3V。加上這個(gè) 14μC 的電荷量，每次讀取溫度數(shù)據(jù)時(shí)所需的總電荷量為 174μC。如果每隔 10 秒讀取一次溫度數(shù)據(jù)，那么就可計(jì)算出，平均電流消耗為 17μA。其他平均電源電流的例子在表 2 中給出。

　　表 1：信號(hào)鏈路電流消耗 （工作時(shí)）

　　表 2：基于溫度讀取頻率進(jìn)行電源管理的信號(hào)鏈路的平均電流消耗

　　LTC3330 管理這個(gè)應(yīng)用的所有電源。該芯片含有兩個(gè)開關(guān)模式電源和一個(gè)線性穩(wěn)壓器，采用小型單片封裝。降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器可從電池取得功率，以保持穩(wěn)定的輸出電壓 （對(duì)這個(gè)應(yīng)用而言設(shè)定為 3.6V）。一個(gè)單獨(dú)的降壓型轉(zhuǎn)換器可從太陽能電池板取得功率，也將輸出電壓調(diào)節(jié)至相同的值。一個(gè)內(nèi)部優(yōu)先級(jí)區(qū)分器確保盡可能使用太陽能電源，僅當(dāng)需要時(shí)才會(huì)從電池吸取功率 （圖 3）。對(duì)于其他應(yīng)用，LTC3330 還支持 AC 能量收集電源，例如產(chǎn)生與振動(dòng)能量成比例的 AC 電壓之壓電晶體 （參見圖 4）。

　　圖 3：LTC3330 從太陽能電池板或電池取得功率，自動(dòng)地設(shè)定這兩種電源的優(yōu)先級(jí)，以保持穩(wěn)定輸出電壓。一個(gè)額外的 LDO 輸出由邏輯輸入引腳控制，這用來設(shè)定溫度傳感器電源的占空比。LTC3330 產(chǎn)生一個(gè)輸出標(biāo)記，以指示正在使用的是太陽能電源還是電池電源。（SOLAR PANEL：太陽能電池板;BATTERY：電池）

　　圖 4：LTC3330 能量收集型 DC/DC 電池壽命延長器從壓電、太陽能或磁性能源收集能量。

　　LTC3330 吸取不到 1μA 靜態(tài)電流，非常適合這種低功耗無線應(yīng)用。電源功耗僅占總功耗的一小部分，所以大部分功率可用于“負(fù)載” （即溫度傳感器和無線網(wǎng)絡(luò)）。

　　除了這兩個(gè)開關(guān)模式電源，LTC3330 還含有一個(gè)具備單獨(dú)使能引腳的 LDO。這功能對(duì)于這類占空比的應(yīng)用是很有用。電壓基準(zhǔn)和熱敏電阻器網(wǎng)絡(luò)用該 LDO 供電。這不僅降低了開關(guān)噪聲，還允許應(yīng)用切換信號(hào)鏈電源接通和關(guān)斷，同時(shí)保持無線電模塊的電源始終接通。即使無線電模塊在兩次傳輸之間不消耗太多功率，但是它必須始終保持偏置，以保持定時(shí)器正確運(yùn)行，這樣整個(gè)網(wǎng)絡(luò)就能保持時(shí)間同步了。無線電模塊內(nèi)的微處理器在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間給 LDO 使能引腳排序，使信號(hào)鏈路為讀取溫度數(shù)據(jù)做好準(zhǔn)備。

　　LTC3330 提供一個(gè)輸出標(biāo)記 （EH_ON），該標(biāo)記說明系統(tǒng)是在由電池還是太陽能電池板供電。能夠?qū)崟r(shí)訪問這一信息對(duì)最終用戶來說可能很重要。因此，我們讓無線電模塊中的微處理器讀取這一輸出標(biāo)記，并通過網(wǎng)絡(luò)與溫度數(shù)據(jù)一起傳送這一信息。EH_ON 輸出的邏輯電平是對(duì)于 LTC3330 的一個(gè)內(nèi)部偏置電壓，該偏置電壓隨工作模式不同而改變，可能高于 4V。我們不是將這個(gè)輸出引腳直接連接到電壓較低的無線電模塊邏輯輸入，而是對(duì)其進(jìn)行分壓，然后將其饋送給一個(gè)內(nèi)置的 10 位 ADC，該 ADC 是微處理器的組成部分。在本文情況下，我們僅將這個(gè) ADC 作為比較器使用，以指示 LTC3330 正在使用哪個(gè)電源。

　　無線網(wǎng)絡(luò)

　　LTP5901 是一個(gè)完整的無線電模塊，含有無線電收發(fā)器、嵌入式微處理器和網(wǎng)絡(luò)軟件。其物理設(shè)計(jì)由一塊小型印刷電路板組成，可非常容易地焊接到包含該應(yīng)用其余部分 （信號(hào)鏈路和電源管理） 之主電路板上。

　　在這個(gè)應(yīng)用中，LTP5901 執(zhí)行兩種功能：無線網(wǎng)絡(luò)和內(nèi)務(wù)處理微處理器 （圖 5）。當(dāng)給一個(gè)網(wǎng)絡(luò)管理器附近的多個(gè) LTP5901 節(jié)點(diǎn)加電后，這些節(jié)點(diǎn)相互自動(dòng)識(shí)別，并形成一個(gè)無線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)完成時(shí)間同步，這意味著每個(gè)無線電模塊都僅在非常短的特定時(shí)間間隔內(nèi)加電。因此，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以既發(fā)揮傳感器信息源的作用，又作為路由節(jié)點(diǎn)，以向管理器轉(zhuǎn)發(fā)來自其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。這樣，即使所有節(jié)點(diǎn) （包括路由節(jié)點(diǎn)） 都以非常低的功率工作，依然可以建立一個(gè)高度可靠的低功耗網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)到管理器都有多條通路可用。這種無線電技術(shù)典型的節(jié)點(diǎn)間傳送距離為 100 米，在有利的戶外條件下，距離甚至可以更長。

　　圖 5：LTP5901-IPM 僅需要非常少的連接，就能運(yùn)行整個(gè)應(yīng)用。所有無線網(wǎng)絡(luò)功能 （包括固件和 RF 電路） 都已經(jīng)內(nèi)置在該模塊中。3線 SPI 主器件與 LTC2484 的 SPI 端口通信。GPIO 引腳 （DP2） 控制傳感器電源排序。內(nèi)置 ADC 充當(dāng)便利的電平轉(zhuǎn)換器，從 LTC3330 讀取能量收集狀態(tài)標(biāo)記 EH_ON。

　　LTP5901 含有一個(gè) ARM Cortex-M3 微處理器內(nèi)核，該內(nèi)核運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)軟件。此外，這個(gè)內(nèi)核還可通過用戶提供的固件來設(shè)定，以執(zhí)行特定于用戶應(yīng)用的任務(wù)。因此，無需任何第三方微處理器，就能夠?qū)崿F(xiàn)很多應(yīng)用。在本文例子中，LTP5901 內(nèi)部的微處理器通過在合適的時(shí)間接通和斷開 LTC3330 的 LDO 來管理溫度傳感器的電源排序，以在兩次溫度讀取之間節(jié)省功率。LTP5901 直接與 24 位 ADC 的 SPI 端口通信，該 ADC 讀取溫度傳感器提供的溫度值。最后，LTP5901 從 LTC3330 讀取電源狀態(tài)輸出標(biāo)記 （EH_ON），該標(biāo)記指示用來給電路供電的是太陽能還是電池。

　　無線電模塊的功耗可以用凌力爾特在官網(wǎng)在線提供的工具“SmartMesh功率與性能估計(jì)器 （SmartMesh Power and Performance Estimator）”來估計(jì)。對(duì)于一個(gè)有 20 個(gè)節(jié)點(diǎn) （其中 10個(gè)節(jié)點(diǎn)以無線方式直接連接到管理器 （1 跳），另外 10 個(gè)節(jié)點(diǎn)間接連接到管理器 （兩跳） ） 的典型網(wǎng)絡(luò)而言，兩跳節(jié)點(diǎn)的平均功耗約為 20μA，1 跳節(jié)點(diǎn)則為 40μA。這些數(shù)字是在每個(gè)節(jié)點(diǎn)每 10 秒報(bào)告一次溫度數(shù)據(jù)的情況下得出的。1 跳節(jié)點(diǎn)消耗大約兩倍功率的原因是，它們不僅發(fā)送自己的傳感器數(shù)據(jù)，還充當(dāng)路由節(jié)點(diǎn)，轉(zhuǎn)發(fā)一些兩跳節(jié)點(diǎn)的傳感器數(shù)據(jù)。如果關(guān)閉一種稱為 “Advertising”（宣告） 功能，那么上述功率可以進(jìn)一步減少兩倍。一旦“宣告”功能關(guān)閉，網(wǎng)絡(luò)就不再識(shí)別想加入網(wǎng)絡(luò)的新節(jié)點(diǎn)。除了這點(diǎn)不同，關(guān)閉廣告功能對(duì)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行沒有任何影響。

　　總體功耗

　　完整應(yīng)用電路的總體功耗視各種不同因素而有所不同，其中包括每個(gè)傳感器測量溫度的頻度以及所有節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的配置方式。對(duì)于一個(gè)每 10 秒報(bào)告一次溫度數(shù)據(jù)的傳感器節(jié)點(diǎn)而言，典型功耗為傳感器部分低于 20μA，無線電模塊部分可能為 20μA，總的平均負(fù)載電流約為 40μA。

　　小型 2 英寸 x 2 英寸太陽能電池板 （例如 Amorton 系列） 甚至在相對(duì)中等的室內(nèi)照明條件下 （200 流明），也可產(chǎn)生 40μA 電流，而在強(qiáng)光照條件下，則能夠產(chǎn)生大得多的電流。這意味著，在很多條件下，這個(gè)應(yīng)用可以完全依靠太陽能電池板電源運(yùn)行。如果該電路處于黑暗中，需要完全靠電池電源運(yùn)行，那么一節(jié) 2.4Ah AA 電池 （例如 Tadiran XOL 系列） 可給該應(yīng)用供電差不多7 年。在較低或可變光照條件下，該電路自動(dòng)在太陽能電源和電池電源之間來回切換，以便盡可能利用太陽能，以延長電池壽命。

　　結(jié)論

　　凌力爾特的信號(hào)鏈路、電源管理和無線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品可用來實(shí)現(xiàn)完整、真正的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。該時(shí)間同步無線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)確保用最少的功率，可靠地在節(jié)點(diǎn)間傳送數(shù)據(jù)。內(nèi)置的微處理器可設(shè)定傳感器電路電源的占空比。高效率、高集成度電源管理 IC 可完全用小型太陽能電池板給該應(yīng)用供電，或者用一個(gè)小型電池給該應(yīng)用供電很多年。