现代检测低功耗与网络化技术

关于现代检测低功耗与网络化技术1概述传感器实现低功耗的意义节能、

解决电磁兼容问题、降低成本，提高可靠性无线传感器续航、减小体积与质量实现自供电的前提条件传感器实现低功耗的主要途径低占空比-在满足性能要求的前提下低功耗敏感器件与自源型传感器调理电路低功耗电源管理第2页,共36页，2024年2月25日，星期天1概述传感器实现网络化的意义信息获取管理多传感器协同工作

第3页,共36页，2024年2月25日，星期天2、信号调理电路的低功耗设计原则1）常用信号调理电路功能类型根据传感器输出的参量类型及其调理方式分类:(a)电阻型;(b)电容型;(c)电感型;(d)互感型;(e)电压型;(f)电流型;(g)电荷型;(h)脉冲型.不同参量传感器的工作原理与信号调理作用如下表所示:第4页,共36页，2024年2月25日，星期天2、信号调理电路的低功耗设计原则不同参量传感器的工作原理与信号调理的作用传感器类型工作原理信号调理电路的作用电阻型传感器将被测量转换为电阻的变化将电阻变化转换为易测量的电参数电容型传感器将被测量转换为电容的变化将电容变化转换为易处理的电信号电感型传感器将被测量转换为电感的变化将电感变化转换为易处理的电信号互感型传感器将被测量转换为互感的变化将互感或感应电势的变化转换成电压或电流变化电压(电动势)型传感器将被测量转换为电压或电动势的变化将微弱的电动势或电压变化转换为较强的电压或电流变化电流型传感器将被测量转换为电流的变化对输出的微弱电流进行放大，将其变换成较强的电压或电流电荷型传感器将被测量转换为电荷的变化将电荷量转换成较强的电压或电流脉冲(数字)型传感器将被测量转换为脉冲序列或数字信号对脉冲序列计数并转成所需形式；将编码信号转换成相应数字信号第5页,共36页，2024年2月25日，星期天2、信号调理电路的低功耗设计原则(2)常用的信号调理技术手段(a)阻抗匹配;(b)信号放大;(c)传感器激励;(d)信号滤波;(e)信号隔离;(f)信号线性化;(g)信号变换;(h)功率驱动.(3)四种常见调理电路(a)信号放大电路:经由传感器或敏感元件转换后输出的信号微弱，如mV级、

V级甚至更弱，利用前需先放大。设计方案选择原则:优先考虑功耗低、集成度高的放大方案常用放大器:仪用放大器、可编程增益放大器、隔离放大器第6页,共36页，2024年2月25日，星期天2、信号调理电路的低功耗设计原则

典型放大器示例如下表所示：

常见隔离放大器特点比较：

变压器隔离放大器相对其他种类的功耗大；使用光电隔离放大器不需外接任何器件，功耗相对低；在信号隔离放大电路设计中应优先考虑光电隔离放大器。种类典型器件仪用放大器AD620、AD627、AD522、INA101等可编程增益放大器AD526、LH0084、PGA102等隔离放大器变压器隔离放大器AD202、AD203、AD204、ISO212P等光电隔离放大器ISO100电容隔离放大器ISO106、ISO122等第7页,共36页，2024年2月25日，星期天

(3)四种常见调理电路

信号滤波电路数字滤波的缺点：分辨率有限、动态范围小、响应慢选用原则：在满足滤波性能要求的前提下尽可能选数字滤波方式；设计模拟滤波时，尽可能使用集成解决方案。2、信号调理电路的低功耗设计原则常用集成滤波器

典型器件低通电源开关滤波器MAX7420、MAX7480、MAX7419、MAX7418可配置开关电容滤波器MAX260、MAX263连续时间低通滤波器LTC1563-2、LTC6605、LTC6604、LTC1563-3连续时间可配置滤波器MAX274、MAX275、LTC1562第8页,共36页，2024年2月25日，星期天(2)四种常见调理电路(c)

信号变换电路例如采用电压/频率变换，以频率调制电压信号，以便电气隔离和数字化；用交/直流变换提取输入信号的交流参数等选用原则:优先考虑选用外围元器件少的集成器件的方案。常用集成变换器类型典型器件集成电压/频率变换器AD537、AD650、AD652、VFC32K、VFC100A、LM331、RC4151集成交流/直流变换器AD536、AD636、AD637上表中，AD652相对AD650所需外围器件更少2、信号调理电路的低功耗设计原则常见集成变换器类型第9页,共36页，2024年2月25日，星期天

(2)四种常见调理电路(d)

信号线性化电路可通过硬件电路或软件电路实现软硬件电路的优缺点：硬件线性化实时性好，但实现较困难且范围有限、功耗大；软件易实现、功耗小，但有延时选用原则：满足实时性要求前提下优先考虑软件线性化。不能采用软件线性化时，选用集成模拟运算器件实现。(3)低功耗设计遵循的基本原则(a)采用低功耗器件；(b)采用宽电源输入器件(c)采用高集成度专用器件；(d)优先考虑单一规格的电源(e)自动休眠的工作方式;(f)采用“按需使用”的工作方式2、信号调理电路的低功耗设计原则第10页,共36页，2024年2月25日，星期天3、低功耗电源管理技术动态电源管理设计电源调整和按负载多方式分时供电传感器的电源调整根据负载大小和特点采用多方式供电第11页,共36页，2024年2月25日，星期天3低功耗电源管理技术1）概述电源管理技术按时间顺序对电子系统的电流和电压进行控制电源管理的目的

在不影响性能的基础上将电源有效分配给系统不同组件；尽可能减少不必要的电能消耗，避免浪费。电源管理实现方案硬件方案和软件方案硬件方案：将电源管理策略直接实施到芯片电路中；将电源管理策略写入固件驱动中，如BIOS。软件方案:静态电源管理和动态电源管理第12页,共36页，2024年2月25日，星期天3低功耗电源管理技术1）概述电源管理实现方案硬件方案：处理器电源管理功能，具体包括三点：①将处理器划分成不同的性能状态，每个状态对应一定的功耗和性能参数，这样处理器可以根据系统的负载选择满足性能需求的最小功耗的性能状态。②通过时钟门控电路控制处理器各种端口的电源，防止能量泄漏。③内部集成温度传感器，根据运行时温度变化动态调整处理器频率和电压。例如TI公司的OMAP处理器，不仅可以根据负载的情况在运行时调整CPU电压、CPU频率，同时还可以通过关闭CPU上一些部件，如高速缓存，可极大地降低系统的功耗。第13页,共36页，2024年2月25日，星期天3低功耗电源管理技术

2）动态电源管理设计电子电路的总能耗是活动能耗与静态能耗之和，活动能耗在电子电路工作或逻辑状态转换时产生，静态能耗是由晶体管漏电流产生的。电子电路的功率为：P=CUdd2fc+UddIq

其中，C为电容；fc为时钟频率；Udd为电源电压；Iq为漏电流;CUdd2fc为活动能耗，UddIq为静态能耗。晶体管漏电不可控，动态电源管理设计以控制活动能耗为主。两种管理活动能耗的方法。(1)时钟选通与调节。当停止电路时钟，活动能耗为零，关闭暂不使用的电路模块的时钟，可减少整个系统的活动能耗。(2)电压供应选通与调节。如果电路模块的电压为零，则活动能耗与静态能耗都为零，电路模块处于最低能耗状态。将暂不使用的电路模块的电压供应切断或降低，可节能。 第14页,共36页，2024年2月25日，星期天

3低功耗电源管理技术2）动态电源管理设计动态电源管理是在空闲时降低或关闭电路模块的电压或频率，但都会引入额外的电能消耗，甚至高于正常的消耗。动态电源管理就是要选择一个合适的动态电源管理策略，适时切换电能状态，在最小性能损失下达到节能效果。

三种策略:(a)超时策略;(b)预测策略;(c)随机策略.策略类型原理特点超时策略当Idle时段开始后，启动定时器，在timeout时间内有新任务，不进行电能状态切换；否则timeout时间过后切换电能状态置为节能模式(sleep)。简单，使用最为广泛预测策略通过学习过去负载的情况对未来负载情况进行预测，在输入数据的特性和当前系统性能的基础上动态地改变阈值，使系统性能得到优化。合理高效随机策略将动态电源管理问题看成是一个随机最优化问题，利用受控的Markov过程来研究具有不确定性第15页,共36页，2024年2月25日，星期天3

低功耗电源管理技术3）电源调整和按负载多方式分时供电(a)传感器的电源调整目的:满足功能和性能要求+节能；前者包括调压、稳压、负载能力匹配等要求；后者是要求低功耗、高能效。传感器供电没有标准化，而稳压源有规格，电源必需调整.电源调整方式:升压、降压、升/降压,自动进入节能模式电源调整器件功能能效性线性−LDO(线性低压差稳压器)只降压，电源提供电压低于传感器最低工作电压时器件不能工作。有电流就总存在负载压降，负载电流越大能量消耗也就越大开关−DC/DC可实现升压、降压、升/降压调整负载电流太小时，能量效率很低第16页,共36页，2024年2月25日，星期天3

低功耗电源管理技术3）电源调整和按负载多方式分时供电(b)根据负载大小和特点采用多方式供电多方式供电:电池直接供电、经过电源调整后供电、处理器I/O口供电等方式，并实现自动选择。(c)分时供电多电源分时供电：传感器系统有太阳能或其他能量补给途径时，采用分时供电方式，在有其他能源补给时，断开主供电源-电池的供电，及时充分利用这些辅助能源的补给。电源模块功能控制结构图第17页,共36页，2024年2月25日，星期天3

低功耗电源管理技术

3）电源调整和按负载多方式分时供电

(c)分时供电单电源错峰供电：单电源情况下对多负载采取错峰供电方式例如，无线发射时CPU不做高强度信号处理；A/D转换时,明显增加负载的后续操作暂缓等。右图为一种实现节点错峰的模块顺序工作时序示例。分时结合多方式供电:通过电源管理减小电池的工作电流，提高电源的整体能效。第18页,共36页，2024年2月25日，星期天12.04.2024194网络化智能传感器及接口标准网络化智能传感器网络化传感器概述网络化传感器的结构网络化传感器的类别智能传感器接口标准——IEEE1451IEEE1451概述IEEE1451标准的关键技术特征第19页,共36页，2024年2月25日，星期天12.04.202420

4网络化智能传感器及接口标准1）网络化智能传感器(1)网络化传感器概述技术构成：计算机技术、通信技术与传感器技术的结合形成了网络化传感器技术，其构成如图所示。第20页,共36页，2024年2月25日，星期天12.04.2024214网络化智能传感器及接口标准1)网络化智能传感器(1)网络化传感器概述定义：以嵌入式微处理器为核心，集成了传感单元、信号处理单元和网络接口单元的新一代传感器。网络化传感器的优点：(a)使传感器由单一功能、单一检测向多功能、多点检测方向发展，使信息处理由被动检测转向主动检测，由就地检测转向远距离实时在线检测。(b)引入嵌入式技术和集成电路技术，使传感器功耗降低、体积减小、抗干扰性和可靠性提高，更能满足应用需要。(c)使传感器可就近接入网络、可通过总线串在一起，减少现场线缆，方便布线，节省投资，易于系统维护和扩展。第21页,共36页，2024年2月25日，星期天12.04.2024224网络化智能传感器及接口标准

1)网络化智能传感器(1)网络化传感器概述网络化传感器的优点：(d)可实现资源共享，传感器采集数据可供多用户使用，从而降低测量系统的成本。(e)输出为数字信号，其传输过程无精度损失，可保证系统精度。第22页,共36页，2024年2月25日，星期天4网络化智能传感器及接口标准1)网络化智能传感器(2)网络化传感器的结构网络化传感器采用标准的网络协议并通过模块化的结构将智能化传感器与网络技术有机地结合起来，其基本结构如下图所示。12.04.202423网络化传感器的基本结构第23页,共36页，2024年2月25日，星期天4网络化智能传感器及接口标准

1)网络化智能传感器(3)网络化传感器的类别12.04.202424分类依据类别相关内容按传输介质分类有线网络传感器采用固体介质来进行信息传输，如铜线或光纤等无线网络传感器在自由空间中进行信息传输，其传输信道可以是光通信、红外通信或者无线电通信，其中应用较多的是基于无线射频通信如zigbee或蓝牙协议方式。按网络接口分类基于现场总线的网络化传感器现场总线是指连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输及多分支结构的通信网，其关键标志是支持全数字通信，主要特点是可靠性高。基于以太网的网络化传感器不仅可直接接入Internet或Intranet，还可做到即插即用。由于采用统一的网络协议，不同厂家的网络化传感器可以直接互换与兼容。第24页,共36页，2024年2月25日，星期天12.04.2024254网络化智能传感器及接口标准2)智能传感器接口标准——IEEE1451(1)IEEE1451概述制定IEEE1451的目的:开发一种软硬件的连接方案，使变送器(传感器/执行器)同微处理器、仪器系统或网络连接，此标准不仅允许各厂家生产的传感器支持多种网络，还允许用户根据实际情况选择传感器和(有线或无线)网络，并支持即插即用，最终实现各厂家产品的互换性与互操作性。IEEE1451的特点:(a)传感器软件应用层的可移植性；(b)传感器应用的网络独立性；(c)传感器的互换性。第25页,共36页，2024年2月25日，星期天4网络化智能传感器及接口标准2)智能传感器接口标准——IEEE1451(1)IEEE1451概述IEEE1451功能模型:为提升数据获取、分布式传感与控制功能，以及建立开放式系统，通过系列技术手段把传感器节点设计与网络实现分隔开来，其中包括传感器自识别、自配置、远程自标定、长期自身文档维护、简化传感器升级维护以及增加系统与数据的可靠性等。12.04.202426IEEE1451定义的智能传感器功能模型

第26页,共36页，2024年2月25日，星期天4网络化智能传感器及接口标准2)智能传感器接口标准——IEEE1451(1)IEEE1451概述IEEE1451的两种功能模块与结构模型：(a)网络适配处理器模块(networkcapableapplicationprocessor，NCAP)(b)变送器接口模块(transducerinterfacemodule，TIM)TIM及NCAP典型结构模型：

12.04.202427第27页,共36页，2024年2月25日，星期天12.04.202428标准名称与描述状态TIM到NCAP通信NCAP与

外网通信使用1451.0通用TEDS和命令主要特点IEEE1451.0:2007智能传感器接口标准颁布所有是,NCAP是定义了1451所有成员接口的通用特征IEEE1451.1:1999网络适配器信息模型颁布

否网络与NCAP,NCAP与NCAP,NCAP与TIM之间的通信：面向对象软件提纲IEEE1451.2:1997传感器与微处理器通信协议和TEDS格式颁布增强SPI接口和协议是,NCAP否点对点,NCAP与TIM通信采用增强的SPIIEEE1451.2:2009传感器与微处理器通信协议和TEDS格式修订UART/RS-232RS-422/RS-485是,NCAP是点对点,NCAP与TIM通信采用通用串行通信标准IEEE1451.3:2003分布式多点系统数字通信与TEDS格式颁布HPNA是,NCAP否多点分布式，告诉内部总线IEEE1451.4:2004混合模式通信协议和TEDS格式颁布MAXIM/Dallas单线通信协议否否低成本小容量TEDS，利用现有模拟传感器IEEE1451.5:2007无线通信协议和TEDS格式颁布蓝牙，802.11和802.15.4是,NCAP是TIM与NCAP采用无线通信协议IEEE1451.6:2004CANopen协议传感器网络接口修订CANopen协议是,NCAP是TIM与NCAP采用CANopen通信协议，应用于本质与非本质安全系统IEEE1451.7:2010RFID系统通信协议和TEDS格式颁布RFID系统通信协议是,NCAP是处理RFID基础结构中的传感器的整合问题第28页,共36页，2024年2月25日，星期天12.04.2024294网络化智能传感器及接口标准2)智能传感器接口标准——IEEE1451(1)IEEE1451概述IEEE1451系列标准工作关系：第29页,共36页，2024年2月25日，星期天4网络化智能传感器及接口标准2)智能传感器接口标准——IEEE1451(1)IEEE1451概述IEEE1451系列标准使用的灵活性：IEEE1451.X标准可一起使用，也可单独使用。IEEE1451.1标准可独立于其他IEEE1451.X硬件接口标准而单独使用；IEEE1451.X也可不需IEEE1451.1而单独使用，但必须要有一个类似IEEE1451.1功能的软件结构模块把IEEE1451.X设备与网络连接。12.04.202430第30页,共36页，2024年2月25日，星期天4网络化智能传感器及接口标准2)智能传感器接口标准——IEEE1451(2)IEEE1451标准的关键技术特征(a)变送器接口(TIM)模块主要功能：向NCAP传输数据和状态信息，TIM借助于IEEE1451.2所定义的10线数据接口TII(transducerindependentinterface)连接到NCAP。(b)网络适配处理器模块(NCAP)模块NCAP介于TIM和数字网络之间，用于从TIM模块获取数据，并将数据转发至不同的现场总线网络，同时实现对TIM模块的智能控制。12.04.202431第31页,共36页，2024年2月25日，星期天4网络化智能传感器及接口标准2)智能传感器接口标准——IEEE1451(2)IEEE1451标准的关键技术特征(c)数字接口:NCAP与TIM的连接通过10线数据接口TII进行，其硬件连接规定如下图所示。TII是基于SPI接口（serialperipheralinterface）协议的点对点、带同步时钟的短距离接口。12.04.202432TII接口示意图第32页,共36页，2024年2月25日，星期天12.04.2024334网络化智能传感器及接口标准2)智能传感器接口标准——IEEE1451(2)IEEE1451标准的关键技术特征TII接口引脚信号定义引脚号信号名称驱动者功能1DCLKNCAP上升沿锁存数据2DINNCAP寻址，NCAP向TIM传输数据3DOUTTIMTIM向NCAP传输数据4NACKTIM触发应答和数据传输应答5COMMONNCAP公共端信号或地6NI