Рубрики

| индикация | события | инструменты | беспроводная связь | датчики | источники питания | компоненты | корпуса | микроконтроллеры | приборы | промышленная мебель | прочее | сетевые решения | силовая электроника | средства разработки | новые технологии |

Интересные статьи

Рубрика: датчики

Беспроводные датчики с автономным питанием

14.01.2008 В статье описано одно из самых перспективных направлений развития электроники - создание сетей беспроводных датчиков с автономным питанием. Рассмотрены принципиальные трудности, возникающие при их разработке, и описаны способы их разрешения с использованием новейших технических решений.

Распределенные сети беспроводных миниатюрных датчиков обещают стать для крупных систем тем же, чем стали для компьютеров и портативных устройств интегральные микросхемы, полностью изменив методы их изучения, разработки и управления. Например, в медицине такие датчики могут быть имплантированы в тело пациента для непрерывного контроля функционирования внутренних органов и обеспечения, при необходимости лечения. В промышленности такие системы могут быть использованы устройства при приемлемых размена больших площадях для контроля влажности, температуры и бесконечного числа других параметров и способны обеспечить предсказание состояния производственных систем и инициацию процедур самовосстановления системы. Использование датчиков в военной технике позволит получать такую жизненно важную информацию, как наличие мин, ядовитых веществ или источников электромагнитного излучения не только для немедленного предупреждения об опасности, но и для изучения поведения техники на поле боя. Это позволит разработчикам та, усовершенствовать следующие поколения военной техники.

Ключевыми элементами, позволяющими реализовать подобную технологию, являются обеспечение высокой плотности размещения и автономности датчиков за счет повышения степени интеграции (что включает в себя и миниатюризацию источников питания), использования высокоэффективных схем управления питанием, а также трансиверов, датчиков и остального схемного обрамления с микромощным энергопотреблением. Типичная структурная схема микродатчика с автономным питанием показана на рисунке.

Блок-схема беспроводного датчика с автономным питанием

Интеграция

Первой проблемой, встающей перед разработчиком автономных датчиков, является интеграция в микросхему источника питания. Такой ИП должен содержать в малом объеме достаточно энергии, чтобы обеспечить его автономное функционирование в течение нескольких дней, месяцев или даже лет. Тонкопленочные литий-ионные аккумуляторные батареи довольно удобны и имеют приемлемую емкость, однако ее недостаточно для питания реального электронного устройства при приемлемых размеpax. Разумной альтернативой представляются гибридные системы на основе микроэлектромеханических топливных элементов [1, 2], дополненных тонкопленочными LiIon аккумуляторами. Управление таким гибридным источником требует систем управления источником питания, обеспечивающим разнонаправленную передачу энергии, как показано на рисунке.

Гибридный источник питания на основе MEMS-топливного элемента и LiIon-аккумулятора

Здесь повышающий преобразователь с токовым управлением используется для преобразования напряжения 0,8…1,4 В, поступающего с двухъячеечного топливного элемента, в напряжение 2,7...4,2 В для подзарядки LiIon полимерной батареи, а повышающий (или понижающий) преобразователь с управлением по напряжению обеспечивает питание остальной электроники беспроводного датчика. Запас энергии и пиковая нагрузочная способность такой системы все еще ограничена ее малыми размерами, что требует использования электроники с наинизшим энергопотреблением. Получение энергии от новых типов встраиваемых генераторов, использующих энергию окружающей среды — кинетическую, солнечную или тепловую, в потенциале может увеличить полный запас энергии в системе, но не пиковую нагрузочную способность, т.к. генераторы такого размера способны производить только единицы пикаджоулей энергии. Интеграция антенн, датчиков и катушек индуктивности, входящих в схемы, показанные на рисунках (см. выше), также представляет собой сложную задачу. Эффективность антенн сильно связана с их геометрией и рабочей длиной волны: ее размер должен быть того же порядка или превышать длину волны. Типовые КМОП-устройства, однако, хорошо работают на частотах порядка 1 ГГц, что значительно меньше оптимального с точки зрения разработчика микроминиатюрных антенн, эффективно работающих в диапазоне около 50 ГГц. Для таких частот лучше всего использовать GaAs или SiGe-микросхемы, однако если антенна может обеспечить хоть скольконибудь приемлемую эффективность (скажем, немногим менее 10%), то лучше использовать обычные кремниевые КМОП-технологии, т.к. это поможет значительно уменьшить стоимость системы. Такая же проблема возникает при реализации дросселей, используемых в наиболее экономичных преобразователях питания: добротность катушек индуктивности в интегральном исполнении не превышает 5, а значения индуктивности — 100 нГ. К счастью, существуют отдельные дроссели с индуктивностью в единицы микрогенри, имеющие достаточно высокую добротность при размерах 2x2x1 мм, что позволяет использовать их в гибридных микросхемах. То же самое относится и к некоторым видам датчиков: хотя и существуют способы формирования на кристалле пьезоэлектрических и температурных сенсоров, при необходимости получения широкого температурного диапазона или высокой точности проще использовать внекристальные датчики давления, влажности и т.д.

Управление энергопотреблением

Даже если удастся достичь теоретического максимума энергоотдачи встроенного источника питания — будь то топливный элемент, LiIon-батарея и даже атомный источник питания — миниатюрный его размер будет сильно ограничивать его абсолютную величину и пиковое значение энергопотребления, так что потребуются специальные методы построения схемы. Уменьшение потребляемой мощности, однако, ухудшает точность обработки сигнала, т.к. вызывает увеличение ошибок в усилителях с ООС (за счет меньшего петлевого усиления), сужения полосы пропускания (за счет уменьшения токов, перезаряжающих паразитные емкости) и уменьшения соотношения сигнал/шум, а также других факторов. Следовательно, соответствующие меры для уменьшения энергопотребления должны предприниматься на всех уровнях — системном, схемном и компонентном.

Первой «линией обороны» является импульсный режим работы при выполнении заданных функций. Например, измерение температуры и влажности нет необходимости производить непрерывно, т.к. эти параметры меняются медленно, с миллисекундной или даже меньшей скоростью. При этом данные не нужно посылать одновременно с проведением измерений. Разнесение во времени процессов измерения параметра и передачи результата измерений уменьшает и среднюю, и пиковую потребляемую мощность. Следует помнить, что возможность использования такого режима определяется конкретным приложением.

Использование транзисторов в допороговых режимах (до отсечки) и общей ООС, а также последовательной обработки сигнала также улучшает соотношение потребляемая мощность/точность. В допороговом режиме МОП-транзисторы работают почти в инверсном режиме при минимальных токах, что подразумевает увеличение ошибок от разброса пороговых напряжений и суженную полосу пропускания (последнее является слабым ограничителем, т.к. требования к полосе пропускания при измерении температуры, влажности и т.п. достаточно низки). Кроме того, ухудшение точности отдельного беспроводного датчика может быть скомпенсировано как местной обратной связью, так и повышением плотности размещения датчиков.

Третьей линией обороны является уменьшение рабочих напряжений, т.к. потребляемая мощность прямопропорциональна этому напряжению. Это имеет смысл даже в режиме полного или частичного выключения системы, т.к. при этом уменьшаются токи утечки. Токи утечки могут составлять значительную часть общего потребления энергии из-за того, что рабочий цикл обычно длится намного менее периода ожидания. Понижение напряжения питания сужает динамический диапазон и уменьшает усиление, другими словами, приводит к снижению шумового порога, меньшей точности и большим временам переключения (за счет повышения паразитных емкостей) и, следовательно, к сужению полосы пропускания, увеличению занимаемого схемой места и увеличению тепловых шумов, что ведет к дальнейшему сужению динамического диапазона и ухудшению точности. В пределе с практической точки зрения система должна обеспечивать лишь тот уровень точности и полосу пропускания, которые требуются для данного приложения и не более того. Разработчики должны стремиться к максимально точному следованию запросам, предъявляемым этим самым приложением, и отказу от закладывания в схему избыточных параметров, т.е отказу от проектирования «с запасом».

Однако до того, как разработчик начнет использовать все эти способы снижения энергопотребления, необходимо выявить все критические с точки зрения средней и пиковой энергоемкости узлы, т.к. именно они являются самым узким местом в системе. Очевидно, что их применение в редко используемых или маловажных узлах окажет малое влияние на время автономной работы. В большинстве портативных устройств критическими с точки зрения энергопотребления являются именно телеметрические задачи.

Телеметрия

Пиковая мощность, потребляемая от встроенного источника питания, максимальна при наличии в перечне функций системы телеметрической передачи информации. В частности, усилитель мощности должен направить достаточно энергии, чтобы приемная антенна и сам приемник обеспечили достаточное превышение уровня сигнала над уровнем шумов.

Типичная схема передачи данных

В типичной беспроводной системе, показанной на рисунке, мощность источника питания PBat определяется потерями на пути распространения сигнала и необходимой мощностью на входе приемной антенны в соответствии со следующей формулой:

где P_бат, P_прд, P_изл, P_вх и P_пр - мощности источника питания, усилителя передатчика, излученная мощность антенны передатчика, мощность на приемной антенне и на входе приемника соответственно, а η_прд, η_ант, η_изл и η_пр.ант — коэффициенты передачи передатчика, передающей антенны, среды распространения и приемной антенны. С/Ш — необходимое отношение сигнал/шум, а P_Ш — мощность шума, приведенная ко входу приемника. P_Ш = kTDf , где Df — полоса частот сигнала (предполагается, что шум в полосе частоты сигнала аддитивный и имеет гауссовское распределение). Коэффициент передачи среды распространения обратно пропорционален квадрату расстояния между антеннами.

где с — скорость света, d — расстояние между антеннами, f_c — несущая частота сигнала, а K — коэффициент отражения антенны. В результате формула для расчета необходимой мощности источника питания принимает следующий вид:

То есть необходимая мощность прямо пропорциональна полосе пропускания, отношению сигнал/шум и квадратам несущей частоты и расстояния до приемной антенны, и обратно пропорциональна коэффициентам передачи усилителя и обеих антенн — передающей и приемной, что указывает на необходимость уменьшения до минимально возможных значений полосы пропускания, несущей частоты и дистанции передачи.

Протокол, используемый для кодирования и передачи данных, определяет набор требований к передающему тракту. Такие распространенные стандарты, как BlueTooth или ZigBee, ориентированы на мобильные устройства типа сотовых телефонов, требующих как малой потребляемой мощности, так и широкой полосы пропускания, и требуют источников питания по крайней мере милливаттной мощности. Беспроводные же датчики питаются источниками микроваттной мощности и при этом требуют гораздо более редкой передачи данных, что позволяет (и даже заставляет) использовать гораздо более узкополосные протоколы. Такие более простые, эффективные и узкополосные протоколы, как амплитудно- и частотно-манипулированные сигналы, подходят для беспроводных датчиков гораздо больше [6, 7]. Они не передают никакой служебной информации. В результате значительно ослабляются требования к линейности УМ передатчика, что позволяет существенно упростить его архитектуру и перейти к значительно более эффективным ключевым режимам его работы (так называемого классы D, Е или F).

В этих протоколах логический 0 и 1 кодируются отсутствием или наличием сигнала несущей при амплитудной манипуляции или передачей сигнала низкой или высокой частоты — при частотной. С точки зрения КПД и простоты схемы АМ-сигналы предпочтительней, однако они обеспечивают значительно меньшую помехоустойчивость по сравнению с частотной манипуляцией.

В конце концов оказывается, что ни запаса энергии в целом, ни возможностей пиковой отдачи ее не хватает для обеспечения непрерывной работы в течение длительного времени. Для решения этой проблемы необходимо организовывать периодическую работу беспроводного датчика и существенно ограничивать периоды активности передатчика. При этом необходимо стремиться к уменьшению до минимально возможных пределов необходимого отношения сигнал/шум, рабочей полосы частот, расстояния между датчиком и приемником (до 1…3 м) и несущей частоты (например, 900 МГц). При этом последнее требование входит в противоречие с требованием максимальной эффективности миниатюрных антенн. Кроме того, лучше всего использовать как можно более простые протоколы передачи данных.

Реальные приложения для беспроводных датчиков

Такие параметры с малой скоростью изменения, как температура и влажность, лучше всего соответствуют возможностям описанных выше микромощных телеметрических систем, т.к. не требуют постоянного контроля и позволяют использовать низкие скорости передачи данных. К таким задачам можно отнести и контроль работоспособности различного оборудования: исправности фильтров, уровня электромагнитного излучения или давления в шинах, т.к. и здесь скорость изменения контролируемого параметра невысока и позволяет работать со скоростями передачи порядка 10 Кбит/с и менее. При этом чисто контрольные функции представляются более удобными для реализации по сравнению с управленческими, т.к. не требуют организации двунаправленной передачи данных. Кроме того, представляется более рациональным использование большего числа короткодистантных беспроводных датчиков с микропотреблением, организованных в сеть с передачей информации на множество распределенных точек доступа или от узла к узлу, чем организация централизованной системы, что требует значительного увеличения дистанции между датчиком и приемником. Хотя сети беспроводных датчиков с автономным питанием, похоже, малопригодны для передачи мультимедийных сигналов или выполнения управленческих функций (подобно сотовым телефонам), однако их автономность и малые запросы к полосе рабочих частот позволяют контролировать большие пространства в течение более продолжительного времени, чем это возможно с помощью других систем при сегодняшнем уровне развития технологии.

Литература

• Chen M. and Rincón-Mora G. «A Self-Powered, Self-Sustaining System-on-Chip (SOC) Solution Powered from Hybrid Micro-Fuel Cells», 24th Army Science Conf., Orlando, FL, Nov. 28 — Dec. 2, 2004.
• Torres E. and Rincón-Mora G., «Electrostatic Energy Harvester and Li-Ion Charger for Micro-Scale Applications», IEEE Midwest Symposium on Circuits and Systems, San Juan, Puerto Rico, Аид 6-9, 2006.
• Melly T. et al. «An Ultralow-Power UHF Transceiver Integrated in a Standard Digital CMOS Process: Transmitter», IEEE JSSC, Mar 2001, vol. 36, no. 3, pp. 467-472.
• Yang H. and Sarpeshkar R., «A Time-Based Energy-Efficient Analog-to-Digital Converter», IEEE JSSC, vol. 40, no. 8, Aug 2005, pp. 1590-1601.
• Iniewski K. etal. «Ultra-Low Power Circuit and System Design Trade-Offs for Smart Sensor Network Applications», ITI 3rd Int. Conf. on Information and Communications Technology, 2005, pp. 309-321.
• Lin T., Kaiser W. and Pottie G. «Integrated Low-Power Communication System Design for Wireless Sensor Networks», IEEE Communications Magazine, vol. 42, no. 12, Dec 2004 pp. 142-150.

Габриель Ринсин-мора, старший специалист, лаборатория аналоговых и силовых ИС IEEE Джастин Вогт, специалист, лаборатория аналоговых и силовых ИС IEEE

www.elcp.ru (c)

другие статьи

Комментарии

Комментариев нет. Ваш комментарий будет первым.

Чтобы оставить свой комментарий Вам необходимо зарегистрироваться.