發布日期：2022-05-11 點擊率：87
【導讀】物聯網(IoT)正在將現實世界里的“模擬”事件轉換成網絡的行動和反應，連在網絡中的物聯網節點能夠監測模擬事件，并且在需要報告的事件發生時，將其進行轉化后通過互聯網報告給應用程序，以完成相應的任務。
其中最突出的物聯網應用類別是使用電池供電的傳感器，它們被放置在沒有電線的區域來監測事件，并通過無線網絡與物聯網通信。大多數情況下，這些產品是始終開啟的、由電池操作的無線傳感器，支持無線協議、一個 MCU 和至少一個 模擬傳感器。
面臨的挑戰是在單一電池或一次充電的情況下，如何將產品足以感知環境的續航時間最大化。
該挑戰可細化為以下方面：
1. 根據應用程序要求，勝任實時感知任務;
2. 完成傳感器測量，同時盡可能少地使用能源;
3. 保持“周期性工作”MCU 外圍設備，并讓 CPU 內核盡可能多地處于睡眠狀態。
在這種應用中，很多MCU的典型做法是喚醒MCU內核然后使用各種外設去完成傳感器測量(圖 1)。當有事件 (例如開門) 需要報告時，MCU 進行了報告并返回至其周期性工作規律流程中。這將消耗大量電能，且不能使電池巡航時間最大化，因為運行的“整個 MCU”中，包括很多外圍設備和無關內核運轉都在消耗電能。
實際上，這種方法很可能導致較差的客戶體驗：客戶將設備置于其環境中，將其設置在網絡上并啟用，但幾個月之后，設備就因為較差的電池電源管理能力而停止工作。
圖1 CPU 在每次測量中都進行查詢并保持活躍，從而導致較高電能消耗
1物聯網應用理想的電池供電、無線傳感器節點解決方案
最佳解決方案將應對以上所述挑戰中的每一個方面，可在電池一次充電的情況下將產品完成環境感測的工作時間最大化。
考慮到以上情況，電池供電的物聯網傳感器設備應提供：
1. 自主而節能的傳感器管理和測量系統;
2. 可對每個傳感器進行獨立配置的傳感器輸入/輸出、閾值和配置;
3. 低功耗、可配置的邏輯引擎，僅當絕對需要時才會喚醒 MCU;
4. 用以為多次測量提供緩存的低功耗內存，并延長 CPU 喚醒間隔時間;
5. 低無線功耗。
2 Silicon Labs Gecko 低功耗傳感器接口 (LESENSE)
幾年前，Silicon Labs 就預見到電池供電的無線傳感器應用的重要性。自此，我們對低能耗的無線、MCU 和傳感器技術進行了大規模的投入。
我們的 Gecko MCU 具有節能型的架構，并提供幾種關鍵系統，使其能更有效率地運作，其續航時間也長于其他 MCU。
Gecko 和 Wireless Gecko (以下合稱“Gecko MCU”) 使用低功耗傳感器接口 (LESENSE)、外圍設備反射系統 (PRS) 和其他低功耗技術，可以在極低的功耗水平下運作，而同時內核與 MCU的大部分仍處于深度睡眠模式。
上述特性結合其他特性就可以節省很多電能。
表1對于電池供電的物聯網傳感器系統的要求
3 Gecko LESENSE 詳情
LESENSE 是高度可配置傳感器接口和系統，可自主連續管理并監控最多 16 個電阻性、電容性或電感性傳感器， 并同時保持芯片整體處于深度睡眠模式，且內核 (CPU) 始終保持關閉。
LESENSE 包括一個定序器、一個計數和比較器單元、一個可配置譯碼器，以及用于配置設置和測量結果存儲的 RAM。
1) 定序器可以操作低頻振蕩器，并通過 PRS 處理與其他外圍設備的相互作用，并可為傳感器的工作周期和測量定時。
2) 計數和比較器單元對來自定序器的脈沖進行計數，并將信息與可配置閾值進行對比。
3) 譯碼器/狀態機接收傳感器測量，并根據最多 16 種可配置狀態和相關動作采取行動。
LESENSE 可配置傳感器閾值
當外部事件超過傳感器閾值時才喚醒 CPU 并不是一個革命性的概念。本質上，它會將恒定的 MCU 工作周期從圖 1 中移至單個事件;當模擬事件超過給定閾值時，MCU 蘇醒并執行各種行動。
但是，LESENSE 與之不同之處在于，它提供了一個完整的傳感器系統，以便管理并監控傳感器以及相關的外圍 設備，而不需要 CPU 的參與，MCU 參與度也為最低。這就是 LESENSE 的基本概念，而附加功能還進一步拓展 了概念。
LESENSE 也在不喚醒 CPU 的情況下對數量可配置的閾值事件進行緩沖。這使得系統能夠在一段較長的時間段內監控外部事件。LESENSE 通過自主周期性采集所需的外圍設備塊 (如模擬比較器、低頻振蕩器和傳感器本身)，以便完成傳感器測量，而 CPU 則保持在深度睡眠模式。
在以下概念圖中，LESENSE 被配置為允許傳感器 1 超過其可配置閾值兩次之后才喚醒 CPU。
圖 2：每個啟用 LESENSE 的傳感器輸入/輸出均為獨立且可配置的。
LESENSE 也提供附加功能，以管理并監控最多 16 個具有唯一閾值的不同傳感器。在使用內置低功耗狀態機 (譯碼器) 時，LESENSE 可在發送中斷喚醒 CPU 之前評估幾項事件。
在圖 3 中，LESENSE 對傳感器 2 的事件 1、2 和 3 的測量信息進行緩沖，并在喚醒核心之前將這些信息與傳感器 1 的事件 1 和 2 的測量數據相結合。這個簡單的使用實例采用 LESENSE 的單獨配置傳感器、低功耗內存 和低功耗狀態機。
圖 3：在 CPU 中斷之前，多個傳感器及唯一配置支持多個事件。
傳感器節點從 LESENSE 緩沖測量中重新校準
由于很多傳感器系統在各種不同的環境條件下實施，必須能夠在諸如溫度、濕度、電源電壓、透氣性和連接性等參數不斷變化的情況下進行可靠的操作。
LESENSE 的緩存功能可使 CPU 在被喚醒時重新校準自身多項讀數。這樣可避免隨著情況的變化發生多次重復校準的事件，進一步節約能源并提供更大的系統校準樣本集。
總結
LESENSE 可使 Gecko MCU 和無線 MCU 監控電阻性、電容性、電感性(和 IR)傳感器，同時使能耗較高的內核和大部分 MCU 保持深度睡眠模式。LESENSE 能夠監控最多 16 個使用小于 1 μA 的傳感器并提供可配置的閾 值，并提供了可對多個事件進行緩沖的 RAM，以及用于可配置喚醒中斷的狀態機。
開始了解 Gecko MCU、Wireless Gecko MCU 和 LESENSE：
· 關于 LESENSE 的培訓視頻
· 關于 LESENSE的培訓演示(來自視頻的幻燈片)
· 應用說明
o 電容傳感 LESENSE (AN0028)
o 電感傳感 LESENSE (AN0029)
o 電阻傳感 LESENSE (AN0036)
o IR 傳感 LESENSE (AN0053)
o PRS – 節能外圍設備反射系統 (AN0025)
推薦閱讀：
在物聯網SoC中整合藍牙IP技術的應用
6年前的一款U盤大小DNA測序儀終于有了新用途
淺談晶振負載電容的計算方法以及需要注意的地方
詳解ADI的MEMS開關技術
大咖詳談FPGA，簡介、工作原理等
下一篇： PLC、DCS、FCS三大控
上一篇： 如何為超低功耗系統選
