在本篇白皮書中，Silicon Labs（亦稱“芯科科技”）將幫助開發(fā)人員逐步了解傳感器的組件，并討論每個組件在開發(fā)中所扮演的角色，包括其對性能的影響。我們還將探討設(shè)計人員在開始任何傳感器項目的設(shè)計時，應(yīng)考慮的一些具體挑戰(zhàn)和優(yōu)先事項。點擊文末的閱讀原文按鈕或復(fù)制鏈接獲取完整內(nèi)容：https://www.silabs.com/whitepapers/smart-sensor-design-and-anatomy-lesson
現(xiàn)在的科技世界讓我們了解到，傳感器能將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為某種能力來簡化我們的生活，進而構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的支柱。現(xiàn)代傳感器幾乎具有各種形狀和尺寸，您現(xiàn)在也許就擁有集成了一個或者多個傳感器的設(shè)備。從根本上來說，傳感器的工作是獲取光、溫度或壓力等數(shù)據(jù)，并使用這些數(shù)據(jù)以適當(dāng)?shù)姆绞阶鞒龌貞?yīng)。例如，當(dāng)室溫低于指定閾值時，恒溫器就會打開加熱器。傳感器并非新生事物，畢竟恒溫器已經(jīng)使用了近140年。但隨著互聯(lián)設(shè)備的激增，連網(wǎng)傳感器引發(fā)了一場技術(shù)革命，其在我們生活中的地位從便利提升為必需，可以使我們的家居更舒適，汽車更安全，咖啡供應(yīng)更及時，業(yè)務(wù)更高效。
智能傳感器幾乎滲透到企業(yè)的每個角落，目前正在開發(fā)的最常見物聯(lián)網(wǎng)傳感器類型包括：
智能傳感器的剖析
電池供電的傳感器往往安裝在印制電路板（PCB）上，這對構(gòu)成傳感器的許多組件會產(chǎn)生影響，包括天線和射頻功能。我們不會花太多時間討論PCB，但重要的是不要低估它對傳感器性能的影響。
電池是傳感器設(shè)計中的另一個關(guān)鍵要素，因為它必須提供所需的能量，同時具有足夠的容量以使設(shè)計在所需的使用年限中維持運行。電池還影響著設(shè)備的尺寸要求。在理想情況下，只需使用更大的電池即可滿足不斷提高的性能要求或不斷延長的使用壽命。但考慮到消費者對小型化產(chǎn)品的需求與日俱增，大尺寸電池并不符合實際需求。例如，如果門或窗的傳感器要用D型電池，那么就會因體積太大導(dǎo)致使用受限；即使是AA或AAA型電池的體積也會給消費者帶來問題。我們看到的趨勢之一是，雖然設(shè)備變得越來越小，但電池壽命實際上在增加。
電池供電傳感器的下一個重要組件是無線片上系統(tǒng)（SoC）。在以下方面優(yōu)化SoC是至關(guān)重要的：
接收靈敏度
發(fā)射功率
具有合適的處理器速度
具有足夠的閃存和隨機存取內(nèi)存（RAM）來運行通信協(xié)議
您還需要傳感元件來執(zhí)行傳感器最初設(shè)計的功能。另一個重要組件是在傳感器上運行的軟件，它負責(zé)管理所有其他組件并驅(qū)動傳感器內(nèi)外的通信。
最后一個組件是外殼。外殼的形狀和尺寸受電池尺寸的影響。它也會影響射頻性能——某些塑料，甚至這些塑料著色時使用的染料，都可能影響設(shè)備的射頻傳輸。
傳感器開發(fā)常見的電池選項比較
圖1的表格比較了開發(fā)人員在構(gòu)建互聯(lián)傳感器時可選擇的一些電池類型。我們可以看到，CR123A鋰電池的電壓為3.0V，適合單節(jié)電池為低壓電路供電。這種電池具有相對較大的電容量，以及較大的體積。表中的第二款電池是體積稍小的CR2鋰電池，同樣具有3.0V的額定電壓，但電容量稍低且尺寸較小。第三種類型是CR2032紐扣鋰電池，它是列表中尺寸最小的，非常適合小體積傳感器。
圖1 智能傳感器開發(fā)中常見的電池選項比較
最后兩種電池類型（堿性AA和堿性AAA）均具有相當(dāng)大的容量，但與CR2032紐扣電池相比尺寸較大。這些電池只能產(chǎn)生1.5V的電壓，這意味著需要兩節(jié)電池才能產(chǎn)生與紐扣鋰電池相同的3V電壓。因此，除非設(shè)計需要非常大的電容量，否則，選擇紐扣電池具有最直接的優(yōu)勢，因為它支持最小尺寸的外形設(shè)計。
紐扣鋰電池還有另一個需要考慮的特性：這種電池類型可提供的最大脈沖負載或放電。在上面的圖1中，您可以看到CR2032具有的最大脈沖放電能力非常低，其他紐扣鋰電池同樣如此。雖然這個數(shù)值表明了紐扣電池可以提供的最大脈沖負載，但其電容量也會相應(yīng)顯著降低。
紐扣鋰電池的內(nèi)阻較大，請參見圖2中的兩個例子。左邊是僅由電池供電的電路，右邊是由電池和電源管理IC供電的電路。紐扣鋰電池上的高峰值電流會引起或產(chǎn)生壓降，從而導(dǎo)致電路斷電甚至復(fù)位。此外，從紐扣鋰電池汲取高峰值電流會顯著降低電池壽命。傳統(tǒng)上，這些缺點是通過添加一個非常大的電容器來解決。左圖顯示了并聯(lián)大電容器的紐扣鋰電池進行高功率射頻傳輸所產(chǎn)生的脈沖放電。在這個示例中，脈沖峰值為38.5mA。任何超過15mA的電流都會降低紐扣電池的使用壽命，這種狀況并不理想。右圖可以看到同樣的高功率射頻傳輸，但在這里，同一個紐扣鋰電池由芯科科技EFP01節(jié)能電源管理IC（PMIC）進行管理。不僅峰值放電從38.5mA減少到僅11.8mA，而且可以使用更小的47μF電容器。
圖2 不同電池類型下的最大脈沖負載或放電
無線SoC以及為何芯科科技處于領(lǐng)先地位
構(gòu)建電池供電傳感器的下一個重要考慮因素是無線SoC，這是傳感器的核心。圖3比較了芯科科技第一代（Series 1）和第二代（Series 2）無線開發(fā)平臺的EFR32無線Gecko產(chǎn)品：第一代和第二代平臺均提供了多種面向廣泛應(yīng)用的低功耗、多頻段、多協(xié)議產(chǎn)品選項。第二代平臺對核心部分進行了重大更新，集成了專用的加密安全內(nèi)核。
圖3 無線Gecko擁有更大的內(nèi)存，提供包括無線軟件更新在內(nèi)的功能，可支持應(yīng)用的增強和不斷升級的協(xié)議需求
從圖3的左側(cè)開始，EFR32xG1和EFR32xG14非常適合在2.4 GHz或sub-GHz運行的單協(xié)議電池供電設(shè)備。圖中的第二款是EFR32xG13產(chǎn)品，非常適合同樣在2.4 GHz或sub-GHz運行的單協(xié)議和動態(tài)多協(xié)議電池供電設(shè)備。其次，EFR32xG12非常適合在2.4 GHz運行的動態(tài)多協(xié)議電池供電設(shè)備。最后是EFR32xG22，該產(chǎn)品非常適合在2.4 GHz運行的單協(xié)議和動態(tài)多協(xié)議電池供電設(shè)備。芯科科技的所有SoC均結(jié)合了節(jié)能型微控制器和高度集成的無線電接收器。
SoC的運行模式會影響電池容量，并最終影響電池的壽命。對于典型的無線接觸式傳感器，電池壽命主要取決于睡眠電流。
圖4 與其他事件相比，睡眠對電流的影響最大
您可以在圖4中看到睡眠的影響有多大。在電池的生命周期中，應(yīng)用程序事件、數(shù)據(jù)輪詢，甚至電池的自放電或無線升級，都無法與睡眠的能耗相比。在芯科科技的產(chǎn)品中，能量模式分為EM0（活動）、EM2（保留RAM的睡眠）、EM3（停止）和EM4（休眠）。EM4提供最低的睡眠電流，但從EM4喚醒需要較長的時間。這很難滿足Zigbee、Thread等協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)證要求。
EM2在睡眠電流和喚醒時間之間實現(xiàn)了合理的折衷。以EFR32xG22的EM2與EM4模式比較為例，在某種情況下，EM4消耗了130納安的電流，但需要8.8毫秒才能喚醒；EM2消耗了1.9微安電流，但可實現(xiàn)13.2微秒的極快速喚醒時間。
在無線系統(tǒng)中，通信范圍由收發(fā)器的接收靈敏度和輸出功率決定。從發(fā)送器向接收器傳輸?shù)慕嵌葋砜矗@一般被稱為鏈路預(yù)算。通信數(shù)據(jù)速率也會影響靈敏度。在圖5中，您可以看到，隨著數(shù)據(jù)速率降低，接收帶寬變窄，導(dǎo)致無線電靈敏度增高。一種常見的技術(shù)是調(diào)整系統(tǒng)中的發(fā)射功率以匹配所需的最佳范圍，而不必消耗更多的能量。
圖5?調(diào)整每個節(jié)點的輸出功率可以確保有足夠的鏈路預(yù)算來提供所需的通信范圍
頻譜對物聯(lián)網(wǎng)傳感器運行的影響
廣泛應(yīng)用的無線設(shè)備主要使用工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療（ISM）頻段。ISM頻譜可分為兩個頻段：sub-GHz和2.4 GHz。與2.4 GHz相比，sub-GHz有很多優(yōu)勢，包括路徑損耗。路徑損耗是指信號傳輸一定距離時功率的減少。例如，當(dāng)2.4 GHz信號在空氣中傳輸10米時，路徑損耗為60dB。相比而言，900 MHz信號同樣傳輸10米的路徑損耗為51.5dB。就900 MHz信號而言，損耗降低了8.5dB。
圖6 工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療（ISM）頻譜可分為兩個頻段：sub-GHz和2.4 GHz
2.4 GHz信號具有高數(shù)據(jù)速率，可輕松超過1 MB/s。2.4 GHz也可使用小型天線，其尺寸還不到900 MHz天線的三分之一，然而它的通信范圍有限。2.4 GHz頻譜也非常擁擠，并且容易受到Wi-Fi和藍牙等設(shè)備的大量干擾。相對而言，sub-GHz無線電的覆蓋范圍遠高于2.4 GHz無線電——sub-GHz無線電的覆蓋范圍可達數(shù)千米，并且功耗較低，只需單個電池即可運行多年。
我們知道，通信范圍取決于發(fā)射功率、接收器靈敏度和數(shù)據(jù)速率。但范圍也會受到天線選擇的影響，因此為了讓您的特定設(shè)計能夠選擇合適的天線，了解其特性并作出權(quán)衡是非常重要的。在電池供電的傳感器應(yīng)用中，尺寸、輻射方向圖（radiation pattern）、設(shè)計簡易性、可制造性和成本都應(yīng)該考慮。
在圖7中，您可以看到左側(cè)是偶極天線。這是一種差分結(jié)構(gòu)，通常從一端到另一端的長度是半波長。這種類型的天線應(yīng)遠離接地層以及任何金屬和導(dǎo)電物體。偶極天線可輕松匹配50歐姆的阻抗，但在900 MHz下，其長度將超過6英寸，因此很難在小型電池供電傳感器中使用。
圖7 偶極、單極和環(huán)形天線的比較
另一種類型的天線（如圖7中間所示）是1/4波長的單極天線。這種類型的天線也很容易和50歐姆電阻相匹配。單極天線的設(shè)計非常簡單，且只需改變天線的長度即可調(diào)節(jié)其諧振頻率。當(dāng)物理尺寸可接受時，這種類型的天線是一個很好的解決方案。例如，在900 MHz頻率下，如果存在接地層，則1/4波長的天線長度約為3英寸。如圖7右側(cè)所示的天線是一種環(huán)形天線，從電力上說，其可以有兩種尺寸：小型環(huán)形天線和大型環(huán)形天線。對于電池供電的傳感器等設(shè)備，只能考慮小型環(huán)形天線，因為大型環(huán)形天線的周長接近一個波長，對于在900 MHz頻段工作的設(shè)備來說，周長約為12英寸。小型環(huán)形天線的帶寬非常窄，這對產(chǎn)品的選擇性來說是有利的，但也使調(diào)頻能力變得至關(guān)重要。但一旦調(diào)頻確定，其就不容易因手持影響或附近物體等因素而失諧，因此非常適合手持設(shè)備。
螺旋天線可由任何導(dǎo)電材料制成。小型螺旋天線以與螺旋軸成直角的形式工作，在將一種小型螺旋天線設(shè)計到設(shè)備中時必須考慮這一點，因為天線會從電路板上突出。這類天線使用起來也很棘手，因為它們的阻抗取決于許多參數(shù)，包括線圈的直徑、環(huán)路的節(jié)距、纏繞的緊密程度、線圈的長度以及它的工作頻率。
這些參數(shù)的任何變化，甚至包括人在內(nèi)的附近物體，都可能使螺旋天線失諧（detune）。但從尺寸的角度來看，螺旋天線可以非常小。事實上，如果纏繞得足夠緊，它可以比相同頻率的單極天線短得多。圖8右側(cè)顯示的天線是芯片天線，這是最小的天線，其設(shè)計可用于從300 MHz直至2.5 GHz的頻率。芯片天線的帶寬非常窄，必須按照精確的頻率制造。這可能是最昂貴的天線解決方案，通常用于表面貼裝器件。
圖8 最后要考慮的兩種天線是螺旋天線和芯片天線
傳感器軟件和智能傳感器的大腦
傳感器上運行的軟件對于打造可靠、穩(wěn)健、易于開發(fā)且安全的設(shè)備至關(guān)重要。芯科科技為電池供電的設(shè)備提供了多種SoC選擇，它們都共享一款名為Simplicity Studio的通用開發(fā)環(huán)境。正如圖9所示，平臺組件包括多任務(wù)操作系統(tǒng)（OS）、Vault Security和無線電抽象接口層（RAIL）。RAIL為底層硬件提供了一個接口層，由此您可以通過抽象寄存器的所有復(fù)雜內(nèi)容，以及抽象設(shè)置無線電底層硬件所需的詳細信息，來簡化和縮短開發(fā)流程。
圖9 無線SoC上運行的軟件采用模塊化設(shè)計，其中較高級別的功能被分層，或構(gòu)建在較低的層級之上
位于該平臺之上的是協(xié)議棧，負責(zé)實現(xiàn)各種協(xié)議的所有復(fù)雜功能。例如，Zigbee協(xié)議棧、Z-Wave協(xié)議棧、Thread協(xié)議棧和藍牙協(xié)議棧。位于協(xié)議之上的是應(yīng)用層，負責(zé)向上方的應(yīng)用軟件開放各種API或編程接口，以便它們可以連接到下方的協(xié)議棧。這樣上面的應(yīng)用層就能夠使用協(xié)議棧提供的功能。最后，程序模塊中的操作系統(tǒng)與這些上層均有接口，因為該操作系統(tǒng)負責(zé)定時器、任務(wù)間通信、同步、調(diào)度、中斷、異常和任務(wù)分派。
圖10 芯科科技無線SoC支持所有主要生態(tài)系統(tǒng)使用的最流行的協(xié)議。無論是Zigbee、Z-wave、藍牙還是Thread，您都可以針對主要生態(tài)系統(tǒng)進行設(shè)備開發(fā)
芯科科技EFR32無線Gecko產(chǎn)品將電源管理、安全性和多協(xié)議支持集成于一體，可幫助開發(fā)人員滿足物聯(lián)網(wǎng)傳感器設(shè)計的要求。想要了解更多信息，請訪問鏈接：https://www.silabs.com/wireless/technology
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