常開、零維護數據發射器概覽

智能手機給我們的日常生活帶來了重大改變，是我們隨時獲取健康、環境甚至購物相關信息的重要手段。遺憾的是，現如今，在大多數情況下，用戶在需要數據時必須采取一定的操作。這樣做效率低下，因為用戶可能不知道如何搜索信息（例如商店里某種產品的標價）。

解決這個問題的辦法是開發一個系統，使得智能手機可以使用特定情形的數據，從而為用戶提供所需的信息。這些數據可能來自一個傳感器，也可以是與某一對象或位置關聯的唯一識別符。信標因此應運而生。

在無線術語中，信標是一種器件，廣播可被鄰近其他設備接收的數據。理想情況下，廣播數據可以在無用戶干預的情況下被收到，實現無縫傳輸。低功耗藍牙?具備這種功能，因此成為信標通信的普遍選擇。

低功耗藍牙（BLE）適合需要在較小半徑（通常小于10米）范圍內傳輸數據的應用，被廣泛用于低功耗無線通信。以無線傳感器節點（WSN）為例，數據可由WSN收集并發送給智能手機。圖1顯示這類傳感器節點的典型應用流程：

信標和傳感器需要從某個來源供電，以讓其能夠持續工作，同時仍要保持整個器件的尺寸和外形。由有線來源供電的可行性很小，因為它們要么被人隨身攜帶，要么放在較遠的位置。因此，要求有線來源供電的方案通常都行不通。采取電池供電的方法則會引入一些問題，例如工作壽命有限，需要頻繁對電池充電，最終棄置電池會對環境造成不利影響。

如果我們真的需要信標不需任何類型維護，則需要利用周圍環境中的閑置能源，例如光、運動、壓力或熱量。這將實現一種“裝后即忘”的方法，信標和傳感器可在器件的使用壽命期間持續獲得供電。

能量收集

能量收集是一種從周圍環境收集閑置微能量并存儲起來的方法。存儲足夠能量后，傳感器可執行多種任務，例如收集數據并通過BLE傳輸給其他器件。

能量收集系統（EHS）是一個電路，包括能量收集器件（EHD）、能量收集電源管理集成電路（PMIC）和能量存儲器件（ESD）。PMIC使用太陽能電池、振動傳感器或壓電器件等EHD提供的能量，對能量存儲器件（通常為電容器）進行“涓流”充電。然后，EHS會使用這些存儲的電荷向其它嵌入式器件提供能量。根據傳感器的狀態，EHS輸出功率會有所不同。當處于有源狀態時，能量會被消耗，EHS的電壓也開始下降。處于低功耗狀態時，EHS的電壓會上升，因為能量存儲器件的充電速度比耗電速度快。圖3中的示例顯示了EHS輸出電壓在一段時間內隨嵌入式器件活動而變化。

對于由EHS供電的器件，有源狀態期間消耗的能量不能超過EHS中可用的能量。圖4顯示EHS供電的系統，其中，有源狀態期間的能耗大于EHS可提供的能量。EHS的輸出電壓因能量被消耗而緩慢下降，最終完全關閉輸出。

為設計出通過能量收集供電的強大系統，需要對嵌入式系統的每個方面進行能量優化，使其能夠在EHS供電時無縫工作。此類系統中有許多高耗電的子系統，需要優化以確保不會拉低EH的輸出。優化功耗時針對的某些關鍵領域包括：

1.CPU時鐘頻率

系統時鐘頻率決定處理特定例程的速度以及這段時間內的能耗。時鐘較快意味著處理速度更快，但電流消耗也更高。此外，每個器件還有一定的最低和最高時鐘頻率要求，不得違反這些要求。

對于基于EHS的設計，必須選擇在以下兩個方面經過優化的時鐘頻率：

平均電流消耗

峰值電流消耗

EHS容量必須同時考慮這兩個因素。平均電流是特定有源狀態期間所需的電流時間平均值。峰值電流則是有源狀態要求的瞬態最大電流，通常比平均電流高得多。所需的平均電流可能在EHS的容量范圍內，但峰值電流會造成EHS發生突然的能量損耗，從而使電壓降至截止電壓以下。請注意，處理時間是平均電流消耗計算的一部分。

圖5為在48MHz系統頻率下處理特定程序的功耗與時間圖，圖6為在12MHz下處理相同程序的功耗與時間圖。

此示例中，在48MHz下處理例程大約耗時300μs，此間消耗的峰值電流大約為10mA。在12MHz下處理例程耗時1.1ms，但消耗的峰值電流僅為4mA。與在12MHz下相比，此過程中消耗的平均電流更大，但峰值電流要求更低。根據EHS容量，用戶可選擇短暫的48MHz時鐘設置、較長的12MHz時鐘設置，或者將兩者混合，此時時鐘頻率從一個過程到另一個過程切換。選擇優化的系統頻率時，應考慮這種電流分布。

2.低功耗器件啟動

當嵌入式器件通電后，必須先完成啟動程序，然后才可執行應用代碼。典型的啟動順序包括：

初始化存儲器

設置中斷矢量

配置外設和公用寄存器

初始化外部時鐘（如果有）

這些步驟中的每一個都會花費CPU處理時間，因此會消耗能量。具體能耗取決于所用器件的類型、系統時鐘頻率、初始化的存儲器/寄存器組的大小以及設置外部時鐘所花的時間。因此，啟動過程是高能耗的活動，應進行優化，使其不會從EH輸出消耗過多的能量。編寫啟動代碼時應記住以下因素：

僅初始化將用到的存儲器和寄存器部分。將其它部分保留為默認值

大多數無線系統需要高精度的外部時鐘。外部時鐘振蕩器或手表晶體振蕩器等時鐘啟動后需要很長的穩定時間。應將系統置于低功耗模式（休眠/深度休眠）并僅在時鐘準備好供使用時將其喚醒，而不是在有源模式下等待時鐘穩定?？墒褂脙炔慷〞r器達成此目的。

3.低功耗系統啟動

在器件開始執行應用代碼后，通常需要啟動系統中的個別外設。這些外設可能是器件內部的元件（例如ADC），也可能是外部元件（例如傳感器）。單個外設的啟動時間可能不會很長，但整體的設置時間加總卻可能需要很長的處理時間，足以耗盡EHS中存儲的能量。首先，根據給定的CPU頻率計算單個外設的啟動時間。然后確定同時啟動所有外設（較快）的能量預算是否可行或者啟動程序是否需要分階段執行（較慢）。

4.分階段的應用處理

該器件將具有各種需要其自身CPU帶寬的應用例程。這些例程包括配置外設、從傳感器接收數據、執行計算以及管理事件和中斷等任務。確保此處理所需的能量不超出EHS容量。如果是這樣，將例程分解成較小的子例程，并分階段管理它們。這可將EHS上的負載分解成可管理的電流脈沖，能夠讓EHS在活動的CPU進程間隙時間充電。

此外，在每個階段之間，將系統置于低功耗模式下，并使用計數器或看門狗定時器提供中斷以用作喚醒源。由于系統大多數時間處于低功耗模式，因此這些模式期間的電流要求必須盡量低。系統在這些模式下越高效，在各階段之間充電所需的時間就越少，執行任務的速度也越快。

5.無線傳輸

數據在收集后必須通過BLE傳輸。這種傳輸可在BLE連接或BLE廣播上完成。請注意，支持能量收集的信標限于BLE通告。這是因為如果使用BLE連接，必須先消耗大量能量設置該連接，才可將其用于傳輸數據。一般而言，無線電活動（無論是傳輸［TX］還是接收［RX］）是無線器件中能量消耗最大的操作。請確保BLE活動是作為一個獨立進程執行，且只有在EH輸出能夠提供足夠峰值電流時才和另一個進程結合。

使用CypressPMIC和BLE解決方案進行高效設計

CypressSemiconductor的能量收集電源管理IC（PMIC）實現了無電池型無線傳感器和網絡解決方案。通過高效的電源轉換精確控制輸出功率，使得它們成為信標和無線傳感器節點等小型低功耗BLE應用的明智選擇。它們可用于無電池型解決方案，或與電池（例如鋰離子電池）結合作為備用電源。象S6AE101A（優化了太陽能或光EHD）這樣的優化型PMIC的啟動和靜態功耗極低，支持使用小型太陽能電池來將總體外形尺寸減到最小。如MB39C831之類的EHPMIC可從低電壓啟動，并能夠適應使用最大功率點跟蹤（MPPT）功能的應用的功率要求。MPPT通過追蹤輸入功率讓內部DC/DC轉換器控制輸出充電，因此實現最大的功率輸出。

Cypress的能量收集PMIC適合多種應用。例如，MB39C8xx系列的PMIC支持基于太陽能、振動和熱量的EH器件。對于更復雜的系統，S6AE10xA系列太陽能優化型PMIC可控制多個輸出和存儲器件。

無電池無線信標的另一方面就是選擇MCU。MCU集成為可編程系統，例如支持多種低功耗模式的片上系統（SoC）器件，非常適合此類應用。舉例來說，Cypress的可編程片上系統（PSoC）可與多種能夠連接至傳感器的外設緊密集成。特別值得一提的是，PSoC4BLE包含低功耗外設以及BLE無線電和集成的BLE堆棧，幫助實現了單芯片BLE傳感器節點的設計。此外，由于支持超低功耗模式，系統可使用能量收集器和鈕扣電池等受限電源可靠地運行。實踐證明，此類收集器以及PSoC對于無電池BLE傳感器節點應用而言，是優化的設計。

要了解為能量收集應用設計高效無線系統的更多信息，請參閱低功耗藍牙入門應用說明。關于為能量收集優化BLE子系統的更多詳細信息，請參閱設計低功耗應用并預估BLE應用的電池壽命。此外，單擊此處可獲取電源管理集成電路簡介。

附錄

A1：EH供電的BLE傳感器節點中多個進程的示波器截圖

此圖顯示了在一段時間內EHS輸出電壓相對于CPU處理的變化。黃色信號是EHS輸出電壓，綠色信號是嵌入式器件的電流消耗。綠色峰值是CPU有源進程期間的電流消耗。平坦信號在器件處于低功耗模式時出現。請注意，每次CPU活動時（綠色信號中的峰值），EHS輸出電壓會下降，因為CPU消耗了能量。還需注意，隨著EHS對能量存儲器件充電，電壓在低功耗狀態期間恢復。

此圖顯示了在不對EHS中的能量存儲器件充電的情況下，EHS輸出電壓相對于CPU活動的變化。請注意，在能量耗盡后，電壓會下降到截止電壓以下，此時EHS輸出將關閉。

器件啟動時的電流消耗（綠色信號）：

通過能量收集供電的信標中的BLE傳輸活動：