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标题: 精确的无线温度传感器可为自身供电（下） [打印本页]

作者: Bazinga 时间: 2014-8-1 20:57 标题: 精确的无线温度传感器可为自身供电（下）

LTC3330 管理这个应用的所有电源。该芯片含有两个开关模式电源和一个线性稳压器，采用小型单片封装。降压-升压型转换器可从电池取得功率，以保持稳定的输出电压 (对这个应用而言设定为 3.6V)。一个单独的降压型转换器可从太阳能电池板取得功率，也将输出电压调节至相同的值。一个内部优先级区分器确保尽可能使用太阳能电源，仅当需要时才会从电池吸取功率 (图 3)。对于其他应用，LTC3330 还支持 AC 能量收集电源，例如产生与振动能量成比例的 AC 电压之压电晶体 (参见图 4)。

图 3：LTC3330 从太阳能电池板或电池取得功率，自动地设定这两种电源的优先级，以保持稳定输出电压。一个额外的 LDO 输出由逻辑输入引脚控制，这用来设定温度传感器电源的占空比。LTC3330 产生一个输出标记，以指示正在使用的是太阳能电源还是电池电源。(SOLAR PANEL：太阳能电池板;BATTERY：电池)

图 4：LTC3330 能量收集型 DC/DC 电池寿命延长器从压电、太阳能或磁性能源收集能量。

LTC3330 吸取不到 1μA 静态电流，非常适合这种低功耗无线应用。电源功耗仅占总功耗的一小部分，所以大部分功率可用于“负载” (即温度传感器和无线网络)。

除了这两个开关模式电源，LTC3330 还含有一个具备单独使能引脚的 LDO。这功能对于这类占空比的应用是很有用。电压基准和热敏电阻器网络用该 LDO 供电。这不仅降低了开关噪声，还允许应用切换信号链电源接通和关断，同时保持无线电模块的电源始终接通。即使无线电模块在两次传输之间不消耗太多功率，但是它必须始终保持偏置，以保持定时器正确运行，这样整个网络就能保持时间同步了。无线电模块内的微处理器在恰当的时间给 LDO 使能引脚排序，使信号链路为读取温度数据做好准备。

LTC3330 提供一个输出标记 (EH_ON)，该标记说明系统是在由电池还是太阳能电池板供电。能够实时访问这一信息对最终用户来说可能很重要。因此，我们让无线电模块中的微处理器读取这一输出标记，并通过网络与温度数据一起传送这一信息。EH_ON 输出的逻辑电平是对于 LTC3330 的一个内部偏置电压，该偏置电压随工作模式不同而改变，可能高于 4V。我们不是将这个输出引脚直接连接到电压较低的无线电模块逻辑输入，而是对其进行分压，然后将其馈送给一个内置的 10 位 ADC，该 ADC 是微处理器的组成部分。在本文情况下，我们仅将这个 ADC 作为比较器使用，以指示 LTC3330 正在使用哪个电源。
无线网络

LTP5901 是一个完整的无线电模块，含有无线电收发器、嵌入式微处理器和网络软件。其物理设计由一块小型印刷电路板组成，可非常容易地焊接到包含该应用其余部分 (信号链路和电源管理) 之主电路板上。

在这个应用中，LTP5901 执行两种功能：无线网络和内务处理微处理器 (图 5)。当给一个网络管理器附近的多个 LTP5901 节点加电后，这些节点相互自动识别，并形成一个无线网格网络。整个网络自动完成时间同步，这意味着每个无线电模块都仅在非常短的特定时间间隔内加电。因此，每个节点都可以既发挥传感器信息源的作用，又作为路由节点，以向管理器转发来自其他节点的数据。这样，即使所有节点 (包括路由节点) 都以非常低的功率工作，依然可以建立一个高度可靠的低功耗网格网络，每个节点到管理器都有多条通路可用。这种无线电技术典型的节点间传送距离为 100 米，在有利的户外条件下，距离甚至可以更长。

图 5：LTP5901-IPM 仅需要非常少的连接，就能运行整个应用。所有无线网络功能 (包括固件和 RF 电路) 都已经内置在该模块中。3线 SPI 主器件与 LTC2484 的 SPI 端口通信。GPIO 引脚 (DP2) 控制传感器电源排序。内置 ADC 充当便利的电平转换器，从 LTC3330 读取能量收集状态标记 EH_ON。

LTP5901 含有一个 ARM Cortex-M3 微处理器内核，该内核运行网络软件。此外，这个内核还可通过用户提供的固件来设定，以执行特定于用户应用的任务。因此，无需任何第三方微处理器，就能够实现很多应用。在本文例子中，LTP5901 内部的微处理器通过在合适的时间接通和断开 LTC3330 的 LDO 来管理温度传感器的电源排序，以在两次温度读取之间节省功率。LTP5901 直接与 24 位 ADC 的 SPI 端口通信，该 ADC 读取温度传感器提供的温度值。最后，LTP5901 从 LTC3330 读取电源状态输出标记 (EH_ON)，该标记指示用来给电路供电的是太阳能还是电池。

无线电模块的功耗可以用凌力尔特在官网在线提供的工具“SmartMesh功率与性能估计器 (SmartMesh Power and Performance Estimator)”来估计。对于一个有 20 个节点 (其中 10个节点以无线方式直接连接到管理器 (1 跳)，另外 10 个节点间接连接到管理器 (两跳) ) 的典型网络而言，两跳节点的平均功耗约为 20μA，1 跳节点则为 40μA。这些数字是在每个节点每 10 秒报告一次温度数据的情况下得出的。1 跳节点消耗大约两倍功率的原因是，它们不仅发送自己的传感器数据，还充当路由节点，转发一些两跳节点的传感器数据。如果关闭一种称为“Advertising”(宣告) 功能，那么上述功率可以进一步减少两倍。一旦“宣告”功能关闭，网络就不再识别想加入网络的新节点。除了这点不同，关闭广告功能对网络运行没有任何影响。
总体功耗

完整应用电路的总体功耗视各种不同因素而有所不同，其中包括每个传感器测量温度的频度以及所有节点在网络中的配置方式。对于一个每 10 秒报告一次温度数据的传感器节点而言，典型功耗为传感器部分低于 20μA，无线电模块部分可能为 20μA，总的平均负载电流约为 40μA。

小型 2 英寸 x 2 英寸太阳能电池板 (例如 Amorton 系列) 甚至在相对中等的室内照明条件下 (200 流明)，也可产生 40μA 电流，而在强光照条件下，则能够产生大得多的电流。这意味着，在很多条件下，这个应用可以完全依靠太阳能电池板电源运行。如果该电路处于黑暗中，需要完全靠电池电源运行，那么一节 2.4Ah AA 电池 (例如 Tadiran XOL 系列) 可给该应用供电差不多7 年。在较低或可变光照条件下，该电路自动在太阳能电源和电池电源之间来回切换，以便尽可能利用太阳能，以延长电池寿命。

结论

凌力尔特的信号链路、电源管理和无线网络产品可用来实现完整、真正的无线传感器网络产品的设计。该时间同步无线网格网络确保用最少的功率，可靠地在节点间传送数据。内置的微处理器可设定传感器电路电源的占空比。高效率、高集成度电源管理 IC 可完全用小型太阳能电池板给该应用供电，或者用一个小型电池给该应用供电很多年。

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