Интегрални схеми за безжични сензори

ЕлектроникаСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 4, 2014

Стефан Куцаров

Избягването на свързващите проводници и замяната им с безжични връзки е сериозно предимство в много области на техниката, а в немалко случаи е и единствено възможното решение. При сензорите към това се прибавят нарастващите им приложения в труднодостъпни места (например измерване на високи температури, налягане, рН и др.) или в опасна за човека среда.

Същевременно е улеснено изграждането на сензорни мрежи (Sensor Network), например за контрол на технологични процеси в производствени предприятия, цената им е сравнително ниска, а събираните данни лесно могат да се прехвърлят в други комуникационни мрежи. Не по-малко предимство е възможността за лесно разместване на сензорите в изградена мрежа, което е затруднено при проводникови връзки между тях.

Съвременните решения на описаните проблеми са  базирани на използването на безжични сензори (Wireless Sensor – WS). В основата на реализацията на WS са три вида интегрални схеми (ИС), първият от които са ИС на WS. Те са със сравнително малък относителен дял, но с перспектива той да нараства във времето.

Вторият вид включва безжичните предаватели (Wireless Transmitter) и безжичните приемо-предаватели (Wireless Transceiver), като те могат да са разработени специално за реализация на WS или (засега по-често) да са такива от други приложения.

Третият вид са т. нар. безжични микроконтролери (Wireless Microcontroller), които са съчетание на елементи от предния вид с микроконтролер за обработка на сигналите от сензорите и осигуряване на обмена на данни с други устройства. Сравнително бързо се развива областта на безжичните сензори без батерии (Energy Harvesting Sensor).

Структура на WS
Дадена е на фиг. 1а, като по принцип няма никакви ограничения за вида на сензора SEN, който може и да е комбиниран за няколко физически величини, например температура и влажност. Обикновено неговата точност и време на реакция са подобни на сензорите с кабелна връзка.

Обменът с микроконтролера uC е двупосочен, за да се осигури предаването в едната посока на отчетените данни и на управляващи сигнали в другата. Последните едновременно включват uC и SEN само за кратки интервали от време tM (фиг.1б), през които се извършва измерването.

За още по-кратко време tTx микроконтролерът включва приемо-предавателя ТR за изпращане на данните, докато в останалото време той може да приема постъпващи в антената А сигнали за осигуряване чрез тях на управление на WS. За намаляване на постояннотоковата консумация практически винаги времето tA=tM+tTx е много по-малко от периода на измерване Т.

От своя страна, T–tA определя режима “очакване” (Sleep на фиг. 1б) и е над 95% от Т. Самият период зависи от характера на измерваните величини и обикновено е между няколко секунди и няколко минути, поради което при типични стойности на тока IM до няколко mA, на ITx до няколко десетки mA и на IS до няколко mA (съществуват WS, в които той е няколко десетки nA) общият консумиран ток от WS не надхвърля няколко десетки mA.

Всички времена се фиксират от вградения в uC часовник за реално време (Real Time Clock, RTC), чийто кварцов резонатор за 32768 Hz заедно с този за осигуряване на работата на останалите блокове на uC почти винаги се свързва външно към него. Полезно е да се добави, че връзката между uC и TR почти винаги е с някой от масово използваните интерфейси, например SPI или I2C.

По принцип TR работи в един или повече нелицензирани обхвата, като в Европа най-често използвани са предвиденият за RFID (системи за радиочестотна идентификация) 13,56 MHz заедно с 868 MHz и 2,4 GHz. Поради добре познатите физически причини по-ниските честоти имат по-добро проникване и съответно осигуряват по-голям обхват на покритие при дадена мощност на излъчваните от TR сигнали и, съответно, определена постояннотокова консумация.

Това е предпоставка за ползване на 13,56 MHz-овите и 868 MHz-овите WS в мрежи за по-големи разстояния и предпочитане на 2,4 GHz-овите WS за малки разстояния. Използва се и обхватът 134,2 kHz, също предвиден за RFID.

Добре известното насищане на обхвата 2,4 GHz с различни устройства за безжични връзки, което може да претовари дадена мрежа и доведе до намаляване на скоростта на обмен на данни по нея, е практически без значение при WS поради малкия обем на предаваните пакети от данни и големите интервали от време между тях. Съществена особеност е, че не са редки случаите на необходимост само от изпращане на данни от WS, при което блокът TR е само предавател.

В зависимост от предназначението на WS съществуват различни начини за постояннотоковото им захранване чрез блока Supp на фиг. 1а. Първият и най-масово използван е с галваничен елемент или батерия - често са тип “копче” (Button Cell, Coin Cell), като е важно максималният им импулсен ток да не е по-малък от този на WS.

Благодарение на сериозните успехи в създаването на галванични елементи с голяма енергийна плътност и на uC и TR с много малка постояннотокова консумация вече има миниатюрни съвременни WS с типично време на работа без смяна на батерията между 3 и 15 години, а максималното надхвърля 25 години.

В административни и жилищни сгради WS са стационарни и за захранването им могат да се ползват по-големи батерии – най-често тип АА, които се сменят средно един път годишно. В някои от тези WS блокът Supp е класически постояннотоков стабилизатор, свързан към електрическата мрежа, а по подобен начин той се реализира и в WS в автомобили като ползва акумулаторът им.

При последния начин на захранване Supp представлява преобразувател на енергията на някоя от физическите субстанции около WS в електрическа и подробности за него са дадени в раздела “WS без батерии”. Това захранване често се комбинира с батерия, която се включва само когато преобразувателят не осигурява необходимата електрическа енергия.

Четирите разновидности на безжични мрежи с интегрални сензори (Wireless Integrated Network  Sensors) WINS са дадени на фиг.2, като характерна особеност на последните две (за разлика от проводниковите сензорни мрежи) е, че броят на WS може да е голям и те да са разположени близо един до друг. Освен това често данните от WS се събират в мрежови възли (WINS Gateway), които от своя страна имат връзка със съществуваща комуникационна мрежа.

Интегрални схеми на WS
Независимо от споменатия им малък относителен дял, в последно време в академични и развойни центрове се работи по създаването на нови модели чрез съвременни технологични решения, например BiCMOS на основата на SiGe.

Сензори за налягане (Wireless Pressure Sensor). Голяма част от тях са предназначени за измерване на налягането в автомобилни гуми. На фиг.3 е дадена структурата на серия от три ИС с означения SP370-25-106-0 за обхват 100-450 kPa, SP370-25-116-0 за 100-900 kPa и SP370-23-156-0 за 100-1300 kPa при максимална скорост на предаване на данни 20 kbps от първите две и 10 kbps на третата.

В двуредовия корпус има отвор за достъп на въздуха. В блока MEMS Sensor Die налягането се измерва чрез Pressure Cell, а Acceleration Cell е за измерване на ускорението по радиуса на гумата. Температурата на въздуха се измерва чрез блока Т, а захранващото напрежение – чрез V. Последното се осигурява от литиева батерия 3 V и се подава между изводи VBAT и GND, като се допуска да е 1,9-3,6 V.

Напреженията от четирите сензора се преобразуват в 8-разредни числа от блока ADC и постъпват на микроконтролера (тип 8051) Embedded Microcontroller, който има RAM с обем 6 kB, Flash памет (256 В) и ROM с програмата за работа му. Изводи РР0-РР2 на ИС могат да се използват в стационарни приложения на ИС за извеждане на данните от измерванията, формирани в съответствие с интерфейса I2C или да са входно-изходни изводи с общо предназначение GPIO.

За работата на микроконтролера са необходими тактови импулси от блока Clock and Reset Source, които му се подават чрез System Controller. Чрез същия блок се осигурява и споменатото намаляване на постояннотоковата консумация – в режим “очакване” цялата ИС консумира не повече от 0,7 mA.

Предавателят ISM band transmitter може да работи на честоти 315 MHz и 434 MHz и към изводите му РА и PGND се свързва антената, на която се подава мощност 3,16 или 6,31 mW, избирана чрез външно управление. Последното се осигурява чрез приемане на сигнали от блока 125 kHz LF Receiver с помощта на антена, свързвана между изводите му LF и XFL.

Предназначението на сигналите е на първо място подаване на команда за измерване на налягането, данните за което се придружават от идентификационния номер на сензора. За работата на предавателя е необходим външен кварцов резонатор между изводи XTAL и XGND и капацитети на XTALCAP-XGND.

Блокът Voltage Regulator осигурява необходимите стабилизирани захранващи напрежения на останалите блокове, като едно от тях е изведено на VREG. Работният температурен обхват на трите ИС е -40 °Сё+125 °С, а поради тяхната сравнително сложна структура е прието наименованието Tire Pressure Monitoring System (TPMS). Общият брой на произведените досега ИС е около 150 милиона.

За измерване на малки налягания (от 0,05 Pa до около 100 Ра), което е известно като умерен вакуум, съществува метод за определянето им чрез температурата на нагревател с неизменен протичащ през него ток. Разработват се WS за налягане, с които като нагревател се използва прибор с повърхнинни акустични вълни (SAW), тъй като той консумира много малка енергия.

Сензори за температура. Съществуват сериозни принципни ограничения за реализацията им като ИС на основата на блоковата схема на фиг.1а с използване за SEN на термистори или на p-n преходи. Съществуват опити за преодоляването им чрез ползване на модули с твърде малки размери, пример за какъвто е WSN802G на RF Monolithics. Той е за обхвата 2,4 GHz, работи с външно свързан термистор и има размери 26,7x24,9x3,18 mm.

За реализацията на ИС се води сериозна изследователска работа и засега многообещаващо е използването на температурната зависимост на честотата на SAW резонатори, от които се очаква да измерват до 1000 °С. Допълнително предимство е непосредственото излъчване от тях на електромагнитните вълни, без да е необходим отделен предавателен блок.

Сред първите модели на пазара е SS436FB4 на SAW Components Dresden с честота 437,03 MHz при 20 °С, която намалява с увеличаването на температурата по приблизително линеен закон с температурен коефициент -30 ppm/°С. Работният температурен обхват е -40ё+350 °С, а размерите са 3x3x1,08 mm.

Безжични предаватели и приемо-предаватели
Блокът TR на фиг. 1а може да е предавател или приемо-предавател, като последният е много по-разпространен поради вече описаната двупосочна връзка.
Предаватели. Използват се, когато е достатъчно само да се предават събраните данни, без да е необходимо управление на работата на WS по време на експлоатацията му. Примери за това са охранителни системи, системи за събиране на данни от електромери, управление на електродомакински уреди и индустриални машини.

За изясняване на структурата и действието на Tx на фиг. 4 е дадена блоковата схема на ИС TDA5150, четирите разновидности на която се различават основно по честотните си обхвати (300-320, 433-450 и 863-928 MHz) и изходната мощност (5, 8 и 10 dBm). Между изводи XTAL и GND се поставя кварцов резонатор с честота между 12 и 14 MHz и напрежението на реализирания с него осцилатор е на извод CLKOUT за ползване от други устройства.

Антената се свързва между PAOUT и GNDPA, а входните цифрови сигнали между SDIO/DATA и GND са в съответствие с интерфейса SPI, който изисква тактови импулси на вход SCK. Захранващото напрежение на ИС е 1,9-3,6 V, подава се между изводи VBAT и GND и се стабилизира от блока VREG, чието напрежение на извод VREG може да се използва от външни товари. При изключване на ИС чрез вход EN тя консумира 0,4 mA, а работният температурен обхват е -40ё+85 °С.

За същия температурен обхват е серията Si4030/31/32 на Silicon Labs със скорост на предаване 123-256 kbps и размери на ИС 4x4x9,9 mm. Първата ИС е за обхват 900-960 MHz, а на другите две той е 240-930 MHz, като желана честота се установява от вградения синтезатор чрез управляващия интерфейс SPI. Захранващото напрежение на ИС е 1,8-3,6 V, а специфична особеност е вграденият сензор за температура, цифровите данни от чието измерване също се предават.

Производителите на предаватели обикновено предлагат в каталозите и подходящи ИС на приемници, които без да представляват част от WS, са задължителен елемент за ползването им. Тук могат да се отбележат TDA5240 на Infineon и Si4330-B1 заедно с Si4355 на Silicon Labs.

Приемо-предаватели. Те са много по-широко използвани в сравнение с отделните предаватели и приемници, тъй като основната част от WS трябва да осигурява двупосочни връзки. Идея за структурата на ИС на TR е дадена на фиг.5а. В режим “Приемане” чрез ключа SW антената А се свързва към входа Rx на малошумящия усилвател LNA, чиято минимална входна мощност за нормална работа представлява параметъра чувствителност на приемника (Receiver Sensitivity) RS.

Тази мощност нараства с увеличаване на скоростта на приеманите данни, като зависи и от вида на модулация на сигналите. Важно е да се отбележи, че в много TR ключът се избягва чрез подходящо схемно решение на РА и LNA (те се свързват непосредствено към А). След LNA чрез демодулатора DEMOD и синтезатора PLLсе получава нискочестотният сигнал, а за работата на PLL е необходим кварцов резонатор, обикновено свързван външно към изводи ХО на TR.

Чрез аналогоцифровия преобразувател ADC се получават необходимите цифрови сигнали за подаване през блока Rx/Tx Modem на цифровия вход/изход I/O, който може да е в съответствие с определен интерфейс или данните на него да са в паралелен вид и с някое от стандартните логически нива. В режим “Предаване” данните от I/O се модулират от Rx/Tx Modem и усилвателят РА осигурява необходимата мощност POUT за подаване чрез SW на А.

В част от TR стойността на POUT може да се програмира чрез I/O – например в този на ред 10 от табл.1 това се прави със стъпка 0,4 dB. Обхватът на покритие се дава само за WS с вградена антена, като се отбелязва при какви условия е стойността му (в помещения, извън тях със сгради наоколо и в открито пространство).

В табл. 1 са дадени основните параметри на TR, като захранващите напрежения VCC и VDD са съответно на аналоговата и цифровата част (при дадено едно напрежение то е за целия TR), консумираните токове ICC/Rx и ICC/Tx са в режим “Приемане” и “Предаване”, а IS (Standby Current) е за режим “Очакване”.

Трябва да се прибави, че ICC/Tx е правопропорционален на изходната мощност и затова големината му се дава при фиксирана нейна стойност. Освен това при наличие на няколко обхвата може ICC/Tx да е различен за всеки от тях. С I/O са отбелязани логическите нива на цифровите входни и изходни данни.

За намаляване на размерите на WS понякога TR се обединява с антената в малък модул. Пример е MRF89XAM8A на Microchip Technologies, реализиран с TR от ред 4 на табл. 1, видът на чиято антена е показан на фиг. 5б, а размерите на модула са 27,9x17,8x1,9 mm. С вградена антена са и WS от редове 3 и 5.

Безжични микроконтролери
По принцип те представляват ИС, съдържащи блоковете uC и TR от фиг. 1а, и поради значителната си сложност често се означават като система върху чип (System-on-Chip, SoC). Вместо микроконтролер в ИС от редове 3 и 8 на табл. 2 е използван микропроцесор.

Очевидни предимства от обединяването на двата блока са намаляването на заеманата площ от WS заради замяната на две ИС с една и намаленият брой на външните елементи.
Пример за свързването на ИС от ред 9 е даден на фиг. 6. Кварцовият резонатор за 32 kHz се ползва в почти всички приложения, а свързването на антената е специфично за всяка ИС.

Съществуват изключения на ИС само с предавател (ред 2 на табл.2), както и на такава с приемник не за данни, а само за дистанционно задействане на Тх (ред 1), което е уместно главно в WS с батерийно захранване. Част от ИС (редове 3 и 6) са с вградени сензори за температурата на кристала им, а други (редове 1, 4, 5 и 9) – и за захранващото напрежение. Допълнителна особеност на някои микроконтролери (редове 1 и 3-9) е вграденият копроцесор за криптиране на данните, обикновено в съответствие с AES-128.

Примери за приложение на безжичните микроконтролери освен в WS за приближение, присъствие и някои функции на човешкия организъм са в компютърна периферия, битови и индустриални системи за управление и др.

Таблица 2 съдържа само основните параметри и част от особеностите на безжичните микроконтролери, като всеки от моделите има и множество други възможности – например към дадения в ред 5 може да се свързва външна Flash или EEPROM, а този в ред 8 е част от серия, позволяваща реализиране на мрежи със стандарта ZigBee. Трябва да се прибави, че освен токовете на Rх и Тх като параметри се дават и тези на други блокове, например на Flash, микроконтролера и ADC.

Захранване на безжични сензори без батерии
Принципът на захранване на електронни апаратури чрез енергия от околното пространство е твърде стар, например през 50-те години на миналия век има промишлено производство на термогенератори за поставяне върху газова лампа, чиято топлина осигурява работата на малък лампов радиоприемник.

Днес, благодарение на съвременните технологии, захранването без батерии има съвършено нови измерения и едно от многобройните му приложения е за WS. През 2013 г. са произведени безбатерийни захранвания (Energy Harvesting Module) EHM за WS за над 45 млн. USD, а предвижданията за 2017 г. са 220 млн. Засега най-масовите приложения (над 50%) са за WS в сгради, следвани от такива в индустрията, транспорта, селското стопанство, медицината, бита и контрола на околната среда.

Типична структура на ЕНМ (блокът Supp на фиг. 1а) е дадена на фиг. 7, като преобразувателят ЕН (Energy Harvester) осигурява необходимата електрическа енергия (напрежение VEN и максимален ток IENmax) чрез трансформиране на енергия от околното пространство.

При наличие на последната конверторът Conv обуславя постоянното напрежение VCC на WS и натрупва електричество в зарядния блок GU, докато при липсата й блокът отново чрез Conv продължава захранването на WS.

Основни видове ЕН. По логични причини най-масово разпространеният вид са ЕН, ползващи околната светлина, независимо дали е естествена или от изкуствен източник. Представляват няколко последователно свързани фотоволтаични клетки от типа DSSC (Dye-Sensitized Solid Cell) или от аморфен силиций (a-Si).

Първите имат предимството да осигуряват най-голяма електрическа мощност при дадена площ (измерение mW/cm2 или mW/cm2) и се използват главно при интензитет на светлината над 1000 lx (външно осветление). За вътрешно осветление се предпочитат тези от a-Si, пример за какъвто е АМ-1815 на Sanyo.

С ефективна площ 56,1x45,2 mm тя осигурява напрежение 3 V и ток 42 mA при интензитет 200 lx от флуоресцентна лампа, което е 5 mW/cm2. Генерираната мощност на всички типове нараства практически по линеен закон с увеличаване на интензитета на светлината.

За преобразуване на топлина в електрическа енергия (Thermal Harvester) се използват полупроводникови прибори на основата на ефекта на Зеебек – при разлика в температурите от 1 °С на техните n и р полупроводници между тях се получава електрическо напрежение няколко десетки mV. Засега на пазара се предлагат малко модели (например G1-1.0-127=1.27 на Tellurex), които се използват главно за лабораторни разработки на ЕН.

Механичната енергия се преобразува с електрическа чрез използване на пиезоелементи (Piezoelectric EH) – при механично въздействие те генерират електрическо напрежение между няколко V и няколко десетки V и мощност до няколко mW, като и двете величини са пропорционални на прилаганата сила.

Пример е серията  от 6 прибора Volure на Mide Technology със структура, показана на фиг.8. Приборът V25W от серията е с размери 74,7x33,3x0,856 mm, като генерираните напрежение и мощност зависят от големината на тежестта (TIP MASS), честотата и амплитудата на вибрациите, например при 15,6 грама, 40 Hz и 1 g се получават максимална мощност 9,2 mW и променливо напрежение 9 V.

Генерирането на постоянно напрежение чрез натиск е на ниво лабораторни разработки – Renesas Electronics има такава за генериране на постоянно напрежение до 1,8 V чрез натискане на бутон.

Енергията на електромагнитните вълни също се използва за постояннотоково захранване. Пример за това е ИС TMS37157 на Texas Instruments, която изпълнява функциите на TR на фиг. 1а, работещ на 134,2 kHz, и едновременно с това при краткото изпращане на електромагнитна вълна за снемане на данните от SEN осигурява зареждането на акумулатора на WS.

Заряден блок. В зависимост от вида на WS и режима му на работа блокът може да бъде обикновен кондензатор, суперкондензатор или акумулатор, като за последния се предпочитат тънкослойни акумулатори (Thin Film Battery) TFB. Пример е EFL700А39 на ST Microelectronics с работно напрежение 3,6-4,2 (типично 3,9 V), капацитет 0,7 mAh, и максимален ток на разреждане 10 mA.

Конвертори. За реализация на блока Conv на фиг.7 са създадени ИС с основно изискване да осигуряват VСС чрез ползване на различни видове ЕН. Такава е МАХ17710 на Maxim Integrated с възможности за работа с ЕН за светлина, топлина и електромагнитна енергия и изход за зареждане на акумулатора МЕС101.

Изходното стабилизирано напрежение се избира да е 1,8 V, 2,3 V или 3,3 V чрез подходящо свързване на предвиден за това извод на ИС. За работа с пиезоелектрични преобразуватели е LTC3588-2 с типично свързване на фиг. 9. Зарежданият кондензатор е 10 mF при максимално напрежение за работа на ИС VIN=18 V и стабилизирано изходно напрежение VOUT със стойности 3,45, 4,1, 4,5 и 5 V, избирани чрез логическите нива на изводи D0 и D1. Изходният ток е не по-малък от 100 микроампера.

ЕКСКЛУЗИВНО

Top