基于物聯(lián)網(wǎng)的低功耗分析儀設(shè)計與實現(xiàn)

摘 要 物聯(lián)網(wǎng)是一種利用微電子芯片、傳感器和無線通信等多種技術(shù)，按照一定的通信協(xié)議將事物數(shù)字化，它的特點具有低成本、低功耗，其產(chǎn)品是否低功耗也是影響應(yīng)用關(guān)鍵因素，所以針對研發(fā)的過程中檢測與優(yōu)化是不可缺少環(huán)節(jié)。低功耗分析儀的開發(fā)與應(yīng)用有利縮短物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品開發(fā)周期和提高開發(fā)效率。

關(guān)鍵詞 低功耗；分析儀；物聯(lián)網(wǎng)

中圖分類號 TP3 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2017）187-0076-03

在國家重點打造的“互聯(lián)網(wǎng)+”、智慧城市和云計算等信息發(fā)展戰(zhàn)略推動下，物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)是基于互聯(lián)網(wǎng)后新信息技術(shù)發(fā)展方向，物聯(lián)網(wǎng)在智慧電網(wǎng)、智慧交通和智慧家居等多個行業(yè)大力的應(yīng)用，并取得了良好的成果，實現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)對傳統(tǒng)信息化技術(shù)的革命。針對傳統(tǒng)嵌入式技術(shù)在內(nèi)存管理、CPU處理能力、功耗管理等資源方面的限制，同時物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用推廣，原有的電子產(chǎn)品開發(fā)手段和相關(guān)輔助設(shè)備基本上不能滿足物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)新技術(shù)產(chǎn)品的要求，已經(jīng)逐漸變?yōu)槲锫?lián)網(wǎng)發(fā)展的技術(shù)瓶頸。隨著物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)企業(yè)的增多，開發(fā)過程中重要檢測設(shè)備需求越來越多，并且檢測儀器的種類和精度也要求越來越高，例如空中協(xié)議分析儀、低功耗分析儀和頻普儀等物聯(lián)網(wǎng)輔助檢測設(shè)備，是開發(fā)和研究物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的必備基礎(chǔ)設(shè)備。從產(chǎn)品設(shè)計、開發(fā)角度看，專業(yè)的儀器能夠幫助物聯(lián)網(wǎng)工程師和技術(shù)人員更高效地設(shè)計和調(diào)試物聯(lián)網(wǎng)、傳感器網(wǎng)絡(luò)等復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品，加快產(chǎn)品研發(fā)和測試過程度，有利于提高產(chǎn)品質(zhì)量，縮短產(chǎn)品上市時間以及更新周期。

1 概述

物聯(lián)網(wǎng)硬件主要是微電子集成芯片，低功耗特性是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的重要指標，所以低功耗設(shè)計己經(jīng)成為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用芯片設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)，低功耗技術(shù)在集成電路設(shè)計中分別從工藝級、電路級、綜合級和物理級等分析了常見低功耗的設(shè)計方法，例如門控電源、時鐘、多電壓等。因為電壓的平方和電路功耗成正比，多電壓技術(shù)已成為低功耗技術(shù)中特別常用的方法，在多電壓的基礎(chǔ)上對處于空閑狀態(tài)的模塊進行睡眠處理，空閑時電路和接收數(shù)時所用的能耗相近，采用門控電源的方法可以進一步使能耗降低。

低功耗分析儀是針對物聯(lián)網(wǎng)芯片應(yīng)用開發(fā)中需要對開發(fā)的產(chǎn)品能耗進行檢測，特別低功耗檢測而開發(fā)檢測設(shè)備，低功耗儀能對功耗動態(tài)分析和監(jiān)測，能夠連續(xù)檢測出各種傳感器節(jié)點在功率不同狀態(tài)下功耗變化值、平均電流、時鐘周期等，并能自動記錄和測試功能，是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用研發(fā)中的重要儀器之一。

2 低功耗分析儀總體設(shè)計

本低功耗分析儀思路有別于大型儀器廠家的無損式低功耗測量方法，它的設(shè)計思路是切斷需要測量節(jié)點的供電電路，將設(shè)備串聯(lián)進去，然后通過精密采樣電阻將電流信號采集出來。這時我們需要設(shè)計采樣電路和恒流源電路，因為測量的范圍比較大，需要多個采樣電路來分別針對不同電流。需要設(shè)計參考電壓電路和參考零電平。為了保證信號分析的準確性，杜絕外界干擾，設(shè)計了10Hz/10KHz低通濾波器和50Hz的帶阻濾波器，如圖1所示。

3 低功耗分析儀原理設(shè)計

低功耗分析儀主要是用來分析電池供電節(jié)點的電流消耗情況，現(xiàn)在我們常用的ZigBee節(jié)點工作電流的峰值一般分兩種，帶PA的可以達到200mA、不帶PA的可以達到40mA。ZigBee節(jié)點在休眠時電流消耗基本都是在uA級別的。所以我們的低功耗分析儀的設(shè)計需要覆蓋常規(guī)單片機的最大和最小電流消耗范圍。目前市面上電流消耗最小的單片機就是TI的MSP430，極限低電流為nA級別的。所以開發(fā)的設(shè)備需要能夠分析nA、uA、mA甚至到A。其原理是將電阻串在電路中，然后采集電阻上的分壓來獲取電路中的電流。其關(guān)鍵部分設(shè)計如下：

1）校準電路設(shè)計。它的作用是維持低功耗分析儀的精準度，每次上電時主處理器通過四個端口發(fā)送一定占空比的PWM波到U21 DG408DY模擬轉(zhuǎn)換開關(guān)芯片上，然后芯片通過模擬開關(guān)的通斷產(chǎn)生PWM波，這些波通過電阻R52、R54、R60和R59轉(zhuǎn)換成校準電壓，通過轉(zhuǎn)換后的校準電壓來調(diào)整系統(tǒng)的零點，如圖2所示。

2）低通濾波器設(shè)計。低通濾波器目的是為了濾除低頻雜波。信號通過4引腳進入U11（SN74LVC1G3157）的A端口，SN74LVC1G3157為單極雙閘模擬開關(guān)，B1和B2的輸出由LA_LPF _BYPASS來進行選擇。選擇之后信號進入下一級SN74LVC1G3157。運放TL082和兩級SN74LVC1G3157構(gòu)成一個低通濾波器。LPF_OUT出去的信號就是已經(jīng)濾波后的信號，如圖3所示。

3）工頻干擾濾波器設(shè)計。50Hz工頻干擾濾波器，該部分為陷波器，為了濾除常用交流電產(chǎn)生的工頻干擾。主要是采用了陷波器在工頻和信號頻段不一致，可以實現(xiàn)濾波，有效的抑制輸入信號中某一頻率信息，并保證其他頻率的信號不損失。在我國采用的是交流電50Hz頻率，在平時需要對信號分析和進行采集處理，當電路中需要濾除已存在的某一特定頻率的干擾信號時，就經(jīng)常用到陷波器，這個技術(shù)已經(jīng)很成熟，不僅在通信設(shè)計中經(jīng)常用到，在自動化控制、聲納、儀表儀器和計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)都得到廣泛應(yīng)用，如圖4所示。

圖4中的電路叫雙T型濾波器電路，圖中U5-A接成電壓跟隨器的形式，U5-B是用作放大器，其輸出端也是整個電路的輸出。通常加入電壓跟隨器就是為了提高Q值，在此電路設(shè)計中，可以使Q值提高到50以上，從而來調(diào)節(jié)R25、R21兩個電阻的阻值，實現(xiàn)控制陷波器的濾波功能，也包括帶阻濾波頻帶的寬度和Q值的高低。在雙T網(wǎng)絡(luò)要達到較好的衰減特性需要離中心頻率較遠時才能達到，因此圖中濾波器的Q值不高。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

低功耗分析儀采用嵌入式面向?qū)ο箝_發(fā)設(shè)計，硬件顯示部分采用10寸彩色1280×800高分辨率TFT。軟件采用觸摸屏，方便快捷，核心處理部件采用高級高速低功耗處理器和大容量存儲器，輸入阻抗：1W/100W；垂直檔位：毫安檔、微安檔，檔位內(nèi)均按1-2-5步進，毫安最大量程為500mA，微安檔最大量程為1000mA；水平時間分辨率：微秒、毫秒、秒，檔位內(nèi)均按1-2-5步進。最小分辨率為1ms，最大分辨率為10s；工作模式：自動模式/單次觸發(fā)模式。自動模式為顯示電流隨時間變化的曲線（從時域角度說并不是連續(xù)的時間），單次模式是為滿足一定條件的電流在一段連續(xù)的時間上的變化曲線；采用USB2.0接口連接。

測試低功耗分析儀常用物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)中ZigBee節(jié)點，其中需要ZigBee協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點（終端節(jié)點只包含cc2530模塊，最好用電池板CC2530電池供電），燒入低功耗測試的相應(yīng)用HEX文件，代碼實現(xiàn)間隔500ms和間隔2s發(fā)送數(shù)據(jù)。在低功耗分析儀顯示屏上可以得到正常曲線如圖5所示。

5 結(jié)論

物聯(lián)網(wǎng)在智能化方面示范與應(yīng)用，推動了國內(nèi)在此領(lǐng)域自主生產(chǎn)與研發(fā)，逐步形成了與物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展相匹配的技術(shù)支撐體系。低功耗分析儀的設(shè)計目的是為了滿足物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點開發(fā)中能耗分析和優(yōu)化；從而達到節(jié)能。同時，在高校教科研中利低功耗儀提高物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)水平，加快物聯(lián)網(wǎng)人才培養(yǎng)。

參考文獻

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基金項目：浙江省科學技術(shù)廳公益項目“物聯(lián)網(wǎng)多功能協(xié)議分析測試儀研發(fā)和應(yīng)用”（2015C31169）；嘉興市科技局科技計劃項目“Android 嵌入式智能家居網(wǎng)關(guān)及監(jiān)控系統(tǒng)的研制”（2013AY11023）。

作者簡介：桑世慶，嘉興職業(yè)技術(shù)學院信息技術(shù)分院。