基于PSoC混合信號可編程控制器簡化數據采集和處理的應用設計

作者：賽普拉斯半導體 Ajay Bharadwaj，Balaji Mamidala

一個或多個傳感器獲得信號，系統發送和處理從傳感器獲得的數據。傳感器節點可以通過有線或無線網絡交流彼此的數據或者集中到一點。

因此傳感器網絡可以歸類為一種數據采集網絡和數據分發網絡。典型數據采集系統由傳感器和處理實際信息的線路構成，數據分發網絡涉及到通信協議，網絡拓撲，傳送和處理數據方法。使用的基本網絡拓撲星型、環形、總線型和網狀結構，如圖1所示。

圖1：網絡拓撲

傳感器網絡拓撲結構的選擇取決于應用，數據處理類型和需求。改善PC與現實世界連接性的需求正蓄勢待發。用到了很多傳感器和激勵，整合可用數據將它們互聯正成為必然。

傳感器網絡節點的數量持續增加，有線連接有可能不能使用，因為有些傳感器要放置在偏遠地區。每個節點的成本也在下降，感應節點能到達的范圍也更寬了。低功率無線技術還有許多先進性，它可以用來設計更有效的系統。

無線網絡與有線網絡相比還能提供更好的可擴展性，無線網絡中加入一個新節點更容易。傳感器網絡需要平衡傳感器節點的性能和壽命。無線節點可動態配置來權衡，并且可以自動操作進行局部控制和電源管理。許多無線協議可以用作傳感器網絡，例如Zigbee、藍牙技術、GSM、Wi-Fi等。無線協議的選擇取決于傳感器網絡應用的需要。

低功耗能力

無線傳感器網絡節點只需要很少的維護，使用同一塊電池就可以工作好幾天，有時是幾個月。因此，低功率設計在現實世界的無線傳感器網絡中是非?？量痰?，并且還有一個基本要求，傳感器節點處理和傳送傳感器數據時要有非常低的功耗。

傳感節點中的傳感器通常測量緩慢變化的模擬量，節點只需要激活很短的一段時間來傳輸數據，然后進入休眠。這就意味著傳感器節點必須有優秀的待機電流。并且，大部分的數據傳輸是從傳感器節點到基站。

網絡架構與通訊協議必須利用這種不對稱的傳感器節點到基站的傳感通訊。低功耗傳感器設計是至關重要的。具備低功率功能傳感器的微型機電系統（MEMS）也是很關鍵的。傳感器節點可能工作在不同的、來源密集分布的節點環境中。傳感器節點也需要使用非常低的功率在噪聲環境中傳輸。

傳感器節點的數據集合

來自傳感器網絡的數據必須在一個集中的地點匯集和處理。傳感器網絡中數據處理可分為數據傳輸和數據采集。

數據傳輸由傳感器網絡中路由的信息處理。這些信息也可能是從傳感器獲得的數據或來自其它傳感器的數據請求?，F在已經有很多傳感器網絡數據傳輸的算法。

數據采集算法在通信中數量特別大，從傳感節點開始到結束都在通訊。在這種情況下，需要權衡的是延遲和功耗。在直接傳輸情況下，每一個節點直接將所收集的數據發送到中央網絡（在節點具備GSM能力的情況下）。無線傳感器網絡節點上面會跑一個操作系統。這使得擴充增加更多的無線傳感器變得更容易。

傳感器網絡的操作系統類似于嵌入式操作系統，因為它們是為某個應用專門開發的，并不是通用的。而且，由于該系統有低功率和低成本的要求，所以不能用通用操作系統?？紤]到大多數傳感器網絡不需要實時能力，可以選擇較小的操作系統，如專為傳感節點設計的TinyOS。

圖2顯示了一個典型的使用GSM（全球移動通信系統）調制解調器實現的傳感器網絡。這里所有的傳感器把其數據送到一個集中的服務器。服務器控制每個傳感器節點；然而，傳感器節點之間不能通訊。服務器必須干涉任何兩個傳感器節點之間的通信。

圖2：傳感器網絡的典型實現

GSM調制解調器

GSM（全球移動通信系統）是移動電話現有的標準之一。雖然最初僅用于語音通信，它已經通過GPRS（通用分組無線服務技術）和EDGE（增強型數據速率GSM演進技術）實現了數據通訊能力。GSM調制解調器是調制解調器的一個類型，其接受 SIM（用戶識別模塊），就像移動電話一樣工作。GSM調制解調器可以用于低功耗模式，或者不用時可以關閉。

由GSM網絡傳輸數據的費用也在迅速下降。并且，GSM調制解調器可以使用標準的通信協議容易地連接到微控制器。移動電話處理聲音和數據的情況也越來越多。大多數GSM調制解調器具備TCP / IP堆棧，可以用來在安全通道傳送數據。這也降低了應用程序開發的復雜性，使微控制器可以簡單地連接到GSM調制解調器。

GSM調制解調器可以連接到任何一個IP（網絡協議）地址并傳送數據。多個調制解調器可以向一個單一的IP地址發送數據，所有的數據可以在世界上任何一個地方集中和處理。用戶可以基于網絡發送的數據遠程動態配置每個調制解調器。在某些網絡，一個單獨的節點就具備GSM能力。其它節點會把數據發送到這個特殊的節點，然后再傳送到中央服務器。這可以減少整體系統的成本，但如果節點不是群集在一起，就不能這樣實現了。

GSM調制解調器還可以提供即時警報，可以通過SMS（短消息服務）或根據情況把數據傳輸到一個不同的高優先級的IP地址。這些特性可用于容錯和冗余校驗。

讓我們看一個GSM調制解調器的例子（SIM300），其通過一個串行端口與微控制器通訊。調制解調器有一個標準指令集，AT指令。這些指令控制調制解調器和微控制器之間的操作。微控制器通過UART（通用異步收發器）接口在一個特定的波特率發送這些指令。

使用特定指令可以配置調制解調器，那么通過串口發送的數據就可以傳送到中央服務器。因此，與GSM調制解調器的接口簡化了傳感器網絡中的數據采集和處理。

完整的系統實施

一個傳感器節點包含一個模擬信號鏈，還需要大量的數字外圍接口。每個傳感器節點可能要連接到不同類型的傳感器，這就需要接口和I/O的靈活性。單個節點的可編程性在一個成功的傳感器網絡實現中起著至關重要的作用。

圖3：使用PSoC實現傳感器節點的框圖

圖4：使用PSoC實現傳感器節點的內部設計

賽普拉斯的PSoC混合信號可編程控制器可以提供模擬和數字系統，其可配置成為每個節點所需的功能。這就不需要為不同類型的傳感器配備專門的硬件。這種片上系統（SoC）微控制器還可以只用一顆芯片就可處理傳感器節點所需的所有任務，其包括ADC，DAC，PGA，比較器，放大器，數字濾波功能，DMA，LCD控制器，等等。

使用SoC的系統設計可以快速設計和頻繁改變來配合傳感器節點的定制。PSoC睡眠方式有很低的功耗，非常適合這類應用。

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