基于物聯網的低功耗分析儀設計與實現

摘 要 物聯網是一種利用微電子芯片、傳感器和無線通信等多種技術，按照一定的通信協議將事物數字化，它的特點具有低成本、低功耗，其產品是否低功耗也是影響應用關鍵因素，所以針對研發的過程中檢測與優化是不可缺少環節。低功耗分析儀的開發與應用有利縮短物聯網產品開發周期和提高開發效率。

關鍵詞 低功耗；分析儀；物聯網

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“互聯網+”、智慧城市和云計算等信息發展戰略推動下，物聯網已經是基于互聯網后新信息技術發展方向，物聯網在智慧電網、智慧交通和智慧家居等多個行業大力的應用，并取得了良好的成果，實現了物聯網對傳統信息化技術的革命。針對傳統嵌入式技術在內存管理、CPU處理能力、功耗管理等資源方面的限制，同時物聯網技術應用推廣，原有的電子產品開發手段和相關輔助設備基本上不能滿足物聯網技術新技術產品的要求，已經逐漸變為物聯網發展的技術瓶頸。隨著物聯網開發企業的增多，開發過程中重要檢測設備需求越來越多，并且檢測儀器的種類和精度也要求越來越高，例如空中協議分析儀、低功耗分析儀和頻普儀等物聯網輔助檢測設備，是開發和研究物聯網系統的必備基礎設備。從產品設計、開發角度看，專業的儀器能夠幫助物聯網工程師和技術人員更高效地設計和調試物聯網、傳感器網絡等復雜網絡產品，加快產品研發和測試過程度，有利于提高產品質量，縮短產品上市時間以及更新周期。

1 概述

物聯網硬件主要是微電子集成芯片，低功耗特性是物聯網技術的重要指標，所以低功耗設計己經成為物聯網應用芯片設計的關鍵技術，低功耗技術在集成電路設計中分別從工藝級、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，多電壓技術已成為低功耗技術中特別常用的方法，在多電壓的基礎上對處于空閑狀態的模塊進行睡眠處理，空閑時電路和接收數時所用的能耗相近，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網芯片應用開發中需要對開發的產品能耗進行檢測，特別低功耗檢測而開發檢測設備，低功耗儀能對功耗動態分析和監測，能夠連續檢測出各種傳感器節點在功率不同狀態下功耗變化值、平均電流、時鐘周期等，并能自動記錄和測試功能，是物聯網應用研發中的重要儀器之一。

2 低功耗分析儀總體設計

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，它的設計思路是切斷需要測量節點的供電電路，將設備串聯進去，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計

低功耗分析儀主要是用來分析電池供電節點的電流消耗情況，現在我們常用的ZigBee節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計需要覆蓋常規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。所以開發的設備需要能夠分析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。其關鍵部分設計如下：

1）校準電路設計。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送一定占空比的PWM波到U21 DG408DY模擬轉換開關芯片上，然后芯片通過模擬開關的通斷產生PWM波，這些波通過電阻R52、R54、R60和R59轉換成校準電壓，通過轉換后的校準電壓來調整系統的零點，如圖2所示。

2）低通濾波器設計。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，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構成一個低通濾波器。LPF_OUT出去的信號就是已經濾波后的信號，如圖3所示。

3）工頻干擾濾波器設計。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，就經常用到陷波器，這個技術已經很成熟，不僅在通信設計中經常用到，在自動化控制、聲納、儀表儀器和計算機網絡技術都得到廣泛應用，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，在此電路設計中，可以使Q值提高到50以上，從而來調節R25、R21兩個電阻的阻值，實現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網絡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 系統實現

低功耗分析儀采用嵌入式面向對象開發設計，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的時間），單次模式是為滿足一定條件的電流在一段連續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網應用開發中ZigBee節點，其中需要ZigBee協調器和終端節點（終端節點只包含cc2530模塊，最好用電池板CC2530電池供電），燒入低功耗測試的相應用HEX文件，代碼實現間隔500ms和間隔2s發送數據。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 結論

物聯網在智能化方面示范與應用，推動了國內在此領域自主生產與研發，逐步形成了與物聯網產業發展相匹配的技術支撐體系。低功耗分析儀的設計目的是為了滿足物聯網節點開發中能耗分析和優化；從而達到節能。同時，在高校教科研中利低功耗儀提高物聯網開發水平，加快物聯網人才培養。

參考文獻

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[3]任偉，顧小莉，王麗華.基于ZigBee的低功耗無線溫室環境監測系統設計[J].農機化研究，2014（9）：103-107.

基金項目：浙江省科學技術廳公益項目“物聯網多功能協議分析測試儀研發和應用”（2015C31169）；嘉興市科技局科技計劃項目“Android 嵌入式智能家居網關及監控系統的研制”（2013AY11023）。

作者簡介：桑世慶，嘉興職業技術學院信息技術分院。