物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的低功耗通信電子電路研究與設(shè)計(jì)

張逸卓

（東南大學(xué)，江蘇 南京 210096）

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)的迅猛發(fā)展是當(dāng)今科技領(lǐng)域的顯著特征之一。通過將傳感器、設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)融合，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備之間的智能化通信，為人們的日常生活和產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶來了巨大的便利。然而，隨著物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量的迅速增加，低功耗通信在保證設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)行中尤為關(guān)鍵。傳統(tǒng)通信技術(shù)的高功耗導(dǎo)致許多物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備難以在資源受限的環(huán)境下高效工作，這引發(fā)了對(duì)低功耗通信電子電路設(shè)計(jì)的迫切需求[1]。

1 低功耗通信電子電路設(shè)計(jì)

1.1 芯片選型

在微控制器選型中，深入評(píng)估了3 款主流低功耗微控制器，分別是PIC32MX170F256B、STM32F407和LPC54018，具體對(duì)比如表1 所示。由表1 可知：PIC32MX170F256B 在功耗表現(xiàn)較低，但性能中等，成本適中；STM32F407 在功耗上更低，性能相對(duì)較高，成本適中；LPC54018 功耗較低，性能高，但成本較高。

表1 微控制器選型對(duì)比

在通信模塊的選型中，考慮WLR089U0、CC2640R2F和SIM7000G，功耗、通信距離和成本的對(duì)比結(jié)果如表2 所示。由表2 可知：nRF52832 功耗低，適用于近距離通信，成本適中；CC2640R2F 適用于遠(yuǎn)距離通信，功耗低，成本適中；而SIM7000G通信距離較遠(yuǎn)，但功耗較高，成本適中[2]。

表2 通信模塊選型對(duì)比

最終選擇STM32F407 作為微控制器，搭配WLR089U0 作為通信模塊，以實(shí)現(xiàn)低功耗、高性能、適中成本的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

1.2 電源管理電路設(shè)計(jì)

在低功耗通信模塊的電源設(shè)計(jì)中，引入電流測(cè)量控制部分是為了實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備功耗的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)和優(yōu)化[3]。該部分的關(guān)鍵作用之一是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備的功耗狀況，使系統(tǒng)能夠根據(jù)實(shí)際需求調(diào)整電源工作狀態(tài)，從而最大限度地降低功耗。通過電流測(cè)量，系統(tǒng)可以智能管理電源，延長(zhǎng)電池壽命，動(dòng)態(tài)調(diào)整電流，以適應(yīng)設(shè)備在不同工作模式下的電流需求。此外，電流測(cè)量為系統(tǒng)提供了故障檢測(cè)、實(shí)時(shí)性能監(jiān)控和智能休眠喚醒等功能，使設(shè)備在保持高效性能的同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)最大限度的節(jié)能和穩(wěn)定性。電流測(cè)量控制部分在電源設(shè)計(jì)中發(fā)揮著關(guān)鍵的作用，為低功耗通信模塊提供了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和智能優(yōu)化的能力。

電源管理電路包括電量測(cè)量控制部分、輸入電流放大濾波部分。該電源管理系統(tǒng)通過這些部分的協(xié)同工作，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電流、電壓等關(guān)鍵參數(shù)的測(cè)量、控制和校準(zhǔn)，從而確保電源系統(tǒng)的安全、高效運(yùn)行。

1.2.1 電量測(cè)量控制部分

作為電量測(cè)量控制部分的控制器，SAMD20E17A是一款基于ARM Cortex-M0+內(nèi)核的32 位微控制器，由微芯科技推出。通過SAMD20E17A 自帶的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（Analog to Digital Converter，ADC）功能模塊，可以測(cè)量與電池電量相關(guān)的模擬信號(hào)，通過編程控制，可以精確地測(cè)量電量。

1.2.2 輸入電流放大濾波部分

ADA4528 是一款超低噪聲、低漂移的精密運(yùn)算放大器，適用于精密測(cè)量和控制應(yīng)用。ADA4528 用于監(jiān)測(cè)電源的輸入電壓，具體電路如圖1 所示，以確保電源工作在安全范圍內(nèi)。如果檢測(cè)工作電流超過范圍阻斷輸出，則將電流信號(hào)通過旁路經(jīng)過ADA4528 一級(jí)放大20 倍后，輸入AD8656 進(jìn)行二級(jí)放大和低通濾波。

圖1 ADA4528 前端放大器

用AD8656 設(shè)計(jì)有源低通濾波器，允許低頻信號(hào)通過，同時(shí)削弱或抑制高于感興趣頻率的不需要的高頻信號(hào)。分別設(shè)計(jì)了兩路放大倍數(shù)的低通濾波，一路是增益放大2，另一路是增益放大16。

低通濾波器的截止頻率為

式中：R為電阻，取10 kΩ；C為電容，取150 pF。將數(shù)據(jù)代入式（1），得出fc為106 kHz。

濾波器的增益是輸入信號(hào)幅度增加的倍數(shù)，第一路低通濾波器的增益為2。另外一路的低通濾波器增益為16，除了R709 的電阻值替換為680 Ω，其他部分與第一路低通濾波器一致。

經(jīng)過濾波和二級(jí)放大后的電流信號(hào)，輸入SAMD20E17A 芯片進(jìn)行AD 轉(zhuǎn)換，測(cè)量電流信號(hào)。主控芯片根據(jù)電流信號(hào)的大小和電壓信號(hào)測(cè)量結(jié)果，計(jì)算整體功耗，控制電流具體輸出效率。

1.2.3 電流測(cè)量校準(zhǔn)部分設(shè)計(jì)

電流測(cè)量校準(zhǔn)部分在電流測(cè)量系統(tǒng)中扮演著至關(guān)重要的角色，其功能主要體現(xiàn)在精確度的調(diào)整、環(huán)境的補(bǔ)償、動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)以及校準(zhǔn)參數(shù)存儲(chǔ)等方面[4]。精確度調(diào)整是電流測(cè)量校準(zhǔn)部分的首要任務(wù)。測(cè)量校準(zhǔn)電路使用3 個(gè)BSH201 場(chǎng)效應(yīng)晶體管，作為動(dòng)態(tài)調(diào)整電流的控制電路。通過在場(chǎng)效應(yīng)管的漏極接地電阻的不同阻值實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的調(diào)整。BSH201 導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)的導(dǎo)通電阻是3.3 Ω，接地電阻分別是39 Ω、2.2 kΩ、47 kΩ。對(duì)應(yīng)的調(diào)整電流為78 mA、1.5 mA、57 μA。具體調(diào)整的邏輯是根據(jù)控制芯片獲得的電流檢測(cè)結(jié)果，控制相應(yīng)的輸入輸出（Input/Output，I/O），從而選擇具體的調(diào)整電流。

1.3 通信模塊電路設(shè)計(jì)

文章選用的WLR089U0 遠(yuǎn)距離無線電（Long Range Radio，LoRa）模塊采用先進(jìn)的LoRa 技術(shù)，專為滿足物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的遠(yuǎn)距離通信需求而設(shè)計(jì)。其主要特性包括卓越的通信范圍，能夠在較遠(yuǎn)的距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)傳輸，使其成為遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制等場(chǎng)景的理想選擇。關(guān)鍵的低功耗設(shè)計(jì)使得該模塊適用于使用電池供電的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，顯著延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。

為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)流程，WLR089U0 集成了射頻前端和天線匹配網(wǎng)絡(luò)，使其易于集成到各種應(yīng)用。此外，模塊提供多種接口選項(xiàng)，包括通用異步收發(fā)器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART）、串行外設(shè)接口（Serial Peripheral Interface，SPI）、內(nèi)部集成電路（Inter-Integrated Circuit，I2C）等，以滿足不同系統(tǒng)的連接需求，與主控制器和其他外部設(shè)備實(shí)現(xiàn)便捷的通信。連接WLR089U0 LoRa 模塊與微控制器（Micro Controller Unit，MCU）通常需要考慮模塊上的通信接口，如UART、SPI 或I2C。在具體的連接過程中，可以根據(jù)應(yīng)用需求和硬件特性選擇合適的通信方式。

2 測(cè)試驗(yàn)證

2.1 樣本制作與一致性驗(yàn)證

為驗(yàn)證電路設(shè)計(jì)的可行性，制作了2 組物理樣本，其中一組采用電源管理電路，另一組不采用。確保2組物理樣本在元件參數(shù)和連接方式上與仿真模型一致，以保障測(cè)試結(jié)果的可靠性。為模擬真實(shí)場(chǎng)景，樣本制作過程中注重保持與物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用環(huán)境的一致性。

2.2 配置實(shí)驗(yàn)環(huán)境與實(shí)際測(cè)試

在測(cè)試過程中，配置適當(dāng)?shù)碾娫丛O(shè)備，以確保對(duì)2 組樣本提供穩(wěn)定的電源。同時(shí)，使用功耗計(jì)、示波器和電壓表等測(cè)量設(shè)備，全面記錄了性能參數(shù)。實(shí)驗(yàn)環(huán)境的設(shè)置要符合物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景，以保證測(cè)試結(jié)果的真實(shí)性。通過監(jiān)測(cè)通信模塊的數(shù)據(jù)傳輸情況，包括傳輸速率、信噪比等，對(duì)通信模塊進(jìn)行全面的性能測(cè)試[5]。

2.3 分析實(shí)際測(cè)試結(jié)果

驗(yàn)證電路設(shè)計(jì)的可行性，通過對(duì)比實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果，確保電路設(shè)計(jì)在實(shí)際應(yīng)用中的可行性。著重關(guān)注2 組樣本在低功耗模式下的功耗表現(xiàn)，以確保電源管理電路的優(yōu)越性。對(duì)比2 組樣本的功耗曲線，評(píng)估電源管理電路在不同負(fù)載條件下的性能。分析通信模塊的性能，包括信號(hào)強(qiáng)度、誤碼率等，并與設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行比較。通過記錄相同電量下2 組樣本的使用時(shí)間，量化低功耗模式的實(shí)際效果，具體測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果對(duì)比如表3 所示。

表3 測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果對(duì)比

由表3 可知，采用電源管理樣本的平均功耗僅為5 mA，遠(yuǎn)低于未采用電源管理樣本的15 mA。此外，采用電源管理的樣本在工作時(shí)間上也有明顯的優(yōu)勢(shì)，達(dá)到了20 h，而未采用電源管理的樣本只有6 h。雖然兩者在通信模塊傳輸成功率和信噪比方面的差異不大，但電源管理的設(shè)計(jì)在功耗和工作時(shí)間方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，較大延長(zhǎng)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)在實(shí)際應(yīng)用中的持續(xù)工作時(shí)間。

3 結(jié) 論

文章成功設(shè)計(jì)并驗(yàn)證了一種高效的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)低功耗通信電子電路。這不僅在技術(shù)層面推動(dòng)了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展，還為在資源受限環(huán)境下的高效工作提供了創(chuàng)新性的解決方案。這項(xiàng)研究為未來物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了有益的經(jīng)驗(yàn)和指導(dǎo)。