基于PSoC混合信号可编程控制器简化数据采集和处理的应用设计

作者：赛普拉斯半导体 Ajay Bharadwaj，Balaji Mamidala

一个或多个传感器获得信号，系统发送和处理从传感器获得的数据。传感器节点可以通过有线或无线网络交流彼此的数据或者集中到一点。

因此传感器网络可以归类为一种数据采集网络和数据分发网络。典型数据采集系统由传感器和处理实际信息的线路构成，数据分发网络涉及到通信协议，网络拓扑，传送和处理数据方法。使用的基本网络拓扑星型、环形、总线型和网状结构，如图1所示。

图1：网络拓扑

传感器网络拓扑结构的选择取决于应用，数据处理类型和需求。改善PC与现实世界连接性的需求正蓄势待发。用到了很多传感器和激励，整合可用数据将它们互联正成为必然。

传感器网络节点的数量持续增加，有线连接有可能不能使用，因为有些传感器要放置在偏远地区。每个节点的成本也在下降，感应节点能到达的范围也更宽了。低功率无线技术还有许多先进性，它可以用来设计更有效的系统。

无线网络与有线网络相比还能提供更好的可扩展性，无线网络中加入一个新节点更容易。传感器网络需要平衡传感器节点的性能和寿命。无线节点可动态配置来权衡，并且可以自动操作进行局部控制和电源管理。许多无线协议可以用作传感器网络，例如Zigbee、蓝牙技术、GSM、Wi-Fi等。无线协议的选择取决于传感器网络应用的需要。

低功耗能力

无线传感器网络节点只需要很少的维护，使用同一块电池就可以工作好几天，有时是几个月。因此，低功率设计在现实世界的无线传感器网络中是非常苛刻的，并且还有一个基本要求，传感器节点处理和传送传感器数据时要有非常低的功耗。

传感节点中的传感器通常测量缓慢变化的模拟量，节点只需要激活很短的一段时间来传输数据，然后进入休眠。这就意味着传感器节点必须有优秀的待机电流。并且，大部分的数据传输是从传感器节点到基站。

网络架构与通讯协议必须利用这种不对称的传感器节点到基站的传感通讯。低功耗传感器设计是至关重要的。具备低功率功能传感器的微型机电系统（MEMS）也是很关键的。传感器节点可能工作在不同的、来源密集分布的节点环境中。传感器节点也需要使用非常低的功率在噪声环境中传输。

传感器节点的数据集合

来自传感器网络的数据必须在一个集中的地点汇集和处理。传感器网络中数据处理可分为数据传输和数据采集。

数据传输由传感器网络中路由的信息处理。这些信息也可能是从传感器获得的数据或来自其它传感器的数据请求。现在已经有很多传感器网络数据传输的算法。

数据采集算法在通信中数量特别大，从传感节点开始到结束都在通讯。在这种情况下，需要权衡的是延迟和功耗。在直接传输情况下，每一个节点直接将所收集的数据发送到中央网络（在节点具备GSM能力的情况下）。无线传感器网络节点上面会跑一个操作系统。这使得扩充增加更多的无线传感器变得更容易。

传感器网络的操作系统类似于嵌入式操作系统，因为它们是为某个应用专门开发的，并不是通用的。而且，由于该系统有低功率和低成本的要求，所以不能用通用操作系统。考虑到大多数传感器网络不需要实时能力，可以选择较小的操作系统，如专为传感节点设计的TinyOS。

图2显示了一个典型的使用GSM（全球移动通信系统）调制解调器实现的传感器网络。这里所有的传感器把其数据送到一个集中的服务器。服务器控制每个传感器节点；然而，传感器节点之间不能通讯。服务器必须干涉任何两个传感器节点之间的通信。

图2：传感器网络的典型实现

GSM调制解调器

GSM（全球移动通信系统）是移动电话现有的标准之一。虽然最初仅用于语音通信，它已经通过GPRS（通用分组无线服务技术）和EDGE（增强型数据速率GSM演进技术）实现了数据通讯能力。GSM调制解调器是调制解调器的一个类型，其接受 SIM（用户识别模块），就像移动电话一样工作。GSM调制解调器可以用于低功耗模式，或者不用时可以关闭。

由GSM网络传输数据的费用也在迅速下降。并且，GSM调制解调器可以使用标准的通信协议容易地连接到微控制器。移动电话处理声音和数据的情况也越来越多。大多数GSM调制解调器具备TCP / IP堆栈，可以用来在安全通道传送数据。这也降低了应用程序开发的复杂性，使微控制器可以简单地连接到GSM调制解调器。

GSM调制解调器可以连接到任何一个IP（网络协议）地址并传送数据。多个调制解调器可以向一个单一的IP地址发送数据，所有的数据可以在世界上任何一个地方集中和处理。用户可以基于网络发送的数据远程动态配置每个调制解调器。在某些网络，一个单独的节点就具备GSM能力。其它节点会把数据发送到这个特殊的节点，然后再传送到中央服务器。这可以减少整体系统的成本，但如果节点不是群集在一起，就不能这样实现了。

GSM调制解调器还可以提供即时警报，可以通过SMS（短消息服务）或根据情况把数据传输到一个不同的高优先级的IP地址。这些特性可用于容错和冗余校验。

让我们看一个GSM调制解调器的例子（SIM300），其通过一个串行端口与微控制器通讯。调制解调器有一个标准指令集，AT指令。这些指令控制调制解调器和微控制器之间的操作。微控制器通过UART（通用异步收发器）接口在一个特定的波特率发送这些指令。

使用特定指令可以配置调制解调器，那么通过串口发送的数据就可以传送到中央服务器。因此，与GSM调制解调器的接口简化了传感器网络中的数据采集和处理。

完整的系统实施

一个传感器节点包含一个模拟信号链，还需要大量的数字外围接口。每个传感器节点可能要连接到不同类型的传感器，这就需要接口和I/O的灵活性。单个节点的可编程性在一个成功的传感器网络实现中起着至关重要的作用。

图3：使用PSoC实现传感器节点的框图

图4：使用PSoC实现传感器节点的内部设计

赛普拉斯的PSoC混合信号可编程控制器可以提供模拟和数字系统，其可配置成为每个节点所需的功能。这就不需要为不同类型的传感器配备专门的硬件。这种片上系统（SoC）微控制器还可以只用一颗芯片就可处理传感器节点所需的所有任务，其包括ADC，DAC，PGA，比较器，放大器，数字滤波功能，DMA，LCD控制器，等等。

使用SoC的系统设计可以快速设计和频繁改变来配合传感器节点的定制。PSoC睡眠方式有很低的功耗，非常适合这类应用。

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