持续监测的问题 - 运用替代能源进行远端感测

　　持续监测的问题

　　以上图示的基本概念是储存的电源必须超过系统最大消耗电量。在远端感测中，无线射频的功率放大器很可能在对空通讯或连线阶段耗用最多的电源，使系统在每次更新数据的间隔时进入休眠状态，还有一个问题必须解决。

　　如果系统仅需要每隔15分鐘侦测气温及溼度一次，并回报资料，整个装置可在只有一个即时时脉（RTC）运作的情况下进入休眠状态。RTC使用极低的电源，通常有一个中断接脚能够设定间隔。使系统结束休眠（低功耗模式）进行测量并启动无线射频，然后传输资料后再返回休眠模式。

　　但如果系统需要持续监测，例如侦测气体或暂态负载情况，甚至累积平均数，这种方法就不适用。系统必须尽可能以最低功耗持续运作。对于大多数微控制器而言，这不构成问题，可是对需要连接感测器的类比前端，就相当不容易。

　　一般而言，杂讯是必须去除的。大量增益的系统皆需要低杂讯的放大器。但低功耗运算放大器通常都有较高的杂讯，这是因为较低的尾部电流（tail currents）出现在放大器的第一个阶段。耗电量与低杂讯两者之间必须维持均衡，因此选用持续运作的放大器必须格外谨慎。

　　如果系统包含类比数位转换器（ADC），则需依据相关的频率加入滤波器，以避免取样所致的混叠（或讯号镜映）。讯号出现在资料转换器的输入时，如果频率高于一半的取样率，便会造成这种现象。在取样理论中，称为尼奎斯特率（Nyquist rate），依据这个理论，若要準确重现类比讯号，必须达到最高频率分量（或系统频宽）的两倍。超过或者无法达到最高的频率分量都将导致讯号处理错误。滤波器也需要电源，若是连续时间滤波器（採用运算放大器），即使在ADC取样週期之间也会耗用电源。

　　另外一项问题是偏移及其他感测器校正需求。微控制器可完成一些校正，但是通常需要偏移来刺激感测器或桥接电路。用来侦测毒素的气体感测器由于侦测的气体类型而特别复杂。感测器製造商会依据使用者的设计需求提供参考电路，视成本、準确度及应用需求而定。

　　整合及工具

　　由于这些监控系统的复杂度大多在于类比前端，因此半导体製造商已经开始将大部份的功能整合于单一装置。如此的做法有许多优点，其中一项是控制从侦测器到类比数位转换器的讯号路径。另一项优点是更準确控制对于远端感测应用相当重要的电源。

　　专为低功耗化学侦测应用所设计的LMP91000 AFE Potentiostat便是其中一例，此款装置运用有效架构，协助设计人员克服许多上述的问题，包含直接连接2或3个铅电化学电池所需的全部电路，并提供经过校正的输出电压。由于许多感测器都相当复杂，LMP91000获得TI的WEBENCH工具「Sensor AFE Designer」充分支援。这套工具让设计人员可选用氨气等终端应用、感测器製造商及类型，然后计算全部所需的外部元件（数量相当少）及所需的程式设定。

　　结合LMP91000与德州仪器的CC430等含有类比数位转换器，及大多数无线射频电子装置的超低功耗微控制器，即可形成完整的远端气体侦测平台（见图2）。

　　

　　图2：一般远端气体侦测应用。

　　本文小结

　　直接收集系统运作所需电源的远端侦测是相当复杂的设计挑战。电源可能相当短暂且有限，因此电源转换及储存必须具备高效率，而且电路必须达到超低功耗。这方面大部份的问题已经由半导体製造商加以解决，因此设计人员能够加速上市时程，使感测器系统的设计挑战迎刃而解。