无线感测器节点的类比关键

　　无线感测器网路（Wireless Sensor Networks， WSN）最初是为军事应用所开发，现在已广泛应用在许多其他领域如工业製程（industrial process）监控、环境监测、智慧建筑（smart building）及家庭自动化（home automation）等。可扩充性、低功耗、降低建置成本、体积小和备援功能是推动无线感测器网路应用的一些关键特性。典型的无线感测器网路由叁个主要部分组成：多个感测器节点、一个闸道器，以及作为通讯用之软体（如图1所示）。感测器节点以小型电池为动力运作，利用能量回收（如太阳能）技术或连接一个主电源供应。能量来源的限制对感测器节点的讯号路径和电源管理带来重大的挑战。美国国家半导体开发了高效率电源转换和感测器讯号调解解决方案，有助于为感测器节点提供最新的功能并确保操作的稳定。

　　

　　感测器节点的应用範围非常广泛，从利用感测器侦测家庭和建筑应用中的温度、动态和压力，到CO、CO2、NO2或CH4等有毒气体浓度的监测。感测器节点硬体方块图作为独立的应用基本上来说非常相似，都是由感测器、类比感测器讯号调解、无线电收发器、嵌入式处理器，以及针对整个节点的能量来源所组成（如图2所示）。由于大多数感测器节点都是由电池或能量回收技术供电，低系统功耗是达到成功设计的关键要求。无线电传输和微处理器资料撷取通常是耗用可用能源的最大来源，低资料速率和短距通讯持续时间可使这些元件大部分时间都处在低功耗待机或空閒模式。为了确保最长的电池寿命和系统稳定性，很多厂商都设计专用于这些超低功耗应用的处理器。剩余能量可用于感测器输出的类比讯号调解。

　　美国国家半导体开发的低功耗、高效能类比技术可因应感测器讯号调解和感测器节点的电源管理挑战。美国国家半导体的LPV521微功率放大器为连接嵌入式微控制器的类比数位转换器（ADC）提供所需的感测器输出讯号放大功能。除了超低功耗外，LPV521元件内还採用了电磁干扰（EMI）保护设计，以降低来自无线感测器网路无线电的射频通讯敏感度。此外美国国家半导体最近为电化学感测应用（如有毒气体检测）推出LMP91000可编程类比前端（AFE）。LMP91000在感测器和微控制器之间提供了一个完整的讯号路径解决方案，可以产生一个与电池电流成正比的输出电压。LMP91000的可编程性可以只利用一个设计而不是多个分离元件来支援多个电化学感测器。

　　感测器节点的每个类比和数位负载都有其自己的电源供应考量。类比讯号路径和射频电路都需要一个具有高电源供应抑制率（PSRR）的低杂讯电源以确保最高的效能。美国国家半导体LP5900的低压差稳压器（LDO）就为敏感类比电路提供低杂讯电源很好的选择。嵌入式微控制器需要一个有良好整体效率和快速回应时间的电源，以支援感测器网路的唤醒和休眠週期。一个具有优异轻载效率的稳压器或低压差稳压器是适合的选择。由电池或能量回收技术供电的节点因为有限的能量回收还存在一个制约因素，需要使用超低静态电流稳压器来最大幅度地提高感测器节点的运行时间。美国国家半导体低压差稳压器系列的LM2936和LP3869x可以在低静态电流条件下运行，具有感测器节点的嵌入式处理器所需的快速回应时间。LM2936还具有高达40V的宽广输入电压範围，该範围源于感测器节点使用的交流／直流（AC/DC）整流电源。美国国家半导体的低杂讯、高準确度电压参考（如LM4140）非常适合需要高準确度的资料转换设计。由于无线感测器网路的闸道器通常没有受限的能量来源，电源供应的设计可以更加灵活。美国国家半导体的SIMPLE SWITCHER稳压器和模组（如LM2267x和LMZ1200x）为闸道器应用提供简易使用的负载点电源供应解决方案，同时具备有超低辐射EMI效能的附加优势。整体来说，美国国家半导体有完整且多样的电源管理解决方案，可以因应无线感测器网路应用的各种要求。

　　美国国家半导体有许多简易使用的WEBENCH感测器设计工具和WEBENCH感测器感测类比前端，协助设计人员可以方便快速地设计和模拟类比感测器讯号调解解决方案，针对的应用包括压力、温度、负载和气体等各种常见的感测器。WEBENCH电源设计工具是另一个创建完整直流/直流（DC/DC）电源供应设计的资源，可以进行效率、尺寸大小和成本的最佳化。