CN103237338B - 一种基于脉冲直流供电模式的非易失传感网节点系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于脉冲直流供电模式的非易失传感网节点系统，包括：电源单元和非易失处理单元，电源单元为非易失处理单元提供工作电压和休眠/唤醒信号，包括能量采集模块和供电电路模块，非易失处理单元无需电池和直流转换电路，在脉冲直流供电模式下工作，包括低功耗非易失处理器和片外非易失程序存储器。传感网节点工作在脉冲直流供电模式下，无需传统节点中的直流转换电路和电池电路，提高脉冲直流供电的能量利用效率，降低节点设计和维护成本。利用非易失处理器掉电状态不丢失及高速休眠唤醒的特点，使节点整体的休眠唤醒时间小于50us，节点能工作在1kHz以上的脉冲供电条件下，适用于太阳能、振动和无线供能等多种能量采集模式。
Description
技术领域
本发明涉及无线传感网中非易失处理领域，尤其涉及一种基于脉冲直流供电模式的非易失传感网节点系统。
背景技术
在目前的无线传感网应用中，为了解决传感网节点电池能量受限的问题，往往采用能量采集的方式给节点供电，这些能量采集方式（诸如振动换能器、无线供能等）的输出电压是间断的脉冲直流电压，它们无法给处理器提供长时间、稳定的直流电压。传统节点由于无法工作在间断供电下，因此需要电池组保存采集的能量，并需要直流转换电路（DC-DC Converter）与稳压电路将脉冲直流供电转化为稳定的直流输出，但是这样的电路结构复杂，能量效率低，充电电池寿命有限，维护复杂。
非易失处理器是一种利用分布式非易失存储架构的新型处理器，它能够在掉电时迅速备份状态和数据，在上电后立即恢复并连续工作。其采用的分布式非易失技术使其备份恢复时间降低至微秒量级，同时能使备份恢复能量节省3个数量级以上。因此非易失处理器无需连续稳定的直流供电，也无需充电电池进行能量存储，优于传统的处理器，更好地结合能量采集的脉冲直流供电特点，能够大大简化电源电路的设计复杂度，减小设计和维护成本。
发明内容
（一）要解决的技术问题
针对上述缺陷，本发明要解决的技术问题是解决将能量采集与非易失处理器结合的问题，使得传感网节点能够在太阳能、振动等间断供电条件下连续工作。
（二）技术方案
为解决上述问题，本发明提供了一种基于脉冲直流供电模式的非易失传感网节点系统，所述系统包括：
电源单元和非易失处理单元；
所述电源单元为所述非易失处理单元提供工作电压和休眠/唤醒信号，包括能量采集模块和供电电路模块；
所述非易失处理单元无需电池和直流转换电路，在脉冲直流供电模式下工作，包括非易失处理器和片外非易失程序存储器。
进一步地，所述非易失处理单元在一个脉冲周期内交替出现四种工作状态，具体包括：恢复、工作、备份和休眠；
其中恢复状态开始于所述休眠/唤醒信号的上升沿，由休眠状态进入到唤醒状态，直到所述非易失处理单元的恢复过程结束；
工作状态开始于恢复过程结束的时刻，结束于所述休眠/唤醒信号的下降沿，在工作状态期间一直处于唤醒状态；
备份状态开始于所述休眠/唤醒信号的下降沿，由唤醒状态进入到休眠状态，直到所述非易失处理单元的备份过程结束；
休眠状态开始于备份过程结束的时刻，结束于恢复状态开始的时刻，在休眠状态期间脉冲直流电压的值为0。
进一步地，所述工作状态持续时间的长短取决于脉冲直流电压的脉冲宽度。
进一步地，所述供电电路模块包括电源稳压芯片和脉冲监测电路，所述脉冲监测电路监测到脉冲直流电压跨越参考电压，并在20us内产生所述唤醒/休眠信号，即Tplh<20us，Tphl<20us，具体的检测到直流脉冲信号的电压从低于参考电压跨越到高于参考电压时所述休眠/唤醒信号为高电平，表示唤醒信号，相反则所述休眠/唤醒信号为低电平，表示休眠信号。
进一步地，为使节点在一个脉冲内能完成备份、恢复操作，则所述休眠/唤醒信号与所述直流脉冲信号的时序关系需满足：Tplh+Trec≤Tpl+Tphl；备份需要在直流脉冲信号的电压降至高电平的50%前完成，即需满足：Tbac+Tphl<50us，其中Tplh，Tphl分别为产生唤醒、休眠信号的延时，Tpl为高于所述参考电压部分的脉冲宽度；Trec，Tbac分别为恢复、备份的时间。
进一步地，所述供电电路模块为所述非易失处理单元提供经过稳压后脉冲直流，并在所述脉冲直流电压高低电平切换处为所述非易失处理单元提供休眠/唤醒信号，保证非易失处理单元在脉冲直流电压降低到高电平的50%之前完备份过程。
进一步地，所述系统还包括外设单元，用于传感网节点的感知与节点之间的通信，包括传感器和无线收发模块。
（三）有益效果
本发明提供了一种基于脉冲直流供电模式的非易失传感网节点系统，提出了一种无需电池、采用脉冲直流供电的节点工作模式的非易失传感网节点架构，解决目前基于能量采集的传感网节点中电源电路过于复杂，电池更换成本高的问题。本发明具备快速休眠唤醒能力的非易失处理器以及适用于脉冲直流供电的电源电路，掉电后节点状态不会丢失，上电后，节点能接续断电前的状态连续工作，掉电备份与上电恢复的速度快，能耗低，要求高于100us的响应速度，能够适应脉冲直流供电的输出模式，电源电路部分无需电池，不需要进行脉冲到直流的转换电路。
所以本发明提出的基于脉冲直流供电模式的非易失传感网节点具备以下优势：
1.提升了脉冲直流电源的能量效率。
2.降低了节点系统总能耗。
3.适用于基于能量采集自供能的系统中，能充分发挥非易失处理器在高速休眠、唤醒上的优势，使得节点的整体休眠时间能缩短至20us以下，小于大部分能量采集方式毫秒量级的脉冲宽度，同时节点的休眠、唤醒能耗在20nJ以下，远小于脉冲的输出能量（uJ量级）。
附图说明
图1为本发明实施例中的一种基于脉冲直流供电模式的非易失传感网节点系统的组成结构图；
图2为本发明实施例中的脉冲直流供电节点的工作模式示意图以及信号波形示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明实施例中提供了一种基于脉冲直流供电模式的非易失传感网节点系统，组成结构如图1所示，具体包括：
电源单元10和非易失处理单元20。
电源单元10为非易失处理单元20提供工作电压和休眠/唤醒信号，包括能量采集模块11和供电电路模块12。
其中，能量采集模块11采用能够高效输出脉冲直流电的能量采集装置，诸如太阳能板、压电纤维、压电陶瓷等。
供电电路模块12的作用是为非易失处理单元20提供经过稳压后脉冲直流，并在脉冲直流电压高低电平切换处以特定的时序给非易失处理器提供休眠/唤醒信号，并保证非易失处理器在电压降低到工作电压之前完成备份过程。电路结构上，供电电路模块12包括3.3V电源稳压芯片121和脉冲监测电路122，脉冲监测电路122位于3.3V电源稳压芯片121之后，用于监测到脉冲直流电压跨越参考电压（参考电压是根据高低电平的阈值设定的，如设定参考电压为高电平的0.7倍），并在20us内产生唤醒/休眠信号，即Tplh<20us,Tphl<20us，。
具体的：检测到直流脉冲信号的电压从低于参考电压跨越到高于参考电压时休眠/唤醒信号为高电平，表示唤醒信号，相反则休眠/唤醒信号为低电平，表示休眠信号。脉冲监测电路122可采用高速电压检测IC芯片实现（例如罗姆公司BD5230G）。
非易失处理单元20无需电池和直流转换电路，在脉冲直流供电模式下工作，包括非易失处理器22和片外非易失程序存储器21。其中非易失处理器22可以采用基于铁电工艺的低功耗非易失处理器（如清华和日本螺母公司合作的THU-1010N），片外非易失程序存储器21可以是FeRAM或FLASH。非易失处理器22应具备较高的休眠/唤醒速度，以适应较短的脉冲长度。如本实施例中采用的THU-1010N的唤醒时间仅为3us，休眠时间仅为7us。非易失处理器的休眠/唤醒信号由电源电路单元10提供。整个处理部分的非易失性保证了在掉电休眠过程中节点的工作状态和数据不丢失。
非易失处理单元20在一个脉冲周期内交替出现四种工作状态，具体包括：恢复、工作、备份和休眠。这四种工作状态的工作模式示意图如图2所示，其中包括信号波形示意图。
恢复状态开始于休眠/唤醒信号的上升沿，由休眠状态进入到唤醒状态，直到非易失处理单元的恢复过程结束。
工作状态开始于恢复过程结束的时刻，结束于休眠/唤醒信号的下降沿，在工作状态期间一直处于唤醒状态，其中工作状态持续时间的长短取决于脉冲直流电压的脉冲宽度。
备份状态开始于休眠/唤醒信号的下降沿，由唤醒状态进入到休眠状态，直到非易失处理单元的备份过程结束。
休眠状态开始于备份过程结束的时刻，结束于恢复状态开始的时刻，在休眠状态期间脉冲直流电压的值为0，所以节点供电为0。
为使节点在一个脉冲内能完成备份、恢复操作，则休眠/唤醒信号与直流脉冲信号的时序关系需满足：Tplh+Trec≤Tpl+Tphl。
同时，备份操作需要有足够的能量支持，需要在直流脉冲信号的电压降至高电平的50%前完成，即需满足：Tbac+Tphl<50us，其中Tplh，Tphl分别为产生唤醒、休眠信号的延时，Tpl为高于参考电压部分的脉冲宽度；Trec，Tbac分别为恢复、备份的时间。
系统还包括外设单元30，用于传感网节点的感知与节点之间的通信，包括传感器31和无线收发模块32。传感器31和无线收发模块32都采用低功耗的设备，以减少能量消耗，传感器31采用低功耗传感器，无线收发模块32采用低功耗无线收发模块，采用低功耗芯片（如OOK收发机），或者使用数字触发器全部或部分替换为铁电非易失触发器的非易失芯片。非易失处理单元20通过芯片内置的SPI接口(Serial Peripheral Interface，串行外设接口)、I2C接口（同步串行数据传输总线接口）与外设单元30连接。
通过使用上述传感网节点系统并进行上述工作模式，无需传统节点中的直流转换电路和电池电路，提高脉冲直流供电的能量利用效率，降低节点的设计和维护成本。为了满足脉冲直流供电的能量利用效率，节点利用基于铁电的非易失处理器，非易失处理器掉电状态不丢失以及微秒级高速休眠唤醒的特点，使节点整体的休眠唤醒时间小于50us，节点能工作在1kHz以上的脉冲供电条件下，适用于太阳能、振动和无线供能等多种能量采集模式。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
Claims (5)
1.一种基于脉冲直流供电模式的非易失传感网节点系统，其特征在于，所述系统包括：
电源单元和非易失处理单元；
所述电源单元为所述非易失处理单元提供工作电压和休眠/唤醒信号，包括能量采集模块和供电电路模块；
所述非易失处理单元无需电池和直流转换电路，在脉冲直流供电模式下工作，包括非易失处理器和片外非易失程序存储器；
其中，所述供电电路模块为所述非易失处理单元提供经过稳压后脉冲直流，并在所述脉冲直流电压高低电平切换处为所述非易失处理单元提供休眠/唤醒信号，保证非易失处理单元在脉冲直流电压降低到高电平的50％之前完备份过程；
为使节点在一个脉冲内能完成备份、恢复操作，则所述休眠/唤醒信号与直流脉冲信号的时序关系需满足：Tplh+Trec≤Tpl+Tphl；备份需要在直流脉冲信号的电压降至高电平的50％前完成，即需满足：Tbac+Tphl<50us，其中Tplh，Tphl分别为产生唤醒、休眠信号的延时，Tpl为高于参考电压部分的脉冲宽度；Trec，Tbac分别为恢复、备份的时间。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述非易失处理单元在一个脉冲周期内交替出现四种工作状态，具体包括：恢复、工作、备份和休眠；
其中恢复状态开始于所述休眠/唤醒信号的上升沿，由休眠状态进入到唤醒状态，直到所述非易失处理单元的恢复过程结束；
工作状态开始于恢复过程结束的时刻，结束于所述休眠/唤醒信号的下降沿，在工作状态期间一直处于唤醒状态；
备份状态开始于所述休眠/唤醒信号的下降沿，由唤醒状态进入到休眠状态，直到所述非易失处理单元的备份过程结束；
休眠状态开始于备份过程结束的时刻，结束于恢复状态开始的时刻，在休眠状态期间脉冲直流电压的值为0。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，工作状态持续时间的长短取决于脉冲直流电压的脉冲宽度。
4.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述供电电路模块包括电源稳压芯片和脉冲监测电路，所述脉冲监测电路监测到脉冲直流电压跨越参考电压，并在20us内产生所述休眠/唤醒信号，即Tplh<20us,Tphl<20us，具体的检测到直流脉冲信号的电压从低于参考电压跨越到高于参考电压时所述休眠/唤醒信号为高电平，表示唤醒信号，相反则所述休眠/唤醒信号为低电平，表示休眠信号。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括外设单元，用于传感网节点的感知与节点之间的通信，包括传感器和无线收发模块。
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