CN104769766A

CN104769766A - 用于传感器节点的能量收集和控制

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Publication number: CN104769766A
Application number: CN201380020143.2A
Authority: CN
Inventors: B·H·卡尔霍恩; B·奥蒂斯
Original assignee: University of Virginia Patent Foundation; University of Washington Center for Commercialization
Current assignee: University of Virginia Patent Foundation; University of Washington Center for Commercialization
Priority date: 2012-02-17
Filing date: 2013-02-15
Publication date: 2015-07-08
Anticipated expiration: 2033-02-15
Also published as: US10536036B2; KR20140139503A; US11411435B2; EP2814388A2; US20150035378A1; EP2814388A4; US20180183269A1; AU2013221336A1; CA2864817A1; WO2013123359A3; AU2017261493A1; TW201340543A; JP2015516606A; US20200106305A1; KR101961000B1; US9882428B2; TWI586071B; WO2013123359A2; JP6401343B2; JP2017201540A

Abstract

一种诸如被包括作为传感器节点的一部分的集成电路可以包括具有可耦合到能量收集换能器的输入的调节器电路。该集成电路可以包括无线接收器电路，其被耦合到调节器电路并被配置为无线地接收至少足以在无需能量收集换能器的情况下建立传感器节点的操作的工作能量。该集成电路可以包括数字处理器电路，其被耦合到调节器电路和功率管理处理器电路。数字处理器电路或一个或多个其他电路可以包括由功率管理处理器电路基于所选的能量消耗水平建立的阈下工作模式。例如，建立阈下工作模式可包括调整或选择电源电压以建立数字处理器电路或其他电路中的场效应晶体管(FET)的阈下工作。

Description

用于传感器节点的能量收集和控制

优先权的要求

在此要求Calhoun等人于2012年2月17日提交的题为“Battery-lessEnergy Harvesting Sensor Node SoC and Related Method thereof”的美国临时专利申请序列号61/600,467(代理人档案号01918-01)的优先权权益，在此通过引用将其全部内容(包括其标记有“附录A”至“附录H”的部分)合并于此。

背景技术

嵌入式系统可以用于各种各样的应用中，包括提供监视、传感、控制或安全功能。这样的嵌入式系统通常根据对尺寸、功耗或环境生存能力的相对严格的约束而被适配到指定的应用。

特别地，一种类型的嵌入式系统可以包括诸如用于感测或监视一个或多个生理参数的传感器节点。具有无线通信能力的传感器节点可被称为无线传感器节点(WSN)。相似地，位于对象的身体上、身体附近或身体内的传感器节点可被称为身体区域传感器节点(BASN)或身体传感器节点(BSN)。传感器节点可以向保健提供商提供重大益处，诸如允许对生理信息的连续监视、激励和记录，促进自动的或者远程的随访，或者在存在恶化的生理状态时提供一个或多个警告。使用传感器节点获得的生理信息可以被传输到其他系统，诸如用于帮助诊断、防止和响应诸如糖尿病、哮喘、心脏病或者其他疾病或病情的各种疾病。

例如，如果传感器节点包括诸如长期监视能力或可穿戴性的某些特征，则传感器节点可以向对象或保健提供者提供特别的值。由于医疗保健花费逐步上升或者由于更多的保健提供商尝试过渡到远程的患者随访和远距离医疗，因此传感器节点在无需维护、替换或手动充电的情况下的长使用寿命变得更加重要。相信通常可获得的传感器节点因为缺少扩展运算能力或可穿戴性而被排除在广泛使用之外。

例如，包括大的一次电池或可充电电池的传感器节点穿戴起来可能是不舒服的，并且具有较小电池的传感器节点由于患者或其他用户可能不遵守所要求的充电或替换时间间隔而仍是不合乎期望的。相似地，需要传导性数据传输接口的传感器节点通常是麻烦的，因为穿戴者或保健提供者必须手动地将通信接口线缆连接至节点，以向节点或从节点传输信息。无线通信电路可减少或消除对这样麻烦的有线接口的需要。但是，这样的无线电路可消耗大量的能量，从而使得有限的能量预算负担更重或限制通常可获得的传感器节点的工作寿命。

发明内容

诸如身体传感器节点(BSN)的传感器节点可以包括具有高集成度的各种系统功能的一个或多个半导体装置。这样的半导体装置可以被称为“片上系统”或SoC。SoC可以提供实现系统的所有主要功能的数字的或者混合的信号电路，诸如包括通用处理器电路、专用处理器电路、模拟信号调节电路、电源控制或转换器电路、电压或电流参考电路或功率管理电路中的一个或多个。

本发明人已经认识到，除了其他方面之外，可将超低功率(ULP)技术应用到被包括在传感器节点中的一个或多个电路。ULP技术可被用来实现被包括为传感器节点的一部分的SoC。例如，用于传感器节点的这样的SoC可以包括被配置用于阈下工作的一个或多个模拟或者数字部分。

替代阈下工作或除阈下工作外，可以使用其他技术，诸如用以禁用或暂停系统的指定部分的操作的功率或时钟选通，或者包括调整占空比、时钟频率(例如，时钟节流)或电源参数(例如，电源电压节流)以减小功耗。

本发明人还已认识到，可以使用从周围能量源的能量收集来显著增加传感器节点的可工作寿命。例如，可以使用热梯度或机械震动来获得这样的能量。与依赖电池的传感器节点相比，能量收集技术可以提供延长的可工作寿命。然而，为了提供持续的操作，能量收集传感器节点通常必须消耗比所收集的量更少的能量。

为此，本发明人还已经认识到，可使用功率管理处理器电路来以闭环的方式使能、禁用、节流或重新路由通过各系统部分的数据(诸如响应于所监视的条件)。例如，能量收集换能器所提供的能量的量可以随着时间变化。功率管理处理器电路可以监视指示由能量收集换能器提供的能量水平的信息。使用所监视的信息，功率管理电路可以在面对变化的输入能量时调节传感器节点的能量消耗水平，以提供传感器节点的连续的(例如，持续的)操作。

可以根据模式或水平(诸如使用三或四个水平的能量消耗方案或者其他方案)来指定能量消耗。传感器节点可以在这样的能量消耗水平之间切换以避免废止或重启。在重启的情况下，传感器节点可以在状态上恢复到指定工作模式，诸如重新开始监视、通信或者一个或多个其他功能。

在一示例中，传感器节点可以是无电池的，诸如在无需传感器组件内的机载的一次电池或可充电电池的情况下是可操作的。在一种方法中，可以使用能够将热电发电机(TEG)的诸如数十毫伏(mV)的较低电压输出转换到指定用于传感器节点电路的一个或多个其他部分的较高电压水平的升压转换器电路和调节器结构。在一示例中，无线接收器电路可以耦合到升压电路或者调节器中的一个或多个，以便接收无线耦合的能量的初始突发以建立传感器节点的操作。

在一示例中，诸如被包括为传感器节点的一部分的集成电路可以包括具有可耦合到能量收集换能器的输入的调节器电路。该集成电路可以包括无线接收器电路，无线接收器电路被耦合到调节器电路并被配置为在无需能量收集换能器的情况下无线地接收足以建立传感器节点的操作的工作能量。该集成电路可以包括数字处理器电路，其被耦合到调节器电路和功率管理处理器电路。数字处理器电路或一个或多个其他电路可以包括由功率管理处理器电路基于所选的能量消耗水平而建立的阈下工作模式。例如，建立阈下工作模式可包括调整或选择电源电压，以建立数字处理器电路或其他电路中的场效应晶体管(FET)的阈下工作。

在本文的示例中所述的传感器节点的应用不必局限于生物的或者监视健康的应用。例如，这样的传感器节点可被用于更通常涉及远程监视或者远程感测的各种应用中，诸如支持工具、基础设施或能量系统的监督控制或自动化、结构健康监视、监测或诸如栖息地监视或野生动物管理的环境监视。

该概述旨在提供对本专利申请的主题的概述。并不意图提供对发明的排他的或者穷尽的解释。详细的描述被包括以提供有关本专利申请的进一步的信息。

附图说明

在不一定按比例被绘制的附图中，相似的附图标记在不同视图中可描述相似的部件。具有不同字母后缀的相似附图标记可代表相似部件的不同实例。附图通常以示例的方式而不是以限制的方式示出本文件中所讨论的各种实施例。

图1大体上示出可以包括调节器电路、功率管理电路、无线接收器电路或数字处理器电路的系统的示例。

图2大体上示出可以包括被配置为获取指示一个或多个生理信号的信息的模拟输入的系统的示例。

图3大体上示出可以包括模拟输入、功率管理电路、调节器电路块、一个或多个功能特定的处理器电路或通用处理器电路的系统的说明性示例。

图4A大体上示出可以包括无线接收器电路或转换器电路的系统的一部分的说明性示例。

图4B大体上示出图绘的说明性示例，该图绘与向无线接收器电路提供的无线耦合的突发脉冲、功率转换器电路的输出节点，以及与能量收集换能器的输出相对应的到功率转换器电路的输入相对应，诸如可以使用如图3或4B的示例中所示的系统的至少一部分根据经验来获得。

图5大体上示出可以包括耦合到到功率管理电路的指令存储器的系统的一部分的说明性示例，其中功率管理电路可以诸如基于指定的能量消耗水平调整或控制系统的其他功能块的各种参数。

图6大体上示出系统的一部分的说明性示例，其可以包括可在通用处理器电路、功率管理电路或诸如功能特定的处理器电路的一个或多个其他电路之间被共享的指令存储器。

图7大体上示出可以包括用于处理数据或用于无线传输数据的一个或多个可控数据路径的系统的一部分的说明性示例，诸如可以包括根据指定能量消耗水平建立的数据路径。

图8大体上示出系统的一部分的说明性示例，诸如可被包括为传感器节点的一部分的调节器电路的一部分。

图9大体上示出系统的一部分的说明性示例，可以包括被配置为提供指示调节器电路输入的信息的监视器电路。

图10大体上示出图绘的说明性示例，包括与不同的自动控制的能量消耗水平一致地获得的、诸如可以使用如图3的示例中所示的系统根据经验获得的系统的各种参数。

图11A大体上示出图绘的说明性示例，其与诸如可被系统(诸如传感器节点)实时地或近实时地传输的心电图的实际表示以及重建表示相对应。

图11B大体上示出图绘的说明性示例，其与向模数转换器输入提供的信息的所感测的表示相对应，包括输入可被切换为用以对到调节器电路的输入进行采样的时间期间(诸如用于监视到调节器电路的输入)。

图12大体上示出诸如与图3的说明性示例的系统的至少一部分相对应的集成电路的注解显微图。

图13大体上示出可包括使用如图1-9中的一个或多个的示例中所示的系统的诸如方法的技术。

具体实施方式

图1大体上示出诸如传感器节点的系统100的示例。系统100可以包括调节器电路104、功率管理处理器电路130、无线接收器电路142或数字处理器电路132。系统100可以包括天线140，天线140被配置为诸如使用例如辐射耦合或感应耦合来接收电磁耦合的能量112。这样电磁耦合的能量112可以被称为射频(RF)能量，诸如对应于选自从大约数千赫兹(kHz)的范围到数十或数百兆赫兹(MHz)的范围的指定频率范围或包括一个或多个其他频率范围。无线接收器电路142可以包括调谐接收器、预选器或者一个或多个其他电路，以便捕获与指定频率范围相对应的电磁耦合的能量112或拒绝其他频率范围。

系统100可包括能量收集换能器114或可耦合到能量收集换能器114，诸如压电换能器、诸如线性或者旋转装置的机电换能器、光伏换能器或其他光电换能器，或者热电发电机(TEG)中的一个或多个。到调节器电路104的输入136可以由从无线接收器电路142或能量收集换能器114中的一个或多个接收到的能量来驱动。按这种方式，系统100可以使用无线接收器电路142或能量收集换能器114接收工作能量。例如，系统100可以是无电池的或者可以在无需一次电池或可充电电池的情况下工作，诸如使用电磁耦合的能量112或由能量收集换能器114提供的能量中的一个或多个被连续地或在延长的工作时段内被供电。

调节器电路104可以向诸如包括电源节点198的系统100的一个或多个其他部分提供一个或多个输出，诸如一个或多个固定的或者可调的输出电压。如下面的示例中所示，从能量收集换能器114获得的能量可被诸如升压转换器的一个或多个其他电路调节或转换。

到调节器电路104的输入可以耦合到功率管理处理器电路130，诸如被功率管理处理器电路130监视。功率管理处理器电路130可以诸如使用耦合到数字处理器电路132或者其他功能块(诸如功能特定的处理器电路134)中的一个或多个的一个或多个总线(例如第一总线138)耦合到系统100的其他部分。

系统100的数字部分102的一个或多个部分可以包括阈下工作模式(subthreshold operational mode)。阈下工作模式可以被建立，诸如提供、调整或选择由调节器电路提供的电源电压，以建立功率管理处理器130、数字处理器电路132、功能特定的处理器电路134，或系统100的一个或多个其他电路中(诸如一个或多个数字或者混合信号电路中)的一个或多个中的场效应晶体管(FET)的阈下工作。

阈下工作可被描述为使一个或多个FET工作在弱倒置(weak-inversion)模式中，在该模式中栅极至源极电压被建立在用于一个或多个FET的阈值电压(V_t)处或该阈值电压之下，导致对作为栅极至源极电压的函数的漏极至源极电流的主要指数依赖。可以使用各种技术来建立阈下工作，诸如提供电源电压，该电源电压具有在耦合到该电源电压的部分中的所有FET的阈值电压之下的VDD至VSS电压。

在能量效率、最大时钟速度和电源电压之间可以存在折衷。阈下工作不必局限于单个电源电压。例如，时钟频率或电源电压中的一个或多个可以被调整，以便在维持低功率消耗的同时提供特定水平的计算能力或其他运算性能，如在下面的示例中所讨论的。

可以使用其他标准来指明或描述阈下工作，诸如使用电流密度观点。例如，可以将阈下工作描述为：其中跨导(例如，g_m)处于相对或者绝对最大值，或者其中跨导主要依赖于阈值电压和漏极电流并对栅极至源极电压仅仅表现出弱(或没有)依赖性的FET工作区域。这样的阈下工作与其他技术一起或替代其他技术可以向系统100提供延长的寿命，即使在使用无线接收器电路或能量收集换能器获得的可用能量可能相当有限(例如，在微瓦量级)的情况下也是如此。

功率管理处理器电路130可以被配置为调整系统100的能量消耗水平，诸如使用通过监视到调节器电路104的输入136或通过监视诸如其他电压、电流或工作状态的其他系统参数而获得的信息。

图2大体上示出诸如类似于或包含图1的示例的各方面的系统200的示例。系统200可以包括被配置为获取指示一个或多个生理信号(诸如心电图(ECG)、脑电图(EEG)或肌电图(EMG))的信息的模拟输入144。这样的生理信号可以被统称为“ExG”信号。可以获取诸如与一个或多个其他生理参数(例如呼吸、神经活动或运动)相对应的其他生理信息。模拟输入144不必局限于获得生理信息。例如，可以通过模拟输入来获取其他信息，诸如用于包括远程监视、传感、监测的应用或用于其他应用。

在图2的示例中，模拟输入144(或“模拟前端”(AFE))可以包括一个或多个放大器级，以缓冲或放大耦合到输入节点116的生理信号。放大器118的输出可被耦合到模数转换器120，诸如包括逐次逼近寄存器(SAR)拓扑的转换器120。

系统200可以包括数字部分102，诸如包括通用处理器电路(例如，微控制器单元或其他通用处理器电路)、一个或多个功能特定的处理器电路(例如，适于执行一个或多个功能的“加速器”电路)、一个或多个存储器电路，或功率管理处理器电路。系统200可以包括无线发射器电路122，以便诸如从系统200至其他系统或位置遥测信息。

如在图1的示例中及其他地方所讨论的，系统200可以包括调节器部分108，诸如包括耦合到一个或多个调节器电路(如调节器电路104)的转换器电路106。调节器电路104的输出198可以被耦合到系统200的其他部分。调节器部分108可以包括诸如被配置为接收电磁耦合的工作能量112的无线接收器。例如，TEG 214或者其他能量收集换能器可以被耦合到转换器电路的输入110，并且转换器电路可以提供诸如被耦合到调节器电路104的输出，诸如图3或图4A的示例中所示。转换器电路106的输出可能不足以建立系统200的初始操作。例如，由TEG 214提供的能量(诸如从对象的身体热量获得)可能足以维持系统200的持续的操作。然而，这样的能量可能不足以起动或建立系统200的初始操作。

在这种情况下，可通过调节器部分108接收电磁耦合的能量112，以便在转换器电路106输出处建立足够的能量以“启动”系统200的一个或多个调节或控制功能，或者以便建立被包括在系统中的一个或多个电容器上的初始充电状态，如图4B的说明性示例中所示。

图3大体上示出诸如类似于或包含图1或2中的一个或多个的示例的各方面的系统300的说明性示例。系统300可以包括调节器部分304、模拟输入326(例如，模拟前端)、数字部分302(例如，包括被配置用于阈下工作的一个或多个部分)、无线发射器322或者一个或多个其他功能块或部分。

系统300的一或多个部分可以被共集成为共享集成电路(诸如互补型金属氧化物半导体(CMOS)集成电路)的一部分，诸如图12的说明性示例中所示。短语“金属氧化物半导体”的使用并不意味着栅电极必须是金属的。被包括在CMOS电路中的FET中的栅电极可包括多晶硅导电部分或其他导电部分。

在图3的说明性示例中，调节器部分304可以包括各种电路或子系统，诸如图4A或8的说明性示例中所示。调节器部分304可以被耦合到TEG 314。调节器部分304可以包括升压转换器338，升压转换器338诸如被配置为将来自TEG的能量从大约30mV的电压水平上转换到指定提升电压，诸如约1.35V，在升压转换器338的输出节点336处(例如，V_BOOST)，诸如耦合到存储电容器(例如，片外存储电容器)。

在图3的说明性示例中，调节器部分304可以包括多个调节器电路，以便向系统300的其他部分提供各自的调节后的电压供应。例如，调节器部分304可以包括其他电路，诸如一个或多个参考电路(例如，带隙参考)或一个或多个箝位电路。可以诸如使用整流器电路340将电磁耦合的能量312提供给升压转换器338的输出节点336。调节器部分可以使用箝位电路来防止升压转换器338的输出节点336的过电压状态。

模拟输入326可以包括各输入通道318，诸如图3或9的说明性示例中示出的四通道配置。各输入通道可以包括诸如被耦合到各自的固定或者可变的增益放大器(VGA)的各自的低噪声放大器(LNA)。可以包括一个或多个模数转换器，诸如图3的说明性示例中所示的8位SARADC 320。可以诸如使用多路复用器将各输入通道318多路复用到ADC320。级联的LNA和VGA配置的使用可以提供对在几微伏(μV)范围内的生理信号的缩放，以接近ADC 320的全范围。这样的缩放可被用来在依然保留用于生理信号的采集或分析的足够分辨率的同时放宽ADC的垂直位分辨率，诸如每通道消耗少于约4微瓦(μW)。

使用模拟输入326获得的信息可以被提供给数字部分302。诸如在数字功率管理(DPM)处理器电路330的控制下，数字部分302可被配置用于阈下工作。DPM 330可以为系统300提供模式控制，以便根据指定的能量消耗水平来控制系统300的能量消耗状态。这样的能量消耗控制可以包括功率或时钟节流或选通到各种其他部分。

例如，可以通过选择或调整由调节器部分304提供的一个或多个电压供应来控制诸如使用DPM 330的能量消耗，以便诸如根据监视升压转换器的输出节点336或以其他方式估计可用的能量来自动调整被提供给一个或多个其他功能块(例如，提供“动态电压缩放”(DVS))的电压。

数字部分302可以包括其他电路，诸如通用处理器电路332(例如，微处理器或8位微控制器单元(MCU))。数字部分302可包括一个或多个功能特定的处理器电路(例如，功能特定的“加速器”)，诸如可以包括可编程滤波器334A(例如，有限冲激响应(FIR)滤波器)、包络检测电路334B或其他功能特定的电路(例如，纤维性颤动检测电路、R波到R波间隔评估器电路)。数字部分302可以包括一个或多个存储器电路，诸如指令存储器电路350(例如，在图3的说明性示例中包括1.5千字节)。指令存储器电路350可以被实施为只读存储器(ROM)，或可以是可重新编程的随机存取存储器(RAM)，诸如静态RAM(SRAM)电路。

在图3的说明性示例中，系统300可以包括修正的哈佛结构，诸如包括数据存储器电路348(诸如与指令存储器电路350分隔开)。可以包括其他存储器或缓冲器，诸如先进先出(FIFO)缓冲器拓扑。

如图6的说明性示例中所示，DPM 330可以包括精简指令集结构(ISA)，诸如被配置为根据存储在指令存储器电路350中的指令而工作。相似地，通用处理器电路332也可以被配置为根据存储在指令存储器电路350中的指令而工作。然而，通用处理器电路332不需要使用与DPM330相同的指令集。

在说明性示例中，系统300的一个或多个部分可以包括N强CMOS(N-strong CMOS)集成电路技术，诸如包括一个或多个存储器电路(例如，SRAM)。例如，系统300的一个或多个存储器电路300可以包括8晶体管位单元拓扑，诸如类似于Verma等人在2008年1月的IEEE期刊Solid-State Circuits(固态电路)的第43卷第1期第141-149页的“A 256kb 65nm 8T Subthreshold SRAM Employing Sense-Amplifier Redundancy”中所示的拓扑，该文章的全部内容通过引用被合并于此。在说明性示例中，为了消除写入期间的半选不稳定性，可将读取和写入两者都应用到存储器的全部行。

在说明性示例中，数据存储器电路348可以被划分成储格，诸如4×1kB的储格，其可被在激活以增强地参考稳定性时被过驱动至1.2V的NMOS脚分别功率选通。这样的功率选通可以由DPM 300来控制，诸如对应于系统300的指定能量消耗水平。

在这样的说明性示例中，根据经验获得的测量结果可以表示这样的存储器拓扑的可靠操作，诸如在130纳米(nm)处理器节点处被实施到0.3V的电源电压，诸如以大约200kHz进行时钟控制。

如图3的说明性示例所示，系统300可以包括无线发射器电路322。例如，这样的发射器电路可以被配置为工作在医疗植入通信服务(MICS)波段中，诸如在大约400MHz至大约433MHz之上的频率范围内，或使用工业科学医疗(ISM)波段，或使用相关频谱分配机构为用于传感器节点应用中而分配的一个或多个其他频率范围。

在图3的说明性示例中，使用ADC 320获得的信息可被耦合到打包器并且被发射器电路322流化(诸如无需通过数字部分302的处理)，或者这样的信息可以由数字部分302在处理期间或之后提供。例如，这样的信息可以包括生理信号或其他所感测的信号的数字化表示，或者这样的信息可以包括从这样的信号提取的一个或多个参数，诸如在图11A或11B的说明性示例中所示。

无线发射器电路322可以被配置用于亚毫瓦(mW)操作，诸如在DPM 330的控制下被周期性操作或者以其他方式被使能或禁用，避免了需要一个或多个大的离散存储段或滤波电容器。无线发射器电路322可以使用诸如二进制FSK(BFSK)的频移键控(FSK)调制以便提供大约200千比特每秒(kbps)的传输速率，或使用一个或多个其他调制技术、工作频率范围或数据速率。

在说明性示例中，无线发射器电路322可以包括倍频发射器结构，以便通过使本地振荡器(LO)工作在指定载波频率的大约1/9处来降低合成器功率。例如，可以使用级联环形振荡器生成等间距的沿(edge)，以驱动沿组合器(EC)嵌入式功率放大器(PA)，以执行这样的倍频。按这种方式，这样的倍频可以提供来自晶体振荡器的谐波注入锁定。这样的技术无需使用锁相环(PLL)，而是将低频环形振荡器注入锁定到片上晶体参考。与基于PLL的方法相比，这样的注入锁定可以提供快速稳定时间，诸如允许对无线发射器电路322采取积极的占空比。

使用单相参考将多相环形振荡器直接注入锁定可导致显著的失配。反之，可以使用级联多相注入锁定方案来校正相位和振幅失配。可以通过拖拉石英参考时钟来提供片上BFSK调制。例如，通过调制负载电容器，可以将晶体频率拖拉约百万分之(ppm)200。在该说明性示例中，在9x倍频之后，无线发射器电路可以被提供大约100kHz的频率偏移，并且可以提供比100kbps更大的无线信息传输速率。

在说明性示例中，无线发射器电路322在以大约200kbps的传输速率传输时可消耗大约160μW。如图11A和11B的说明性示例中所示，在流数据传输模式中，无线发射器电路322可以100％的占空比运行。在诸如R波至R波提取模式的另一模式(诸如对应于不同的能量消耗水平)中，无线发射器电路322可被周期性操作(duty-cycled)。这样的周期性操作可以将对应于约190nW的功率损耗的无线发射器电路322的功率消耗降低至大约0.013％。打包器可以被配置为提供可编程的或者指定的数据包头和循环冗余校验(或者其他检错或纠错)，以便为通常可获得的接收器电路提供兼容性。

图4A大体上示出诸如传感器节点的系统的一部分的说明性示例400，其可以包括无线接收器电路440(例如，整流电路)或转换器电路438(例如，升压转换器)。转换器电路438可被耦合到TEG 414A或可以是可耦合到TEG 414A的。转换器电路438可以提供耦合到诸如传感器节点的系统的其他部分的输出436A(例如，V_BOOST)，诸如图1至3或其他地方的示例中所示。例如，可以将复位产生电路496耦合到输出436A，以便响应于监视在输出436A处提供的电压而产生或禁止加电复位(POR)。

TEG通常由串联的热电堆构造而成，诸如被配置为，针对指定尺寸(例如，面积)提供由跨TEG 414A的指定温差而建立的电压。例如，通常可获得的热偶(例如，碲化铋)的塞贝克系数(Seebeck coefficient)可以是大约±0.2毫伏(mV)每摄氏度(mV/℃)。

对于约1℃的指定温度梯度，1×1厘米(cm)的TEG通常可以提供远小于1V。这样的温度梯度可由于TEG 414A附近的环境而被进一步减小。例如，TEG 414A周围的空气可提供大的热阻抗，该热阻抗可以显著减小跨所述热电堆的有效温度梯度，进一步限制了在TEG 414A输出处可获得的电压。相应地，使用诸如TEG 414A的能量收集换能器的系统可被配置为将可能仅在数十mV的范围内的TEG输出提升至较高的电压水平。可以使用各种转换器电路438拓扑，诸如在Carlson等人在2010年4月4日的IEEE期刊Solid-State Cirecuits第45卷第4期中的“A 20mVInput Boost Converter With Efficient Digital Control for ThermoelectricEnergy Harvesting”中所示的转换器结构，该文章的全部内容通过引用被合并于此。

在可以包括TEG 414A的说明性示例中，可以使用工作能量的一个或多个其他源来帮助建立系统(例如，传感器节点)的初始操作(例如，启动)。工作能量的这样的其他源可以包括电池或机械开关。然而，这样的电池或开关可能是庞大的。本发明人已经认识到，除其他方面之外，还可以向无线接收器电路440的天线412A提供无线耦合的能量(例如，射频(RF)脉冲)，诸如用于建立系统的初始操作。例如，可以提供入射电磁耦合工作能量(诸如相对于1mw为-10分贝(dBm)的相对较低功率水平)达诸如1-2秒，以便对一个或多个存储电容器进行预充电，或者以便在系统的一个或多个节点处建立指定的初始条件。

在图4A的示例400中，电磁耦合的能量(例如，辐射耦合的或感应耦合的)可被接收器电路440整流。示例400可以包括其他电路，诸如分流箝位电路494，以将输出节点436A限制到指定的电压范围，以便防止在存在已接收的电磁耦合的工作能量的情况下有潜在的破坏性的过压状况。图400的示例的一个或多个部分可被共集成在共享集成电路上。诸如一个或多个电感器或电容器的较大无源部件可以位于共享印刷电路组件或模块上，并被耦合到该集成电路。这样的部件可被称为“片外”。

如上面所讨论的，可以提供入射的电磁耦合的工作能量，诸如在接收器电路的输入处处于大约-10dBm的水平。可以使用6级整流充电泵电路来将该入射的电磁耦合的工作能量耦合到输出节点436A。复位产生电路496可以是带隙参考的，并且可以诸如通过监视输出节点436A而向系统提供POR。例如，当输出节点V_BOOST达到大约1V时，可以将POR禁能(de-assert)。

复位产生电路496中的滞后现象可以防止POR电路的不期望的翻转。例如，可以指定POR触发水平以允许POR在输出节点436A下降至可能远小于1V的指定电压之下(此时芯片无法正确工作)时被生成。可以使用关于最小V_BOOST电压的信息来确定这样的指定触发电压V_KILL，所述最小V_BOOST电压带来正确产生的参考电压或持续的能量转换可靠性。

图4B大体上示出以下图绘的说明性示例：与向图4A的无线接收器电路440提供的无线耦合突发脉冲412相对应的图绘、图4A的功率转换器电路438的输出节点436A的电压436B的图绘，以及与能量收集换能器的输出相对应的到功率转换器电路438的输入的图绘414B，诸如可以使用如图3或4B的示例中所示的系统的至少一部分根据经验来获得。

TEG图表414B大体上示出可由TEG提供的电压的初始斜升和稳定。例如，如图4B中所示，在TEG输出稳定之后，可以提供短突发脉冲412以对输出节点436A上的存储电容器进行无线充电，如图绘436B所示。在该说明性示例中，紧接在输出节点436A上的电压达到600mV之后，升压转换器可以工作并可以进一步将存储电容器充电至大约1.35V。系统然后可以继续在没有进一步的突发脉冲412的情况下工作，诸如工作达一延长的时间段或者连续地工作。然而，如果输出节点(例如，V_BOOST)降至指定触发电压(例如，V_KILL)之下(诸如由于超过所收集能量的长时间消耗或者在缺乏收集的能量)，则系统可以复位，或者操作可完全被废止。这样的废止可以被称为“节点死亡”。

在输出节点436A下降至诸如V_KILL的触发电压之下的示例中，系统可以自动关闭。然后可以诸如使用如图4B的说明性示例中所示的序列“恢复”或重新启动系统。系统可以诸如使用包含关闭之前存储的程序状态的非易失性存储器来在状态上重新启动，或者系统可以从包含引导加载器或默认程序的指定存储位置(诸如被包含在ROM中)重新启动。

图5大体上示出系统的一部分的说明性示例500。该系统可以包括耦合到功率管理处理器电路530(例如DPM)的指令存储器550，诸如，其中功率管理处理器电路530可以诸如对应于指定的能量消耗水平来调整或控制系统的其他功能块的各种参数。

在图5的说明性示例中，功率管理处理器电路530可以监视调节器电路的输入节点(例如，转换器电路536的输出)或一个或多个其他节点。可以诸如使用类似于图9的说明性示例的或如一个或多个其他示例所示的模拟输入526A来执行这样的监视。ADC 520可以向功率管理处理器电路530提供对转换器电路的被监视的输出进行指示的信息。使用该信息，功率管理处理器电路可以自动调节系统的能量消耗水平，例如对其他功能块进行使能、禁用或其他的节流操作。

例如，功率管理处理器电路530可以控制存储器存取控制器或数据存储器电路548、一个或多个或功能特定的处理器电路534，或无线发射器电路522中的一个或多个的能量消耗水平。数字打包器552可被用来将数据流化至无线传输电路522(例如，提供用于以指定封装格式进行传输的串行数据)。

在示例中，系统可以包括直接存储器存取(DMA)能力，诸如允许数字部分的一个或多个部分访问数据存储器电路548。DMA控制器可以提供高效能阈下数字电路，以在数据存储器电路548(DMEM)和系统的一个或多个其他部分之间进行连接。例如，功率管理处理器电路可以包括用以配置DMA控制器的指令，以便以FIFO访问模式提供对DMEM的至少一部分的访问，以便提供高效的数据流化能力。可以使用时钟多路复用器，以将DMA时钟速率与DMA控制器所对接的一个或多个其他功能块同步。在示例中，数据存储器电路548可以在逻辑上或在物理上被划分成对应于指定能量消耗水平的储格(例如，使用在本文的一个或多个说明性示例中所讨论的“停止灯”方案)。

可以通过DPM 530来控制诸如两个8位开关盒总线的一个或多个总线。这样的总线可以可控地被连接至数字部分的其他部分(诸如MCU、DMA或打包器552)的输入或输出。在说明性示例中，各输入或输出总线端口可以具有4位地址。具有两个或更多总线可以缓和数据操纵或控制。

如在其他示例中所讨论的，诸如传感器节点的系统可以包括多通道模拟输入(例如AFE)，诸如图5中所示的模拟输入526A。例如，模拟输入526A可以包括四个独立可配置的输入通道，诸如包括各自完全不同的斩波器稳定的低噪声放大器(LNA)或可变增益放大器(VGA)。例如，可以使用大约20kHz的斩波器频率，诸如超过被包括在LNA中的跨导运算放大器(OTA)的闪烁噪声转角。输入斩波器开关可被置于输入电容器之前，以便减少对可能使OTA输出饱和的任何OTA偏移的任何放大。输入电容器中的失配可导致共模到差模增益。相应地，为了放大AC信号，放大器可以被AC耦合，诸如使用片外电容器和电阻器以阻挡或减少输入处的任何DC偏移电压。

这样的拓扑可以提供低于其他相应拓扑的输入阻抗，然而可信的是，基于稳态模拟结果输入阻抗可以仍在兆欧(MΩ)的数量级。这样的输入阻抗范围可用于生理监视，诸如用于监视ExG信号或用于其他感测应用。

可配置的或者可编程的Gm-C滤波器可以有助于抑制或拒绝本底噪声之下的开关波纹。在说明性示例中，耦合的LNA和VGA可以以大约3μW每通道的功率消耗提供从DC到320Hz的7阶数字可编程增益(40-78dB)。如在本文其他地方(诸如图9)的示例中所讨论的，5输入多路复用器或其他拓扑可以提供到亚微瓦的8位SAR ADC(诸如ADC520)的输入，以对各输入通道或者V_BOOST转换器电路输出节点536进行采样，诸如用于监视能量消耗状态或存储的能量水平。

图6大体上示出诸如传感器节点的系统的一部分的说明性示例602，其可以包括可在通用处理器电路(例如MCU 632)、功率管理处理器电路(例如，DPM 630)或诸如功能特定的处理器电路的一个或多个其他电路之间被共享的指令存储器(IMEM)650。在图6的说明性示例602中，MCU可以与DPM 630共享IMEM 650。例如，各多路复用器660A或660B可以诸如使用指定代码字将各自的指令导向到MCU 632或DPM 630。

在示例中，DPM 630可以被配置为，诸如在MCU 632正在执行指令时自动进入较低能量消耗状态(被暂停或禁用，诸如可被称为“睡眠”模式)。相似地，当DPM 630正在执行一个或多个指令时，MCU 632可以被关闭或被时钟选通以保持状态，从而节约能量。按这种方式，MCU632可以提供通用处理灵活性，并且DPM 630可以诸如在无需额外指示或数据存储空间的情况下提供有效的能量消耗水平控制。

图7大体上示出诸如传感器节点的系统的一部分的说明性示例700，其可以包括用于处理数据或用于无线传输数据的一个或多个可控数据路径，诸如可以包括对应于指定能量消耗水平建立的数据路径。

诸如在本文中其他地方的示例中所述的DPM的功率管理处理器电路可以提供功率管理责任。DPM也可以诸如与指定能量消耗水平一致地管理一个或多个数据信号路径。如在图6的说明性示例中讨论的，DPM可以执行来自指令存储器(例如，1.5kB的指令存储器)的指令，从而诸如与使用一个或多个通用处理器电路用于控制系统相比消耗较少的工作能量，如在下面的表1的说明性示例中所示：

DPM指令	DPM能量	MCU等价能量
			空	0.7pJ	1.46pJ
控制信号	2.8pJ	2.92pJ
			分支命令	2.9pJ	4.38pJ

表1

如本文中其他地方所讨论的，DPM可以包括ISA，诸如与通用处理器电路相比被简化的ISA。DPM可被用于控制DMEM、AFE 726的输入通道(例如，增益或ADC采样速率)、传输速率、时钟频率产生和分配、用于灵活且定义了时刻的数据流的总线管理、时间延迟、时钟选通或对提供给系统的各种块(诸如提供给系统的数字部分)的电源电压的选择和调整。以下示例总体上示出可由DPM配置的信号处理选项的各种示例。

图7大体上示出系统数据路径的可配置性。例如，可以为处理建立一个或多个分别的数据路径。相似地，可以为无线传输建立一个或多个数据路径。如在上面和下面的示例中讨论的，诸如传感器节点的系统可以包括通用处理器电路(例如，MCU)。可以诸如使用MCU来执行或实行存储在指令存储器中的指令，以建立通用数据处理路径770A。然而，取决于系统的期望应用，除MCU之外或者代替MCU，可以诸如对应于指定能量消耗水平使用其他功能特定的处理器电路。

诸如图3的示例中所示的时钟生成电路可以将可编程时钟信号(例如，在一个或者多个频率或相位方面可编程)分配给各自的处理器电路。按这种方式，系统可以使用例如MCU、一个或多个功能特定的处理器电路，或者一个或多个功能特定的加速器电路与MCU的级联配置中的一个或多个灵活地处理数据。

例如，可以选择第二数据处理路径770B，诸如提供了(诸如耦合到纤维性颤动检测电路的)有限脉冲响应(FIR)滤波器或R波到R波间隔评估器(例如，RR提取器)中的一个或多个。DPM可以在数据处理路径之间自动地进行选择，诸如在建立了充裕的工作能量时选择通用路径770A，或响应于监视到下降的或较低量的可用工作能量而选择第二数据处理路径770B。在示例中，第三数据处理路径770C可以包括诸如FIR滤波器或包络检测器(诸如可被耦合到MCU)中的一个或多个的功能特定的处理器电路的组合。

诸如MCU的通用处理器电路可以包括8位精简指令集计算(RISC)指令集结构。诸如通用或者功能特定的处理电路的系统的一个或多个数字部分可以包括时钟脉冲门或头。例如，PMOS头可以提供相应的数字部分与一个或多个已调节的电源电路输出(诸如0.5V的电源)或可调电源之间的可控耦合。可调电源可由DPM来控制，以便提供动态电压缩放(DVS)。

在说明性示例中，MCU可被配置为阈下工作，诸如包括类似于8位PIC微控制器(例如，PIC微控制器，诸如类似于由美国亚利桑那州钱德勒市的Microchip(微芯片)技术公司提供的一个或多个PIC)结构。例如，MCU可被配置为在大约1.2kHz的时钟频率下，在低至大约0.26V的VDD电压下工作。在大约0.55V的VDD电压下，MCU可以工作在大约800kHz下。在说明性示例中，MCU可消耗大约0.7毫微瓦(nW)至大约1.4μW，如可以对应于电源电压范围(从大约VDD＝0.26V到大约VDD＝0.55V)被测量到的，从而诸如在默认的0.5V、200kHz的能量消耗水平下每次操作提供1.5pJ。

FIR滤波器可以是数字的，诸如被配置为提供固定的或者可编程的系数集或抽头计数。在说明性示例中，FIR滤波器可以包括四通道可编程结构，诸如允许多达30抽头(或更多)，例如可工作在低至大约300mV(如在本说明性示例中根据经验确定的)的电源电压的阈下制度中。FIR滤波器可以是可配置的，诸如包括系数选择、抽头的数量或滤波器的数量。在指定的较低能量消耗模式中，FIR滤波器可以被配置用于“半抽头(half-tap)”操作，诸如将可用抽头的数量削减一半(例如，从30个可用抽头过渡到15个可用抽头)。

直接FIR实施可以包括诸如对应于各抽头的各乘法器和加法器。然而，这样的方法可能以面积和能量消耗性能为代价。对于其中采样速率相对较低的感测或滤波应用，可以使用串行滤波器实现，诸如随着时间的过去以串行的方式确定给定的抽头乘法并添加相继的确定，使用是采样速率的倍数的时钟速率。这样的串行实现可针对各通道使用少至单个乘法器和单个加法器，诸如与全部30抽头的FIR实现相比提供面积方面的30倍的缩减。这样的串行FIR结构可以提供在使用350mV的电源电压的情况下1.1pJ每抽头的能量消耗。各通道可以是功率或时钟选通的，诸如对应于由DPM控制的指定能量消耗水平。

对于诸如ExG感测的生理传感应用，功能特定的处理器电路之一可以包括包络检测器。例如，对于EEG传感应用，信号功率可被确定在特定频带内，诸如对应于α、β、γ和低γ频带内的神经活动。包络检测电路可确定指定频带内的平均信号功率。例如，可以从FIR滤波器接收数据，诸如使用对应于FIR滤波器的通道输出的四输入通道。例如，可以使用下面的方程(1)来确定平均信号功率，可由x来表示信号，可由p_x表示平均信号功率，

p_{x} = \frac{1}{N} Σ_{n = 0}^{N - 1} {| x [n] |}^{2} - - - (1)

其中N可以表示总窗口大小。为减少计算复杂性，N可被确立为2的幂(例如，选自从2²至2⁷的范围)。这样的2的幂可以提供通过右偏移数据实现的除法运算。可以诸如使用从查找表获得的平方结果将x的值取整为最接近的4的幂。按这种方式，可以缩减数据变换期间使用的位数，因为最低的两个有效位始终是零值。在说明性示例中，这样的包络检测器电路可以消耗3.5nW，对应于大约0.5V的VDD电源电压和大约200kHz的时钟速率。

在示例中，R-R间隔评估器可以包括用以执行Pan-Tomkins技术的电路。这样的R-R间隔估计技术可以包括诸如在获取基线DC值之后诸如使用时域加窗和阈值中的一个或多个确定心率。R-R间隔评估器可以提供给定到两个连续峰值的时间戳，这两个连续峰值对应于它们之间的采样数目差。按这种方式，可以诸如通过根据所建立的能量消耗水平(诸如在DPM的控制下)改变采样速率或电源电压来适应更快或更慢的处理速率，从而调整R-R确定的分辨率。

在示例中，一旦已经估计了R-R间隔，就可以提供脉冲给诸如纤维性颤动检测处理器。例如，纤维性颤动检测处理器可以包括房颤检测器。纤维性颤动检测处理器可以使用诸如基于临床人群所确立或验证的一个或多个纤维性颤动检测技术。纤维性颤动检测器电路可以响应于所检测到的纤维性颤动事件输出标记，诸如，使用少至12个相继的R-R间隔估计与熵阈值标准一起或者使用一个或多个其他技术。

DPM也可以控制一个或多个无线数据传输路径，诸如图7中所示。例如，第一数据传输路径772A可对应于流模式，诸如用于由MCU提供的数据的传输。第二传输路径772B可以包括存储和突发方案，诸如使用数据存储器电路(例如，处于FIFO布置中)。第三传输路径772C可以包括将信息存储在诸如环形缓冲器或FIFO中，诸如响应于一个或多个检测到的事件而传输信息的突发。例如，在生理感测应用中，可以存储指示R-R间隔的信息。可以诸如响应于指示纤维性颤动的信息而提供被传输的信息的突发。否则，可以存储这样的RR间隔信息以供稍后传输或以其他方式丢弃。

图8大体上示出系统的一部分的说明性示例804，诸如可被包括作为传感器节点的一部分的调节器电路的一部分。如在其他示例中讨论的，可以对诸如TEG的能量收集换能器的输出进行升压。在图8的示例中，诸如升压转换器的转换器电路的输出节点836可以对应于在存储电容器886处建立的电压。在说明性示例804中，可在包括示例804的调节器电路的集成电路内产生偏置。

例如，可将一个或多个固定调节器包括在固定调节器部分884中，诸如包括四个或更多的亚微瓦线性调节器。这样的调节器可以提供用于耦合到系统的一个或多个其他部分的指定的固定电压，诸如：大约1.2V(例如，可耦合到AFE)、大约0.5V(例如，供在数字信号处理中使用，诸如一个或多个功能特定的处理器电路或一个或多个其他电路)、大约1.0V(例如，用于对无线发射器本地振荡器进行供电)，或被配置为生成大约0.5V(例如，用以向无线发射器功率放大器提供功率)的另一电源。

图8的说明性示例可以包括一个或多个其他调节器电路，诸如可调的调节器部分882。例如，可调的调节器部分882可以包括开关电容器DC-DC转换器。该转换器可被配置为诸如以50mV的步长提供从大约0.25V到1V的可调或者可控的输出。例如，可以使用3位电阻器DAC(RDAC)，诸如基于来自DPM的控制字来生成对应于期望输出水平的参考电压。可以诸如根据期望的输出范围改变阵列中的电容器的布置。可以将一或多个外部电容器可以耦合到可调的调节器部分882，以便减少或抑制由于切换活动而产生的波纹。

如在本文中其他示例中所讨论的，系统的部分中的一个或多个可被配置用于阈下工作，诸如可控地可耦合到固定的或可变的电压源(诸如在DPM的控制下，诸如使用PMOS头)。按这种方式，DPM可以使用固定或者可调电源电压中的一个或多个为每个部分建立受控的能量消耗水平。

图9大体上示出诸如传感器节点的系统的一部分的说明性示例900。说明性示例900可以包括被配置为提供指示调节器电路输入的信息的监视电路。该系统可以监视系统的能量消耗水平。这样监视到的信息可被用来相应地调整工作模式，以便防止系统复位或系统废止。例如，如果监视到的指示调节器输入节点(例如，升压转换器电路输出节点986，V_BOOST)的信息正在减少，则系统可以切换模式并消耗更少的能量以维持操作。当所收集的能量变得富裕时，系统可以将其本身恢复或调节到提供完全的或者无限制的操作的模式，或将操作维持在这样的模式中。

DPM 930(例如，数字功率管理处理器电路)可被配置为监视升压转换器输出节点986(例如，V_BOOST)或一个或多个其他节点，以便在系统的一些或所有可工作模式中提供闭环能量消耗管理。DPM 930可以提供能量数据流管理或其他监控功能，诸如对应于指定的能量消耗水平，所述指定的能量消耗水平可至少部分地使用监视到的信息确定，所述监视到的信息是使用如图9的说明性示例中所示的电路获得的。

例如，DPM 930可以通过ADC 920监视V_BOOST的表示。被提供给ADC 920的V_BOOST的表示可被缩放以在ADC的全部输入范围处或其附近利用。例如，V_BOOST可以被电阻式分压器对半分，使用缓冲电路990被缓冲以减少输出阻抗，或使用差分放大器电路992与参考电压相比较。例如，V_BOOST和参考电压之间的差可以诸如通过差分放大器电路992(诸如包括一个或多个OTA)被放大四倍。周期性地或者在指定持续时间期间，DPM可以下发诸如在其他通道(例如，可由AFE提供的其他通道1至4)中选择多路复用器926A的输入通道的指令，以获取指示系统的能量消耗水平的信息。

可以例如响应于下发的指令而将V_BOOST电压的缩放后的或数字化的表示(其可用V_{CAP_DIG}表示)提供给DPM 930。响应于该监视到的信息，DPM 930可以诸如使用停止灯方案调整或选择系统的能量消耗水平。

图10大体上示出与对应于自动控制的不同能量消耗水平的系统的各种参数相对应的图绘的说明性示例1000，诸如可以使用如图3的示例中所示的或如在上面关于图9的说明性示例所讨论的系统根据实验获得的。这样的方案可被用来诸如使用一个或多个固定的或者可编程的阈值或窗口自动地选择或调整系统的能量消耗水平。

在说明性示例中，DPM 930可以将所获得的信息(例如，V_{CAP_DIG})与诸如可以包括两个8位阈值(例如，绿色的阈值、黄色的阈值)的一个或多个可编程的阈值相比较，以便选择能量消耗水平(例如，绿色的水平或模式、黄色的水平或模式、红色的水平或模式)。DPM 930可以被配置为从当前能量消耗水平跳到任何其他水平，诸如没有通过任何中间水平的连续过渡(例如，过渡可以包括绿色到红色模式的切换，等等)。

各能量消耗水平(例如，工作模式)可对应于可被配置为提供各能量消耗水平的块的各子集或超集。这样的控制的说明性示例可以在表2中找到：

能量消耗水平	指令存储器	AFE	数据存储器	功能特定的电路	无线发射器
						红色	开	关	关	关	关
黄色	开	开	开	开	关或周期性操作
						绿色	开	开	开	开	开

表2

在图10的说明性示例中，可以使升压转换器的输入横扫从大约250mV到20mV的范围并返回。例如，绿色模式下的操作(例如，大于约1.3V的VBOOST)可以使系统的大多数或所有功能块是运转的，诸如图10的第一绿色区域1002或第二绿色区域1010中所示。

在黄色模式下(例如，大于约1.1V且小于约1.3V的V_BOOST)，DPM可以基于可用的能量关闭发射器或使发射器周期性地工作，诸如图10的第一黄色区域1004或第二黄色区域1008中所示。

在红色模式下(例如，小于约1.1V的V_BOOST)，发射器、功能特定的处理器电路或AFE可以是时钟选通或功率选通中的一个或多个，以节约能量，诸如图10的红色区域1006中所示。

DPM可以推翻或者以其他方式改变系统执行。例如，即使系统针对一系列特别操作来要求一个或多个禁用的或节流的块的操作，DPM也可以按照通过“停止灯”方案建立的能量消耗水平推翻这样的要求。DPM可以诸如响应于所监视到的信息(诸如8位数字VCAP_DIG确定)同时地在模式之间进行过渡，诸如无需附加指令的。按这样方式，可以提供闭环能量消耗管理方案。“停止灯”方案可被用来在DPM或通用处理器电路中提供分支或者跳跃的行为，以便在能量消耗水平改变期间或之后更改节点行为。

在图9和10的示例中所述和所示的能量消耗管理方案可以是灵活的，诸如使用可调的或者用户可编程的阈值或参数来控制能量消耗采样操作之间的持续时间。

在示例中，由DPM建立的能量消耗水平可以被一个或多个其他系统元件推翻，以便监视或传输被认为重要到需要冒传感器节点复位或废止的风险的信息。这样的推翻能力可以响应于诸如由功能特定的处理器电路中的一个或多个提供的指定事件或标记而发生。

图11A大体上示出图绘的说明性示例1100A，该图绘与诸如可被系统(诸如传感器节点)实时地或近实时地传输的心电图的实际表示以及重建表示相对应。在图11A的说明性示例中，ECG是从健康的人类对象获得的，并被无线通信电路以原始流模式传输，从而诸如消耗397μW，如从1.35V的V_BOOST节点测得的。无线传输的信息被德州仪器CC1101使用大约433MHz的频率收到。所收到的被重建的ECG(虚线)通常对应于实际的本地测量的ECG。

图11B大体上示出图绘的说明性示例1100B，该图绘与向模数转换器输入提供的信息的所感测的表示相对应，包括输入可被切换为用以对V_BOOST节点(例如，升压转换器的输出节点)进行采样的时间期间。在图11B的说明性示例中，系统可以使用R-R间隔提取技术而工作，诸如以定期的或者特定的间隔传输测得的心率，诸如当根据大约30mV的能量收集输入而工作时每5秒传输一次。在相继的间隔期间，V_BOOST也可以被采样，以便诸如在使能晶体振荡器以用于信息的无线传输之前验证存在足以维持持续操作的能量。

图12B大体上示出集成电路的注解显微图1200，诸如与图1-3、4A、5-10或12的说明性示例的系统的至少一部分相对应。这样的集成电路可以包括用于传感器节点或其他嵌入式系统的操作的SoC。在说明性示例中，诸如对应于其中无线发射器电路可以是周期性操作的心率提取模式，SoC可以消耗大约19μW，相信其小于其他通常可获得的系统。

图13大体上示出技术1300(诸如方法)，可包括使用如图1-3、4A、5-10或12中的一个或多个的示例中所示的系统。无线接收器电路可以被耦合到调节器电路，诸如图1的示例中所示。无线接收器电路可以被配置为诸如在1304处获取电磁耦合的工作能量，以便建立初始操作或提供诸如传感器节点的系统的持续操作。例如，传感器节点可以无线接收足够的工作能量以在无需从能量收集换能器获得工作能量(即使这样的换能器可被耦合到调节器电路)的情况下建立传感器节点的操作。

到调节器电路的输入可以被监视，诸如以供在选择传感器节点的能量消耗水平中使用。例如，在1306处，可以根据到调节器电路的输入而选择传感器节点的能量消耗水平。在1308处，可以在系统的诸如与数字处理器电路的操作有关的一个或多个部分中建立阈下工作模式。阈下工作模式可对应于系统的所选的能量消耗水平。

各种注释和示例

本文件中所述的每个非限制性示例可以独立存在，或者可以与其他示例中的一个或多个以各种排列或组合相结合。

以上详细描述包括对附图的参考，所述附图形成详细描述的一部分。附图以例证的方式示出其中可以实践本发明的特定实施例。这些实施例在本文中也被称为“示例”。这样的示例可以包括除了所示或所述的那些的元素以外的元素。然而，本发明人也设想了其中仅仅是被示出或被描述的那些元素被提供的示例。此外，本发明人也设想了使用所示或所述的那些元素(或其一个或多个方面)的任何组合或排列的示例，或者针对特别的示例(或其一个或多个方面)，或针对本文中所示或所述的其他示例(或其一个或多个方面)。

在本文件与通过参考被这样合并的任何文件之间存在不一致的情况下，以本文件中的使用为准。

在本文件中，如在专利文件中常用的那样，术语“一”被用来包括一个或多于一个，其独立于“至少一个”或“一个或多个”的任何其他情况或用法。在本文件中，除非以其他方式指明，否则术语“或”被用来指代非排他的或者，使得“A或B”包括“A但非B”、“B但非A”和“A和B”。在本文件中，术语“包括”和“在其中”被用作相应术语“包含”和“其中”的通俗英文同义词。另外，在以下权利要求中，术语“包括”和“包含”是开放式的，也就是说，包括除了在权利要求中这样的术语之后所列的那些之外的元素的系统、装置、物品、成分、公式或过程仍被认为落在该权利要求的范围内。此外，在以下权利要求中，术语“第一”、“第二”和“第三”等只是被用作标签，而并不意图将数字要求强加给他们的对象。

本文描述的方法示例可以至少部分地是机器或计算机实施的。一些示例可以包括计算机可读介质或机器可读介质，它们利用可操作用于将电子装置配置为执行上述示例中所述的方法的指令而被编码。这样的方法的实施可以包括代码，诸如微代码、汇编语言代码、高级语言代码，等等。这样的代码可以包括用于执行各种方法的计算机可读指令。代码可形成计算机程序产品的一部分。此外，在示例中，代码可以诸如在执行或其他时间期间被有形地存储在一个或多个易失性、非瞬时或非易失性有形计算机可读介质上。这些有形计算机可读介质的示例可包括但不限于：硬盘、可移动磁盘、可移动光盘(例如，压缩盘和数字视频盘)、磁盒式磁带、存储卡或棒、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)，等等。

以上描述旨在是说明性的，而不是限制性的。例如，上面描述的示例(或其一个或多个方面)可以彼此相组合地使用。诸如本领域普通技术人员在审阅上述描述时可以使用其他实施例。提供摘要以遵守37C.F.R.§1.72(b)，以便使读者能够快速确定技术公开内容的性质。在理解摘要不会被用来解释或限制权利要求的范围或意义的情况下将摘要提交。另外，在以上详细描述中，各种特征可被分组在一起以使本公开简化。这不应被解释为意图使得未写在权利要求中的所公开的特征对于任何要求是必要的。更确切地说，创造性的主题可能在于比特别公开的实施例的所有特征更少的特征。因此，以下权利要求由此被并入具体实施方式部分中作为示例或实施例，其中每个权利要求作为独立的实施例独立存在，并且设想这样的实施例可以以各种组合或排列彼此相互组合。本发明的范围应该参考所附权利要求以及这样的权利要求所给出的等同物的全部范围来确定。

Claims

1.一种传感器节点，包括：

调节器电路，其包括可耦合到能量收集换能器的输入；

无线接收器电路，其耦合到所述调节器电路并被配置为无线地接收至少足以在无需所述能量收集换能器的情况下建立所述传感器节点的操作的工作能量；

数字处理器电路，其耦合到所述调节器电路；以及

功率管理处理器电路，其被配置为根据到所述调节器电路的输入选择所述传感器节点的能量消耗水平；

其中所述数字处理器电路包括由所述功率管理处理器电路根据所选的能量消耗水平而建立的阈下工作模式；以及

其中建立所述阈下工作模式包括：调整或选择由所述调节器电路提供的电源电压，以建立所述数字处理器电路中的场效应晶体管(FET)的阈下工作。

2.根据权利要求1所述的传感器节点，还包括耦合到所述调节器电路的所述能量收集换能器；

其中所述调节器电路被配置为，在耦合到所述能量收集换能器时且在无需一次电池或可充电电池的情况下为所述传感器节点提供足以连续地工作的工作能量。

3.根据权利要求2所述的传感器节点，其中所述无线接收器电路被配置为无线地接收至少足以初始地建立所述传感器节点的操作的工作能量；以及

其中所述调节器电路和所述能量收集换能器被配置为在缺少进一步的无线接收的工作能量的情况下为所述传感器节点提供持续的工作能量。

4.根据权利要求2至3中任一项所述的传感器节点，其中所述能量收集换能器包括热电发电机(TEG)。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的传感器节点，其中所述功率管理处理器电路被配置为选择所述传感器节点的能量消耗水平，以至少部分地禁止复位或禁止所述传感器节点的操作的废止。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的传感器节点，包括功能特定的处理器电路，所述功能特定的处理器电路包括由所述功率管理处理器电路根据所选的能量消耗水平而建立的阈下工作模式；

其中所述数字处理器电路包括通用处理器电路；

其中所述调节器电路包括被配置为，向所述通用处理器电路或所述功能特定的处理器电路中的一个或多个提供所述电源电压的可调输出；以及

其中建立阈下工作模式包括：调整所述可调输出，以建立所述通用处理器电路或所述功能特定的处理器电路中的一个或多个中的相应场效应晶体管(FET)的阈下工作。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的传感器节点，包括功能特定的处理器电路，所述功能特定的处理器电路包括由所述功率管理处理器电路根据所选的能量消耗水平而建立的阈下工作模式；

其中所述数字处理器电路包括通用处理器电路；

其中所述调节器电路包括被配置为，提供可控地可耦合到所述通用处理器电路或所述功能特定的处理器电路中的一个或多个的不同指定电源电压的两个或更多输出；以及

其中所述功率管理电路被配置为，控制所述调节器电路的各输出到所述通用处理器电路或所述功能特定的处理器电路中的一个或多个的耦合，以建立所述阈下工作模式。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的传感器节点，包括被配置为在时钟输出处提供指定的输出时钟频率的时钟生成电路；

其中所述功率管理处理器电路被配置为，根据所选的能量消耗水平，调整被提供到所述数字处理器电路的所述输出时钟频率或选通被提供给所述数字处理器电路的所述时钟输出。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的传感器节点，包括：

模拟输入，其被配置为获取指示生理信号的信息，所述模拟输入在所述功率管理电路的控制下并且根据所选的能量消耗水平可控地可耦合到所述数字处理器电路。

10.根据权利要求9所述的传感器节点，其中所述模拟输入包括模数转换器；

其中所述功率管理电路被配置为，使用所述模数转换器获取指示所述调节器电路的输入的信息；以及

其中所述功率管理电路被配置为，使用所获得的关于所述调节器电路的输入的信息调节所述传感器节点的能量消耗水平。

11.根据权利要求9至10中任一项所述的传感器节点，包括可控地可耦合到所述数字处理器电路或所述模拟输入的无线发射器，所述无线发射器被配置为，在所述功率管理电路的控制下且根据所选的能量消耗水平传输被所述模拟输入获取的指示所述生理信号的流化的或经处理的信息中的一个或多个。

12.根据权利要求11所述的传感器节点，包括功能特定的处理器电路，所述功能特定的处理器电路包括由所述功率管理处理器电路根据所选的能量消耗水平而建立的阈下工作模式；

其中所述数字处理器电路包括通用处理器电路；以及

其中所述功率管理电路被配置为在所述模拟输入和所述无线发射器之间可控地建立数据路径，以根据所选的能量消耗水平包括或排除所述通用处理器电路或所述功能特定的加速器电路中的一个或多个。

13.根据权利要求11至12中任一项所述的传感器节点，其中所述能量消耗水平包括至少三个水平，包括：

第一能量消耗水平，其中所述通用处理器电路、所述应用特定的处理器电路、所述模拟输入以及所述无线发射器被使能；

第二能量消耗水平，其中所述无线发射器进行周期性操作，以消耗比选择第一能量消耗水平时所述无线发射器的相应能量消耗更少的能量；以及

第三能量消耗水平，在该第三能量消耗水平中：

所述无线发射器进一步进行周期性操作或被禁能，以消耗比选择第一或第二能量消耗水平时所述无线发射器的相应能量消耗更少的能量，以及

其中所述通用处理器电路、所述应用特定的处理器电路或所述模拟输入中的一个或多个被禁止接收时钟信号或电源电压中的一个或多个。

14.根据权利要求1至13中任一项所述的传感器节点，包括耦合到所述功率管理电路和所述数字处理器电路的共享指令存储器电路。

15.根据权利要求14所述的传感器节点，包括耦合到所述功率管理电路和所述数字处理器电路中的一个或多个的数据存储器电路。

16.根据权利要求1至15中任一项所述的传感器节点，其中所述调节器电路、所述无线接收器电路、所述数字处理器电路以及所述功率管理电路的有源部分被共集成在共享集成电路装置中。

17.根据权利要求16所述的传感器节点，其中所述集成电路装置包括互补金属氧化物半导体(CMOS)装置。

18.根据权利要求1至17中任一项所述的传感器节点，其中所述无线接收器电路被配置为接收感应耦合的电磁工作能量或辐射耦合的电磁工作能量中的一个或多个。

19.一种操作传感器节点的方法，包括：

在耦合到可耦合到能量收集换能器的调节器电路的无线接收器电路处，无线地接收足以在无需来自所述能量收集换能器的工作能量的情况下建立所述传感器节点的操作的工作能量；

根据到所述调节器电路的输入选择所述传感器节点的能量消耗水平；以及

根据所选的能量消耗水平建立数字处理器电路的阈下工作模式，包括调整或选择由所述调节器电路提供的电源电压，以建立所述数字处理器电路中的场效应管(FET)的阈下工作。

20.根据权利要求19所述的方法，包括在无需一次电池或可充电电池的情况下使用所述能量收集换能器为所述传感器节点获取足以连续地工作的工作能量。

21.根据权利要求20所述的方法，包括在所述无线接收器电路处无线地接收足以初始地建立所述传感器节点的操作的工作能量；以及

在没有进一步的无线接收的工作能量的情况下使用所述能量收集换能器获取用于所述传感器节点的操作的持续工作能量。

22.根据权利要求20至21中任一项所述的方法，其中所述能量收集换能器包括热电发电机(TEG)。

23.根据权利要求19至22中任一项所述的方法，包括选择所述传感器节点的能量消耗水平，以至少部分地禁止复位或禁止所述传感器节点的操作的废止。

24.根据权利要求19至23中任一项所述的方法，包括调整所述调节器电路的输出，以向通用处理器电路或功能特定的处理器电路中的一个或多个提供电源电压；

其中建立所述阈下工作模式包括：调整所述可调输出以建立所述通用处理器电路或所述功能特定的处理器电路中的一个或多个中的相应场效应晶体管(FET)的阈下工作。

25.根据权利要求19至24中任一项所述的方法，包括可控地将所述调节器电路的各个不同输出耦合到通用处理器电路或功能特定的处理器电路中的一个或多个，以建立所述阈下工作模式。

26.根据权利要求19至25中任一项所述的方法，包括在时钟输出处产生指定的输出时钟频率，这包括根据所选的能量消耗水平，调整被提供给所述数字处理器电路的所述输出时钟频率或选通被提供给所述数字处理器电路的所述时钟输出。

27.根据权利要求19至26中任一项所述的方法，包括根据所选的能量消耗水平，使用可控地可耦合到所述数字处理器电路的模拟输入来获取指示生理信号的信息。

28.根据权利要求27所述的方法，其中所述生理信号包括心电图(ECG)和脑电图(EEG)或肌电图(EMG)中的一个或多个。

29.根据权利要求27至28中任一项所述的方法，包括使用所获得的、关于到所述调节器电路的输入的信息来调整所述传感器节点的能量消耗水平，该信息使用所述模拟输入获得。

30.根据权利要求27至29中任一项所述的方法，包括使用无线发射器根据所选的能量消耗水平无线地传输指示由所述模拟输入获得的所述生理信号的流化的或经处理的信息中的一个或多个。

31.根据权利要求29所述的方法，包括可控地在所述模拟输入和所述无线发射器之间建立数据路径，以根据所选的能量消耗水平包括或排除通用处理器电路或功能特定的加速器电路中的一个或多个。

32.根据权利要求29至31中任一项所述的方法，其中所述能量消耗水平包括至少三个水平，包括：

第二能量消耗水平，其中所述无线发射器进行周期性操作，以消耗比选择第一能量消耗水平时所述无线发射器的相应能量消耗更少的能量的；以及

第三能量消耗水平，在该第三能量消耗水平中：

所述无线发射器进一步进行周期性操作或被禁能以消耗比选择第一或第二能量消耗水平时所述无线发射器的相应能量消耗更少的能量，以及

33.一种处理器可读介质，包括指令，在被至少一个处理器电路执行时，所述指令使得包括所述至少一个处理器电路的设备执行如权利要求19-32中的任一项所述的方法。