CN106788485B - 一种低功耗发射机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低功耗发射机，包括发射机核心电路，还包括启动控制电路，所述启动控制电路用于当接收到所需发射的数据且接收到的第一使能信号的电平为启动电平时，则输出第二使能信号至发射机核心电路，从而控制发射机核心电路启动；所述启动控制电路的输出端与发射机核心电路的控制端连接。本发明的发射机能令发射机核心电路在数据DATA进入发射机的时候才会打开启动，从而最大限度地减少发射机核心电路的工作时间，节省整个系统的电流。本发明一种低功耗发射机可广泛应用于无线传感网络节点收发芯片领域中。

Description

一种低功耗发射机
技术领域
本发明涉及无线通讯信号收发技术，尤其涉及一种适用于无线传感网络节点收发芯片中的低功耗发射机。
背景技术
无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）具有的众多类型的传感器，可探测包括地震、电磁、温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等周边环境中多种多样的现象，并且其潜在的应用领域可包括有军事、航空、防爆、救灾、环境、医疗、保健、家居、工业、商业等领域。对于所述的WSN，其特点是节点的电源能量有限，为了准确、及时地获取信息，必须依靠节点间的协作，大量的MEMS传感器节点只有通过低功耗无线电通信技术连成网络才能够发挥其整体和综合作用。其中, 能量问题是决定传感器网络能否实用的生命线问题，因此，WSN的传感器节点要求必须是低功耗的。
目前，WSN的传感器节点的基本组成和功能单元包括有：传感单元（由传感器和模数转换功能模块组成）、处理单元（由嵌入式系统构成，包括CPU、存储器、嵌入式操作系统等）、通信单元（由无线通信模块组成）以及电源部分，如图1所示。此外, 其还可以选择包含有其它功能单元，如定位系统、移动系统、电源自供电系统等。
随着集成电路工艺的进步，所述传感器节点中的处理器和传感器模块的功耗已变得很低,而其绝大部分能量则主要消耗在无线通信模块上。如图2所示，其是传感器节点各部分能量消耗的情况，从图中可知，传感器节点的大部分能量消耗在无线收发芯片上。目前，尽管无线收发芯片的发射和接收的电流已经做到很低，控制接收和发射的时间也已经非常优化，但是，对于目前的发射机而言，其被启动后需要经过一段Tdelay导通时间才能正常稳定工作，并且将所需发射的数据DATA发送出去，而在这一段Tdelay导通时间内，发射机则并没有发送任何数据，这样则增加了整个系统的功耗。因此由此可见，为了降低整个传感器节点的功耗，可通过减少发射机在导通时间内的功耗来实现。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种适用于无线传感网络节点收发芯片中的低功耗发射机，可减少导通时间内所述发射机的功耗，令传感器节点达到低功耗的效果。
本发明所采用的技术方案是：一种低功耗发射机，包括发射机核心电路和启动控制电路，所述启动控制电路用于当接收到所需发射的数据且接收到的第一使能信号的电平为启动电平时，则输出第二使能信号至发射机核心电路，从而控制发射机核心电路启动；所述启动控制电路的输出端与发射机核心电路的控制端连接。
进一步，所述启动控制电路包括：
信号输入电路，用于接收所需发射的数据；
唤醒延迟关断电路，用于将接收到的信号延时输出；
与门，用于对接收到的第一使能信号和由唤醒延迟关断电路所输出的信号进行与运算；
所述信号输入电路的输出端通过唤醒延迟关断电路从而与与门的第一输入端连接，所述与门的第二输入端作为第一使能信号的接收端，所述与门的输出端与发射机核心电路的控制端连接。
进一步，所述信号输入电路包括第一反相器和第二反相器，所述唤醒延迟关断电路包括第三PMOS管、第四PMOS管、第五PMOS管、第六PMOS管、第三NMOS管、第四NMOS管以及第一电容；
所述第一反相器的输出端分别与第二反相器的输入端和第三PMOS管的栅极连接，所述第二反相器的输出端分别与第四PMOS管的栅极、第五PMOS管的栅极及第六PMOS管的栅极连接，所述第三PMOS管的漏极分别与第三NMOS管的漏极和第一电容的一端连接，所述第四PMOS管的漏极与第五PMOS管的源极连接，所述第五PMOS管的漏极与第六PMOS管的源极连接，所述第六PMOS管的漏极分别与第三NMOS管的栅极、第四NMOS管的栅极及第四NMOS管的漏极连接；
所述第三PMOS管的源极和第四PMOS管的源极均接电源电压，所述第三NMOS管的源极、第四NMOS管的源极和第一电容的另一端均接地，所述第一电容的一端作为唤醒延迟关断电路的输出端。
进一步，所述启动控制电路还包括用于防止输出信号抖动的斯密特触发器，所述斯密特触发器连接在唤醒延迟关断电路的输出端和与门的第一输入端之间。
进一步，所述斯密特触发器包括第七PMOS管、第八PMOS管、第九PMOS管、第十PMOS管、第五NMOS管、第六NMOS管、第七NMOS管、第八NMOS管；
所述唤醒延迟关断电路的输出端分别与第七PMOS管的栅极、第八PMOS管的栅极、第五NMOS管的栅极及第六NMOS管的栅极连接，所述第七PMOS管的漏极分别与第八PMOS管的源极和第九PMOS管的源极连接，所述第八PMOS管的漏极分别与第五NMOS管的漏极、第九PMOS管的栅极、第七NMOS管的栅极、第十PMOS管的栅极及第八NMOS管的栅极连接，所述第五NMOS管的源极分别与第六NMOS管的漏极和第七NMOS管的源极连接，所述第十PMOS管的漏极与第八NMOS管的漏极连接；
所述第七PMOS管的源极、第七NMOS管的漏极及第十PMOS管的源极均接电源电压，所述第六NMOS管的源极、第九PMOS管的漏极及第八NMOS管的源极均接地，所述第八NMOS管的漏极作为斯密特触发器的输出端。
进一步，还包括第一使能信号输出电路，所述第一使能信号输出电路的输出端与启动控制电路的输入端连接。
进一步，还包括偏置电路和带隙基准电路，所述第一使能信号输出电路的输出端分别与偏置电路的控制输入端和带隙基准电路的控制输入端连接，所述带隙基准电路的输出端通过偏置电路从而与发射机核心电路的输入端连接。
本发明的有益效果是：本发明的发射机中包括有启动控制电路，并且所述启动控制电路是用于当接收到所需发射的数据且接收到的第一使能信号的电平为启动电平时，则输出第二使能信号至发射机核心电路，从而控制发射机核心电路启动，这样则令发射机核心电路在数据DATA进入发射机的时候才会打开启动，从而最大限度地减少发射机核心电路的工作时间，节省整个系统的电流。
附图说明
图1是传统WSN的传感器节点的结构框示意图；
图2是传统WSN的传感器节点中各部分的能量消耗示意图；
图3是本发明一种低功耗发射机的结构框示意图；
图4是本发明一种低功耗发射机的一具体实施例电子电路示意图；
图5是图4中启动控制模块STC的一具体实施例电子电路示意图；
图6是启动控制模块STC的输入输出时序示意图。
1、第一反相器；2、第二反相器；3、唤醒延迟关断电路；4、斯密特触发器。
具体实施方式
目前收发芯片中的发射机包含有发射机核心电路、偏置电路以及带隙基准电路等电路，所述发射机内的各个电路的导通，其是通过处理器写SPI，SPI控制数字电路产生TX_EN信号，利用TX_EN信号控制发射机导通时间来实现的，即对于目前收发芯片中的发射机而言，其是利用一个使能信号TX_EN来控制的。另外，为了改善发射机的稳定性和滤除发射机的噪声，通常会在带隙基准电路和偏置电路中并联有很多大的电容，而这些电容的充电时间很慢，从而造成了发射机的稳定时间慢。但是相较于发射机核心电路，带隙基准电路和偏置电路的耗电则非常小。而对于发射机核心电路，其没有设有大的电容，稳定时间快，一般在10nS左右，但是其耗电却非常大。因此，为了减少发射机在导通时间内的功耗，本发明提出一种发射机，其通过两个使能信号来控制，首先利用第一使能信号TX_EN1来控制带隙基准电路和偏置电路启动，然后当接收到所需发射的数据DATA且第一使能信号的电平为启动电平时，才令第二使能信号TX_EN2控制发射机核心电路启动工作，这样便可令启动时间长，功耗小的带隙基准电路和偏置电路先启动，然后才让启动时间短，功耗大的发射机核心电路在数据DATA进入发射机时启动，最大限度地减少在发射机导通时间内所述核心电路的工作时间。
基于上述的原理，本发明所提供的一种低功耗发射机，如图3所示，其包括发射机核心电路和启动控制电路，所述启动控制电路用于当接收到所需发射的数据DATA且接收到的第一使能信号TX_EN1的电平为启动电平时，则输出第二使能信号TX_EN2至发射机核心电路，从而控制发射机核心电路启动；所述启动控制电路的输出端与发射机核心电路的控制端连接。所述第一使能信号TX_EN1用于输出至启动控制电路，以及输出至带隙基准电路和偏置电路，从而控制带隙基准电路和偏置电路的启动和关断。
上述低功耗发射机的工作原理为：令第一使能信号TX_EN1为启动电平，控制带隙基准电路和偏置电路启动；然后，当所需发射的数据DATA进入启动控制电路，即此时所述启动控制电路接收到所需发射的数据DATA，并且启动控制电路接收到的第一使能信号TX_EN1的电平为启动电平时，所述启动控制电路输出的第二使能信号TX_EN2的电平为启动电平，从而控制发射机核心电路启动。由此可得，本发明的发射机核心电路是在数据DATA进入时才打开启动的，这样则能最大限度地减少发射机核心电路的工作时间，降低发射机在导通时间内所产生的功耗，达到真正低功耗的效果。
进一步作为优选的实施方式，所述启动控制电路包括：
启动控制模块，其包括用于接收所需发射的数据DATA的信号输入电路，以及用于将接收到的信号延时输出的唤醒延迟关断电路；
与门，用于对接收到的第一使能信号TX_EN1和由唤醒延迟关断电路所输出的信号进行与运算；
所述信号输入电路的输出端通过唤醒延迟关断电路从而与与门的第一输入端连接，所述与门的第二输入端作为第一使能信号TX_EN1的接收端，即所述与门的第二输入端用于接入第一使能信号TX_EN1，所述与门的输出端与发射机核心电路的控制端连接。其中，所述信号输入电路包括第一反相器和第二反相器。
进一步作为优选的实施方式，所述启动控制电路还包括用于防止输出信号抖动的斯密特触发器，所述斯密特触发器连接在唤醒延迟关断电路的输出端和与门的第一输入端之间。此时，所述与门用于对接收到的第一使能信号TX_EN1和由斯密特触发器所输出的信号进行与运算。
实施1、适用于无线传感网络节点收发芯片中的低功耗发射机
本实施例中，电路模块的启动电平为高电平，关断电平为低电平。
如图3所示，一种适用于无线传感网络节点收发芯片中的低功耗发射机，其具体包括启动控制电路、第一使能信号输出电路、带隙基准电路、偏置电路以及发射机核心电路；
所述启动控制电路，用于接收所需发射的数据DATA和第一使能信号TX_EN1，当接收到所需发射的数据DATA且接收到的第一使能信号TX_EN1的电平为启动电平，即高电平，时，则输出第二使能信号TX_EN2至发射机核心电路，从而控制发射机核心电路启动，即此时第二使能信号TX_EN2为高电平；当接收到所需发射的数据DATA且接收到的第一使能信号TX_EN1的电平为关断电平，即低电平，时，则输出第二使能信号TX_EN2至发射机核心电路，从而控制发射机核心电路关断，即此时第二使能信号TX_EN2为低电平；当没有接收到所需发射的数据DATA时，无论第一使能信号TX_EN1为低电平或高电平，则输出第二使能信号TX_EN2至发射机核心电路，从而控制发射机核心电路关断，即此时第二使能信号TX_EN2为低电平；
所述第一使能信号输出电路，其采用目前由SPI控制而产生使能信号的数字电路来实现，用于输出第一使能信号TX_EN1至启动控制电路，以及输出第一使能信号TX_EN1至带隙基准电路和偏置电路，从而控制带隙基准电路和偏置电路的启动和关断；
所述启动控制电路的输出端与发射机核心电路的控制输入端连接，所述第一使能信号输出电路的输出端分别与启动控制电路的输入端、带隙基准电路的输入端和偏置电路的输入端连接，所述带隙基准电路的输出端通过偏置电路从而与发射机核心电路的输入端连接。
如图4所示，对于上述的启动控制电路，其包括启动控制模块STC和与门，所述启动控制模块STC的输入端用于接入所需发射的数据DATA，输出端与与门的第一输入端连接，所述与门的第二输入端则用于接入第一使能信号TX_EN1，输出端用于输出第二使能信号TX_EN2；
其中，如图5所示，所述启动控制模块STC包括第一反相器1、第二反相器2、唤醒延迟关断电路3以及斯密特触发器4；
所述第一反相器1包括第一PMOS管PM1和第一NMOS管NM1，所述第二反相器2包括第二PMOS管PM2和第二NMOS管NM2；
所述唤醒延迟关断电路2包括第三PMOS管PM3、第四PMOS管PM4、第五PMOS管PM5、第六PMOS管PM6、第三NMOS管NM3、第四NMOS管NM4以及第一电容C1；
所述斯密特触发器4包括第七PMOS管PM7、第八PMOS管PM8、第九PMOS管PM9、第十PMOS管PM10、第五NMOS管NM5、第六NMOS管NM6、第七NMOS管NM7、第八NMOS管NM8；
所述第一PMOS管PM1的漏极分别与第一NMOS管NM1的漏极、第二PMOS管PM2的栅极、第二NMOS管NM2的栅极及第三PMOS管PM3的栅极连接，所述第二PMOS管PM2的漏极分别与第二NMOS管NM2的漏极、第四PMOS管PM4的栅极、第五PMOS管PM5的栅极、第六PMOS管PM6的栅极连接，所述第一PMOS管PM1的源极和第二PMOS管PM2的源极均接电源电压VCC，所述第一NMOS管NM1的源极和第二NMOS管NM2的源极均接地；
所述第一PMOS管PM1的栅极和第一NMOS管NM1的栅极作为信号输入电路的输入端，接入所需发射的数据DATA，所述第一NMOS管NM1的漏极作为第一反相器1的输出端，所述第二PMOS管PM2的栅极和第二NMOS管NM2的栅极作为第二反相器2的输入端，所述第二NMOS管NM2的漏极作为第二反相器2的输出端；
所述第三PMOS管PM3的漏极分别与第三NMOS管NM3的漏极和第一电容C1的一端连接，所述第四PMOS管PM4的漏极与第五PMOS管PM5的源极连接，所述第五PMOS管PM5的漏极与第六PMOS管PM6的源极连接，所述第六PMOS管PM6的漏极分别与第三NMOS管NM3的栅极、第四NMOS管NM4的栅极及第四NMOS管NM4的漏极连接；所述第三PMOS管PM3的源极和第四PMOS管PM4的源极均接电源电压VCC，所述第三NMOS管NM3的源极、第四NMOS管NM4的源极和第一电容C1的另一端均接地，所述第一电容C1的一端作为唤醒延迟关断电路的输出端；
所述第一电容C1的一端分别与第七PMOS管PM7的栅极、第八PMOS管PM8的栅极、第五NMOS管NM5的栅极及第六NMOS管NM6的栅极连接，所述第七PMOS管PM7的漏极分别与第八PMOS管PM8的源极和第九PMOS管PM9的源极连接，所述第八PMOS管PM8的漏极分别与第五NMOS管NM5的漏极、第九PMOS管PM9的栅极、第七NMOS管NM7的栅极、第十PMOS管PM10的栅极及第八NMOS管NM8的栅极连接，所述第五NMOS管NM5的源极分别与第六NMOS管NM6的漏极和第七NMOS管NM7的源极连接，所述第十PMOS管PM10的漏极与第八NMOS管NM8的漏极连接；所述第七PMOS管PM7的源极、第七NMOS管NM7的漏极及第十PMOS管PM10的源极均接电源电压VCC，所述第六NMOS管NM6的源极、第九PMOS管PM9的漏极及第八NMOS管NM8的源极均接地，所述第八NMOS管的漏极作为斯密特触发器的输出端，其输出的信号为S1，与与门第一输入端连接；
即所述第一反相器1的输入端接入所需发射的数据DATA，所述第一反相器1的输出端分别与第二反相器2的输入端和唤醒延迟关断电路3的第一输入端连接，所述第二反相器2的输出端与唤醒延迟关断电路3的第二输入端连接，所述唤醒延迟关断电路3的输出端通过斯密特触发器4从而与与门的第一输入端连接。
对于上述的启动控制电路，其工作原理为：当输入的信号由低变高时，V1变为低，此时PM3导通，V2变为高，PM4、PM5和PM6关断，V4变为低，NM3关断，此时电容C1通过PM3快速充电到高，V3变为高，而V3通过斯密特触发器4传输出去，所以输出为高；当输入的信号由高变低时，V1变为高，此时PM3关断，V2变为低，PM4、PM5和PM6导通，V4变为高，NM3导通，此时电容C1通过NM3慢慢地放电，放电的速度由流过NM3的电流和C1的电容值决定，而V3值随着C1的放电逐渐变小，直到斯密特触发器4翻转，输出变为低。如图6所示，其为启动控制模块的输入和输出时序图，其中，T2为延迟关断时间，其由唤醒延迟关断电路所产生的，延时时间T2应大于T1，保证发射机核心电路的关断是由TX_EN1控制，避免因所需发射的数据DATA的电平由高变低时所产生的误操作。其中，对于T1，其是指数据传输完成后，过1-2个时钟周期，SPI会发送一个关断信号，而T1便是指这1-2个时钟周期的时间。而对于T2，其至少要大于T1，可以根据实际情况延长T2时间。
由上述可得，本发明的发射机是由两个使能信号控制，其中一个使能信号TX_EN1用于控制带隙基准电路和偏置电路的启动和关断，另一个使能信号TX_EN2用于控制发射机核心电路的启动和关断，而所述使能信号TX_EN2是通过STC输出的信号S1与使能信号TX_EN1“与”运算后产生输出的；对于STC，其输入是所需发射的数据DATA，当有DATA进入时，其所输出的S1会置高，而在没有DATA进入时，其所输出的S1会延时T2后才置低，这样则令本发明的发射机具有以下优点：
1、使发射机核心电路在数据进入发射机的时候才打开，这样可以最大限度的减小发射机核心电路的工作时间，从而节省整个系统的电流；
2、确保由使能信号TX_EN1来控制发射机核心电路的启动和关断,令发射机核心电路的关断不受发射数据的控制；
3、由于无线传输网络传输速率低，远远小于其它通信系统，所以发射核心电路在数据进入时启动，不会影响发射质量。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (5)

1.一种低功耗发射机，包括发射机核心电路，其特征在于：还包括启动控制电路、偏置电路和带隙基准电路，所述启动控制电路用于当接收到所需发射的数据且接收到的第一使能信号的电平为启动电平时，则输出第二使能信号至发射机核心电路，从而控制发射机核心电路启动；所述启动控制电路的输出端与发射机核心电路的控制端连接，所述带隙基准电路的输出端通过偏置电路从而与发射机核心电路的输入端连接，所述带隙基准电路的启动和关断以及偏置电路的启动和关断均受控于所述第一使能信号；
所述启动控制电路包括：
信号输入电路，用于接收所需发射的数据；
唤醒延迟关断电路，用于将接收到的信号延时输出；
与门，用于对接收到的第一使能信号和由唤醒延迟关断电路所输出的信号进行与运算；
所述信号输入电路的输出端通过唤醒延迟关断电路从而与与门的第一输入端连接，所述与门的第二输入端作为第一使能信号的接收端，所述与门的输出端与发射机核心电路的控制端连接。
2.根据权利要求1所述一种低功耗发射机，其特征在于：所述信号输入电路包括第一反相器和第二反相器，所述唤醒延迟关断电路包括第三PMOS管、第四PMOS管、第五PMOS管、第六PMOS管、第三NMOS管、第四NMOS管以及第一电容；
所述第一反相器的输出端分别与第二反相器的输入端和第三PMOS管的栅极连接，所述第二反相器的输出端分别与第四PMOS管的栅极、第五PMOS管的栅极及第六PMOS管的栅极连接，所述第三PMOS管的漏极分别与第三NMOS管的漏极和第一电容的一端连接，所述第四PMOS管的漏极与第五PMOS管的源极连接，所述第五PMOS管的漏极与第六PMOS管的源极连接，所述第六PMOS管的漏极分别与第三NMOS管的栅极、第四NMOS管的栅极及第四NMOS管的漏极连接；
所述第三PMOS管的源极和第四PMOS管的源极均接电源电压，所述第三NMOS管的源极、第四NMOS管的源极和第一电容的另一端均接地，所述第一电容的一端作为唤醒延迟关断电路的输出端。
3.根据权利要求1或2所述一种低功耗发射机，其特征在于：所述启动控制电路还包括用于防止输出信号抖动的斯密特触发器，所述斯密特触发器连接在唤醒延迟关断电路的输出端和与门的第一输入端之间。
4.根据权利要求3所述一种低功耗发射机，其特征在于：所述斯密特触发器包括第七PMOS管、第八PMOS管、第九PMOS管、第十PMOS管、第五NMOS管、第六NMOS管、第七NMOS管、第八NMOS管；
所述唤醒延迟关断电路的输出端分别与第七PMOS管的栅极、第八PMOS管的栅极、第五NMOS管的栅极及第六NMOS管的栅极连接，所述第七PMOS管的漏极分别与第八PMOS管的源极和第九PMOS管的源极连接，所述第八PMOS管的漏极分别与第五NMOS管的漏极、第九PMOS管的栅极、第七NMOS管的栅极、第十PMOS管的栅极及第八NMOS管的栅极连接，所述第五NMOS管的源极分别与第六NMOS管的漏极和第七NMOS管的源极连接，所述第十PMOS管的漏极与第八NMOS管的漏极连接；
所述第七PMOS管的源极、第七NMOS管的漏极及第十PMOS管的源极均接电源电压，所述第六NMOS管的源极、第九PMOS管的漏极及第八NMOS管的源极均接地，所述第八NMOS管的漏极作为斯密特触发器的输出端。
5.根据权利要求1或2所述一种低功耗发射机，其特征在于：还包括第一使能信号输出电路，所述第一使能信号输出电路的输出端分别与启动控制电路的输入端、偏置电路的控制输入端和带隙基准电路的控制输入端连接。
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