基于物联网的低功耗分析仪设计与实现

摘 要 物联网是一种利用微电子芯片、传感器和无线通信等多种技术，按照一定的通信协议将事物数字化，它的特点具有低成本、低功耗，其产品是否低功耗也是影响应用关键因素，所以针对研发的过程中检测与优化是不可缺少环节。低功耗分析仪的开发与应用有利缩短物联网产品开发周期和提高开发效率。

关键词 低功耗；分析仪；物联网

中图分类号 TP3 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2017）187-0076-03

在國家重点打造的“互联网+”、智慧城市和云计算等信息发展战略推动下，物联网已经是基于互联网后新信息技术发展方向，物联网在智慧电网、智慧交通和智慧家居等多个行业大力的应用，并取得了良好的成果，实现了物联网对传统信息化技术的革命。针对传统嵌入式技术在内存管理、CPU处理能力、功耗管理等资源方面的限制，同时物联网技术应用推广，原有的电子产品开发手段和相关辅助设备基本上不能满足物联网技术新技术产品的要求，已经逐渐变为物联网发展的技术瓶颈。随着物联网开发企业的增多，开发过程中重要检测设备需求越来越多，并且检测仪器的种类和精度也要求越来越高，例如空中协议分析仪、低功耗分析仪和频普仪等物联网辅助检测设备，是开发和研究物联网系统的必备基础设备。从产品设计、开发角度看，专业的仪器能够帮助物联网工程师和技术人员更高效地设计和调试物联网、传感器网络等复杂网络产品，加快产品研发和测试过程度，有利于提高产品质量，缩短产品上市时间以及更新周期。

1 概述

物联网硬件主要是微电子集成芯片，低功耗特性是物联网技术的重要指标，所以低功耗设计己经成为物联网应用芯片设计的关键技术，低功耗技术在集成电路设计中分别从工艺级、电路级、综合级和物理级等分析了常见低功耗的设计方法，例如门控电源、时钟、多电压等。因为电压的平方和电路功耗成正比，多电压技术已成为低功耗技术中特别常用的方法，在多电压的基础上对处于空闲状态的模块进行睡眠处理，空闲时电路和接收数时所用的能耗相近，采用门控电源的方法可以进一步使能耗降低。

低功耗分析仪是针对物联网芯片应用开发中需要对开发的产品能耗进行检测，特别低功耗检测而开发检测设备，低功耗仪能对功耗动态分析和监测，能够连续检测出各种传感器节点在功率不同状态下功耗变化值、平均电流、时钟周期等，并能自动记录和测试功能，是物联网应用研发中的重要仪器之一。

2 低功耗分析仪总体设计

本低功耗分析仪思路有别于大型仪器厂家的无损式低功耗测量方法，它的设计思路是切断需要测量节点的供电电路，将设备串联进去，然后通过精密采样电阻将电流信号采集出来。这时我们需要设计采样电路和恒流源电路，因为测量的范围比较大，需要多个采样电路来分别针对不同电流。需要设计参考电压电路和参考零电平。为了保证信号分析的准确性，杜绝外界干扰，设计了10Hz/10KHz低通滤波器和50Hz的带阻滤波器，如图1所示。

3 低功耗分析仪原理设计

低功耗分析仪主要是用来分析电池供电节点的电流消耗情况，现在我们常用的ZigBee节点工作电流的峰值一般分两种，带PA的可以达到200mA、不带PA的可以达到40mA。ZigBee节点在休眠时电流消耗基本都是在uA级别的。所以我们的低功耗分析仪的设计需要覆盖常规单片机的最大和最小电流消耗范围。目前市面上电流消耗最小的单片机就是TI的MSP430，极限低电流为nA级别的。所以开发的设备需要能够分析nA、uA、mA甚至到A。其原理是将电阻串在电路中，然后采集电阻上的分压来获取电路中的电流。其关键部分设计如下：

1）校准电路设计。它的作用是维持低功耗分析仪的精准度，每次上电时主处理器通过四个端口发送一定占空比的PWM波到U21 DG408DY模拟转换开关芯片上，然后芯片通过模拟开关的通断产生PWM波，这些波通过电阻R52、R54、R60和R59转换成校准电压，通过转换后的校准电压来调整系统的零点，如图2所示。

2）低通滤波器设计。低通滤波器目的是为了滤除低频杂波。信号通过4引脚进入U11（SN74LVC1G3157）的A端口，SN74LVC1G3157为单极双闸模拟开关，B1和B2的输出由LA_LPF _BYPASS来进行选择。选择之后信号进入下一级SN74LVC1G3157。运放TL082和两级SN74LVC1G3157构成一个低通滤波器。LPF_OUT出去的信号就是已经滤波后的信号，如图3所示。

3）工频干扰滤波器设计。50Hz工频干扰滤波器，该部分为陷波器，为了滤除常用交流电产生的工频干扰。主要是采用了陷波器在工频和信号频段不一致，可以实现滤波，有效的抑制输入信号中某一频率信息，并保证其他频率的信号不损失。在我国采用的是交流电50Hz频率，在平时需要对信号分析和进行采集处理，当电路中需要滤除已存在的某一特定频率的干扰信号时，就经常用到陷波器，这个技术已经很成熟，不仅在通信设计中经常用到，在自动化控制、声纳、仪表仪器和计算机网络技术都得到广泛应用，如图4所示。

图4中的电路叫双T型滤波器电路，图中U5-A接成电压跟随器的形式，U5-B是用作放大器，其输出端也是整个电路的输出。通常加入电压跟随器就是为了提高Q值，在此电路设计中，可以使Q值提高到50以上，从而来调节R25、R21两个电阻的阻值，实现控制陷波器的滤波功能，也包括带阻滤波频带的宽度和Q值的高低。在双T网络要达到较好的衰减特性需要离中心频率较远时才能达到，因此图中滤波器的Q值不高。

4 系统实现

低功耗分析仪采用嵌入式面向对象开发设计，硬件显示部分采用10寸彩色1280×800高分辨率TFT。软件采用触摸屏，方便快捷，核心处理部件采用高级高速低功耗处理器和大容量存储器，输入阻抗：1W/100W；垂直档位：毫安档、微安档，档位内均按1-2-5步进，毫安最大量程为500mA，微安档最大量程为1000mA；水平时间分辨率：微秒、毫秒、秒，档位内均按1-2-5步进。最小分辨率为1ms，最大分辨率为10s；工作模式：自动模式/单次触发模式。自动模式为显示电流随时间变化的曲线（从时域角度说并不是连续的时间），单次模式是为满足一定条件的电流在一段连续的时间上的变化曲线；采用USB2.0接口连接。

测试低功耗分析仪常用物联网应用开发中ZigBee节点，其中需要ZigBee协调器和终端节点（终端节点只包含cc2530模块，最好用电池板CC2530电池供电），烧入低功耗测试的相应用HEX文件，代码实现间隔500ms和间隔2s发送数据。在低功耗分析仪显示屏上可以得到正常曲线如图5所示。

5 结论

物联网在智能化方面示范与应用，推动了国内在此领域自主生产与研发，逐步形成了与物联网产业发展相匹配的技术支撑体系。低功耗分析仪的设计目的是为了满足物联网节点开发中能耗分析和优化；从而达到节能。同时，在高校教科研中利低功耗仪提高物联网开发水平，加快物联网人才培养。

参考文献

[1]桑世庆，戈秀龙.基于物联网的远程健康监护系统的设计与实现[J].中国新技术新产品，2014（20）：12-14.

[2]卢晓慧.物联网多功能协议分析仪研究与设计[J].电子制作，2015（11）：177-178.

[3]任伟，顾小莉，王丽华.基于ZigBee的低功耗无线温室环境监测系统设计[J].农机化研究，2014（9）：103-107.

基金项目：浙江省科学技术厅公益项目“物联网多功能协议分析测试仪研发和应用”（2015C31169）；嘉兴市科技局科技计划项目“Android 嵌入式智能家居网关及监控系统的研制”（2013AY11023）。

作者简介：桑世庆，嘉兴职业技术学院信息技术分院。