物联网节点的低功耗通信电子电路研究与设计

2024-04-16张逸卓

通信电源技术 2024年3期

张逸卓

（东南大学，江苏南京 210096）

0 引言

物联网的迅猛发展是当今科技领域的显著特征之一。通过将传感器、设备与互联网融合，实现了设备之间的智能化通信，为人们的日常生活和产业发展带来了巨大的便利。然而，随着物联网设备数量的迅速增加，低功耗通信在保证设备长期运行中尤为关键。传统通信技术的高功耗导致许多物联网设备难以在资源受限的环境下高效工作，这引发了对低功耗通信电子电路设计的迫切需求[1]。

1 低功耗通信电子电路设计

1.1 芯片选型

在微控制器选型中，深入评估了3 款主流低功耗微控制器，分别是PIC32MX170F256B、STM32F407和LPC54018，具体对比如表1 所示。由表1 可知：PIC32MX170F256B 在功耗表现较低，但性能中等，成本适中；STM32F407 在功耗上更低，性能相对较高，成本适中；LPC54018 功耗较低，性能高，但成本较高。

表1 微控制器选型对比

在通信模块的选型中，考虑WLR089U0、CC2640R2F和SIM7000G，功耗、通信距离和成本的对比结果如表2 所示。由表2 可知：nRF52832 功耗低，适用于近距离通信，成本适中；CC2640R2F 适用于远距离通信，功耗低，成本适中；而SIM7000G通信距离较远，但功耗较高，成本适中[2]。

表2 通信模块选型对比

最终选择STM32F407 作为微控制器，搭配WLR089U0 作为通信模块，以实现低功耗、高性能、适中成本的设计目标。

1.2 电源管理电路设计

在低功耗通信模块的电源设计中，引入电流测量控制部分是为了实现对设备功耗的精准监测和优化[3]。该部分的关键作用之一是实时监测设备的功耗状况，使系统能够根据实际需求调整电源工作状态，从而最大限度地降低功耗。通过电流测量，系统可以智能管理电源，延长电池寿命，动态调整电流，以适应设备在不同工作模式下的电流需求。此外，电流测量为系统提供了故障检测、实时性能监控和智能休眠唤醒等功能，使设备在保持高效性能的同时能够实现最大限度的节能和稳定性。电流测量控制部分在电源设计中发挥着关键的作用，为低功耗通信模块提供了实时监测和智能优化的能力。

电源管理电路包括电量测量控制部分、输入电流放大滤波部分。该电源管理系统通过这些部分的协同工作，可以实现对电流、电压等关键参数的测量、控制和校准，从而确保电源系统的安全、高效运行。

1.2.1 电量测量控制部分

作为电量测量控制部分的控制器，SAMD20E17A是一款基于ARM Cortex-M0+内核的32 位微控制器，由微芯科技推出。通过SAMD20E17A 自带的模拟数字转换器（Analog to Digital Converter，ADC）功能模块，可以测量与电池电量相关的模拟信号，通过编程控制，可以精确地测量电量。

1.2.2 输入电流放大滤波部分

ADA4528 是一款超低噪声、低漂移的精密运算放大器，适用于精密测量和控制应用。ADA4528 用于监测电源的输入电压，具体电路如图1 所示，以确保电源工作在安全范围内。如果检测工作电流超过范围阻断输出，则将电流信号通过旁路经过ADA4528 一级放大20 倍后，输入AD8656 进行二级放大和低通滤波。

图1 ADA4528 前端放大器

用AD8656 设计有源低通滤波器，允许低频信号通过，同时削弱或抑制高于感兴趣频率的不需要的高频信号。分别设计了两路放大倍数的低通滤波，一路是增益放大2，另一路是增益放大16。

低通滤波器的截止频率为

式中：R为电阻，取10 kΩ；C为电容，取150 pF。将数据代入式（1），得出fc为106 kHz。

滤波器的增益是输入信号幅度增加的倍数，第一路低通滤波器的增益为2。另外一路的低通滤波器增益为16，除了R709 的电阻值替换为680 Ω，其他部分与第一路低通滤波器一致。

经过滤波和二级放大后的电流信号，输入SAMD20E17A 芯片进行AD 转换，测量电流信号。主控芯片根据电流信号的大小和电压信号测量结果，计算整体功耗，控制电流具体输出效率。

1.2.3 电流测量校准部分设计

电流测量校准部分在电流测量系统中扮演着至关重要的角色，其功能主要体现在精确度的调整、环境的补偿、动态校准以及校准参数存储等方面[4]。精确度调整是电流测量校准部分的首要任务。测量校准电路使用3 个BSH201 场效应晶体管，作为动态调整电流的控制电路。通过在场效应管的漏极接地电阻的不同阻值实现对电流的调整。BSH201 导通状态时的导通电阻是3.3 Ω，接地电阻分别是39 Ω、2.2 kΩ、47 kΩ。对应的调整电流为78 mA、1.5 mA、57 µA。具体调整的逻辑是根据控制芯片获得的电流检测结果，控制相应的输入输出（Input/Output，I/O），从而选择具体的调整电流。

1.3 通信模块电路设计

文章选用的WLR089U0 远距离无线电（Long Range Radio，LoRa）模块采用先进的LoRa 技术，专为满足物联网应用的远距离通信需求而设计。其主要特性包括卓越的通信范围，能够在较远的距离内实现可靠的数据传输，使其成为远程监测和控制等场景的理想选择。关键的低功耗设计使得该模块适用于使用电池供电的物联网设备，显著延长设备的使用寿命。

为简化设计流程，WLR089U0 集成了射频前端和天线匹配网络，使其易于集成到各种应用。此外，模块提供多种接口选项，包括通用异步收发器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART）、串行外设接口（Serial Peripheral Interface，SPI）、内部集成电路（Inter-Integrated Circuit，I2C）等，以满足不同系统的连接需求，与主控制器和其他外部设备实现便捷的通信。连接WLR089U0 LoRa 模块与微控制器（Micro Controller Unit，MCU）通常需要考虑模块上的通信接口，如UART、SPI 或I2C。在具体的连接过程中，可以根据应用需求和硬件特性选择合适的通信方式。

2 测试验证

2.1 样本制作与一致性验证

为验证电路设计的可行性，制作了2 组物理样本，其中一组采用电源管理电路，另一组不采用。确保2组物理样本在元件参数和连接方式上与仿真模型一致，以保障测试结果的可靠性。为模拟真实场景，样本制作过程中注重保持与物联网应用环境的一致性。

2.2 配置实验环境与实际测试

在测试过程中，配置适当的电源设备，以确保对2 组样本提供稳定的电源。同时，使用功耗计、示波器和电压表等测量设备，全面记录了性能参数。实验环境的设置要符合物联网应用场景，以保证测试结果的真实性。通过监测通信模块的数据传输情况，包括传输速率、信噪比等，对通信模块进行全面的性能测试[5]。

2.3 分析实际测试结果

验证电路设计的可行性，通过对比实际测试数据与仿真结果，确保电路设计在实际应用中的可行性。着重关注2 组样本在低功耗模式下的功耗表现，以确保电源管理电路的优越性。对比2 组样本的功耗曲线，评估电源管理电路在不同负载条件下的性能。分析通信模块的性能，包括信号强度、误码率等，并与设计目标进行比较。通过记录相同电量下2 组样本的使用时间，量化低功耗模式的实际效果，具体测试数据结果对比如表3 所示。

表3 测试数据结果对比

由表3 可知，采用电源管理样本的平均功耗仅为5 mA，远低于未采用电源管理样本的15 mA。此外，采用电源管理的样本在工作时间上也有明显的优势，达到了20 h，而未采用电源管理的样本只有6 h。虽然两者在通信模块传输成功率和信噪比方面的差异不大，但电源管理的设计在功耗和工作时间方面具有显著优势，较大延长物联网节点在实际应用中的持续工作时间。