Статья: Энергосберегающие режимы приемопередатчиков в сверхширокополосных сенсорных сетях

Остальные блоки устройства, такие как контроллер, кварцевый осциллятор, компаратор, ЦАП и стабилизатор работают постоянно.

В таблице 2 приведены средние значения потребления энергии каждым из блоков устройства [19-23] на различных этапах.

Таблица 2.

Время обработки пакета считается равным 1 мкс.

В таблице 3 приведены средние значения потребления тока устройством во время приема пакета, передачи пакета, в паузе между пакетами и общее потребление устройства из расчета, что передаются пакеты длиной 90 байт со скоростью 32 кбит/c. Предполагается, что устройство работает в этом режиме 100% времени.

Таблица 3.

Среднее потребление энергии при такой скорости передачи равно примерно 75 мА или 250 мВт. Если устройство будет непрерывно работать в режиме ретрансляции на такой скорости, то оно сможет работать от стандартной батарейки емкостью 1.2 Ач (2.4 Ач) в течение 16 (32) часов.

Полученные характеристики позволяют обеспечить функционирование приемопередатчиков в течение нескольких лет, при использовании их в приложениях, в которых информация от сенсорных блоков передается редко, например раз в месяц и объем передаваемых данных невелик. Однако если речь идет о приложениях, в которых поток данных от датчиков достаточно интенсивный, для обеспечения долговременной работы сети без замены источников питания энергопотребление приемопередатчиков должно быть значительно уменьшено.

Приведенные ниже рисунки иллюстрируют вклад в общее потребление устройства отдельных блоков приемопередатчика на различных этапах цикла ретрансляции.

На рис. 5 представлена общая картина потребления. Цветом показано потребление отдельных блоков. Потребление блоков сгруппировано по этапам цикла ретрансляции.

На рис. 6 более детально представлено потребление блоков устройства на каждом из этапов.

Рис. 5. Потребление блоков устройства на различных этапах цикла ретрансляции пакетов.

(а) (б)

Рис. 6. Потребление блоков устройства на отдельных этапах цикла ретрансляции пакетов.

Как показывает анализ рисунков, основное потребление устройства приходится на этап ожидания, при этом блоком, потребляющим наибольший ток, является приемник. Это объясняется тем, что приемник сам по себе потребляющий в активном режиме достаточно большой ток, по сравнению с другими блоками, работает практически постоянно, отключаясь лишь на короткий интервал времени. Другие блоки устройства (за исключением генератора) так же работают постоянно, внося свой вклад в общее потребление.

Для того чтобы снизить энергопотребление приемопередатчика необходимо оптимизировать функционирование его блоков. Для этого будут использованы одновременно два подхода: выбор блоков устройства с более низким потреблением и организация режимов функционирования блоков устройства.

6. Энергопотребление приемопередатчика в режиме ретрансляции с энергосбережением

На первом этапе мы попытались снизить энергопотребление приемопередатчика за счет более рациональной организации работы отдельных блоков. Если в исходной схеме большая часть блоков работает непрерывно на протяжении всего цикла ретрансляции пакета, то в новом варианте предлагается там, где возможно, отключать не задействованные на том или ином этапе блоки или переводить их в режимы с пониженным энергопотреблением («спящие режимы») и возвращать их в активный режим непосредственно к тому моменту, когда они должны быть задействованы для выполнения каких-либо функций.

Например, если в системе связи предусмотрена синхронизация между устройствами, и приемопередатчик имеет информацию об ожидаемом времени прихода следующего пакета, который он должен принять, то приемник может не прослушивать эфир постоянно, а включаться только к определенному моменту времени. Компаратор и ЦАП задействованы только во время приема пакета, после того, как пакет принят, их можно отключить и включить снова к моменту приема следующего пакета. Микроконтроллер активно работает во время приема, обработки и передачи пакета, а на этапе ожидания он может быть переведен в «спящий» режим. Кварцевый генератор ПЛИС может быть отключен на время ожидания следующего пакета. Однако необходимо вернуть микроконтроллер и кварцевый генератор ПЛИС в активный режим к моменту прихода следующего пакета.

Временная диаграмма функционирования блоков приемопередатчика по такому варианту приведена на рис. 7.

Рис.7. Диаграмма функционирования блоков приемопередатчика в цикле ретрансляции пакета данных. Вариант 2.

Генератор включается только для передачи данных, при этом в непрерывном режиме он, как и прежде, потребляет ток 60 мА. Для передачи отдельных битов генератор модулируется по питанию, т.е. включается и выключается. При этом время включения-выключения генератора мало (~ 1-2 нс). Уменьшение энергопотребления за счет скважности следования радиоимпульсов в таблице не приведены, они учитываются далее при расчете энергопотребления устройства и его блоков. На этапах приема и обработки пакета и в паузе между пакетами генератор полностью отключается и его потребление равно 0 мА.

Приемник работает только во время приема пакета, потребляя при этом ток 41 мА. На время обработки, передачи пакета и в паузе между пакетами приемник отключен (потребляемый ток 0 мА). Однако во время отключения приемника (160 нс) на этапе обработки пакета и во время включения приемника (16 мкс) для приема следующего пакета в конце этапа молчания приемник потребляет ток 41 мА.

ПЛИС включен постоянно и потребляет «холостом режиме» 2 мА, однако в зависимости от действий, которые он производит на различные этапах цикла приема-передачи пакета его потребление возрастает. Так, при приеме пакета ПЛИС потребляет дополнительно 8 мА, при обработке пакета 2 мА, при передаче пакета 5 мА. Переключение между режимами происходит быстро и не учитывается в дальнейших расчетах.

Микроконтроллер во время приема, обработки и передачи пакета находится в активном режиме и потребляет 8.2 мА. На время паузы между пакетами микроконтроллер переводится в спящий режим с потреблением 10 мкА, при этом переход в спящий режим происходит быстро, а выход их спящего режима для приема следующего пакета занимает 1.3 мс при потреблении тока 8.2 мА.

Кварцевый генератор, задающий тактовую частоту ПЛИС работает на частоте 48 МГц и в рабочем режиме потребляет 7.4 мА. В этом режиме кварцевый генератор находится во время ретрансляции пакета. На время паузы между пакетами кварцевый генератор отключается. Отключение происходит быстро, в выключенном состоянии кварцевый генератор ток не потребляет. Для приема следующего пакета кварцевый генератор снова включается, что занимает 10 мс при потреблении тока 7.4 мА. Компаратор и ЦАП работают только на этапе приема пакета, потребляя при этом 7.4 мА и 0.2 мА соответственно. На остальных этапах компаратор и ЦАП отключены. Включение и выключение этих блоков происходит быстро. Потребление стабилизатора зависит от общего потребления остальных блоков приемопередатчика. При высоком общем потреблении устройства во время ретрансляции пакета стабилизатор потребляет около 1 мА, при падении потребления устройства на этапе молчания потребление стабилизатора снижается до 0.5 мА.

Результаты расчетов энергопотребления приемопередатчика приведены в таблице 4.

Таблица 4.

Из сравнения результатов, приведенных в таблицах 3 и 4 видно, что введение энергосберегающего сценария функционирования блоков приемопередатчика позволяет снизить энергопотребление почти в 10 раз. Причем как следует из анализа рисунков 8-9 основная экономия достигается за счет снижения затрат на этапе ожидания.

Рис. 8. Потребление блоков устройства на различных этапах цикла ретрансляции пакетов.

(а) (б)

Рис. 9. Потребление блоков устройства на отдельных этапах цикла ретрансляции пакетов.

Анализ полученных результатов показывает, что основной вклад в общее энергопотребление в цикле ретрансляции пакета вносят ПЛИС и кварцевый генератор ПЛИС в паузе между пакетами. Это значит, что для дальнейшего уменьшения энергопотребления устройства в первую очередь необходимо снизить потребление этих блоков на этапе ожидания. Уменьшения энергопотребления ПЛИС можно добиться, если использовать другую модель ПЛИС - MAX V [24]. Для этой модели характерно более низкое базовое потребление - 27 мкА, вместо 2 мА для модели MAX II [20].

Кроме того, можно использовать одинарный компаратор, вместо двойного используемого в базовой модели, что позволит снизить потребление компаратора вдвое.

После произведенной модификации наиболее потребляющим блоком устройства остается кварцевый генератор ПЛИС. Для того чтобы решить эту проблему предлагается подавать тактовую частоту на ПЛИС не с кварцевого генератора, а с выхода микроконтроллера с последующим умножением частоты в ПЛИС. Это позволит избавиться от кварцевого генератора ПЛИС.

На рис. 10а и 10б показана схема подачи тактовой частоты на ПЛИС в исходном варианте (с кварцевого генератора ПЛИС) и в новом варианте (с микроконтроллера) соответственно.

(а) (б)

Рис. 10. Варианты схемы подачи тактового сигнала на микроконтроллер и ПЛИС.

 Сценарий функционирования блоков приемопередатчика при отсутствии кварцевого генератора ПЛИС представлен на рис. 11.

Рис.11. Диаграмма функционирования блоков приемопередатчика в цикле ретрансляции пакета данных. Вариант 3.

Потребление блоков устройства на различных этапах цикла ретрансляции пакетов приведены на рис. 12 и 13. 

Рис. 12. Потребление блоков устройства на различных этапах цикла ретрансляции пакетов.

(а) (б)

Рис. 13. Потребление блоков устройства на отдельных этапах цикла ретрансляции пакетов.

Как показывает анализ результатов в описанном случае наибольшее потребление приходиться на микроконтроллер.

В устройстве тактовая частота микроконтроллера формируется при помощи внешнего пассивного кварцевого осциллятора. При переводе микроконтроллера в спящий режим кварцевый осциллятор отключается. При последующем переводе микроконтроллера в активный режим сначала запускается кварцевый осциллятор. Микроконтроллер может работать только когда кварцевый осциллятор выйдет на стабильный режим. Этим фактором определяется медленное время перехода микроконтроллера в рабочий режим (около 1.3 мс). Потребление микроконтроллера в процессе перехода из спящего режима в рабочий режим вносит основной вклад в общее потребление микроконтроллера и устройства в целом. Получаем следующие результаты для энергопотребления устройства (Таблица 5).

Таблица 5.