モノのインターネット向けの低電力センサインターフェースの構築方法

消費電力は、モノのインターネットの設計において不可欠な要素です。 家庭、工場現場、またはオフィスにわたって多くの異なる場所で電池駆動のワイヤレスセンサを配置し、それらをインターネットに接続できるようにするには、非常に低電力のアーキテクチャが必要です。 時には、電力の低減をセンサ技術が制限する可能性がありますが、残りのノードへのインターフェースは極めて重要です。

微細加工センシング素子などのより新しい技術は、消費電力低減に寄与することができる一方で、ADCの性能と消費電力の整合を取り、センサとともにADCを統合させることは、電力損失を低減するのに役立ちます。 また、ADC（通常、逐次比較型またはシグマデルタ型）を選択することは、消費電力の低減に寄与します。

この1例がSilicon LabsのSi8900/1/2シリーズ 絶縁型監視ADCです。この製品は、電力供給システムおよびソーラーインバータを含む多くのアプリケーションで使用される線形信号ガルバニックアイソレータ、レベルシフタ、および/またはグランドループエリミネータとして有用です。 これらのデバイスは、単一パッケージに、10ビットSAR ADCサブシステム、監視ステートマシンおよび絶縁型UART（Si8900）、I²C/SMbusポート（Si8901）、またはSPIポート（Si8902）を統合しています。


図1：Si8900は、低電力センサノード向けにガルバニックアイソレータをデータコンバータと組み合わせるために、独自のCMOSプロセスを使用しています。

Silicon Labsは、独自のCMOS絶縁技術を使用しています。この絶縁技術は、雑音および高電圧環境における堅牢な性能向けの45kV/µsの標準コモンモード過渡耐性性能とともに、2.5または5kVの絶縁定格の選択肢、そしてSAR ADCとの統合のために使用されています。

センサ自体へのADCの統合はますます可能となっています。 Analog DevicesのADT7410は高精度デジタル温度センサで、デジタル出力を提供するためにシグマデルタコンバータを統合するナローSOICパッケージに収められています。



図2：ADT7410は、低電力で構成可能な分解能を提供するために、シグマデルタコンバータを温度センサと統合しています。

このセンサは、バンドギャップ温度リファレンスと13ビットADCを内蔵し、温度を監視しデジタル化して分解能0.0625°Cで出力します。 ADC分解能は、デフォルトで13ビット（0.0625°C）に設定されています。 これは、構成レジスタ（レジスタアドレス0x03）のビット7を設定することにより、16ビット（0.0078°C）に変更することができます。

ADT7410の動作は、2.7V～5.5Vの電源電圧で保証されています。3.3Vで動作する時の平均電源電流は210μA（標準）です。 このデバイスは、ノードの消費電力を低減するために、デバイスをパワーダウンするシャットダウンモードを備え、標準2μAのシャットダウン電流を提供します。

時には、この設計はディスクリートADCでより多くの柔軟性を必要としますが、これは、消費電力を増やす必要性を意味しません。

Texas InstrumentsのADC081C021は、低電力、モノリシック、8ビットA/Dコンバータ（ADC）で、100kHz、400kHz、および3.4MHzのモードをサポートします。 この製品は、+2.7～5.5Vの単一電源で動作し、この電源はまた、リファレンスとして機能します。 このコンバータは、最大11MHzの入力周波数を扱うことができる内部トラックアンドホールド回路を備えた逐次比較レジスタアーキテクチャをベースとしています。 I²Cインターフェースは、3つの速度モードすべてでマイクロコントローラに容易にリンクし、このデバイスは、電力を低減するために、未変換中の自動パワーダウンモードを備えています。

+3V電源を使用した通常の消費電力は0.26Wで、未変換中に1µW未満に低下します。 これらのデバイスは、スモールフォームファクタの電池駆動ポータブルアプリケーション向けに最適化され、モノのインターネットにおけるセンサノードによく適しています。



図3：ADC081C021は、電力を低減するために、未変換時の自動パワーダウンモードを備えた逐次比較型コンバータを使用します。

ワイヤレスセンサノードの提供を簡素化する1つの方法は、独自のアーキテクチャを持つことです。 Analog Devicesは、広範な産業機器アプリケーション向けの低コストのセンサネットワークを提供する高度に統合された多くのワイヤレス振動センサを接続するために、ゲートウェイデバイスを使用しています。 これは、処理パワーおよびワイヤレストランシーバとともに統合されている微細加工MEMS 2軸センシング素子を使用します。 これにより、チップ外での別のデバイスとの接続により発生する電力損失を排除することで、センシング素子とノードの両方の消費電力が低減されます。

ADIS16229センサユニットのネットワークを管理するために、ADIS16000がゲートウェイ機能を提供する中で、ADIS16000およびADIS16229の組み合わせは、センシングネットワークを作成します。

独自のワイヤレスプロトコルを使用して、1つのADIS16000は、ローカルスターネットワーク構成で一度に最大6つのADIS16229ノードをサポートすることができます。 ゲートウェイノードとして、ADIS16000のSPIインターフェースは、構成パラメータ（ゲートウェイおよびセンサノード）、リモートアラームフラグ、およびリモート振動データを管理するアドレス指定可能なレジスタマップへのアクセスを提供します。 ADIS16000のSPIインターフェースは、ほとんどの組み込みプロセッサへのシンプルな接続を実現し、その標準SMAコネクタは、広範なアンテナへの直接接続をサポートします。 ADIS16229は、動作を開始するために起動してADIS16000と接続するのに、アンテナと電池のみを必要とします。



図4：ADI16000ゲートウェイおよびADI16229の組み合わせは、インターネットに接続可能な専用ワイヤレス振動センサネットワークを作成します。

ADIS16229 iSensorは、2軸加速度センシングを、高度な時間領域および周波数領域の信号処理と組み合わせています。 時間領域の信号処理には、プログラマブルデシメーションフィルタと選択可能な窓関数が備わっています。 周波数領域の処理には、512ポイントの実際値の高速フーリエ変換（FFT）、FFTの大きさの平均、およびプログラム可能スペクトルアラームが備わっています。 記録が可能なFFTストレージシステムは、時間ごとの変化を追跡し、複数のデシメーションフィルタ設定でFFTを取り込むことができる機能をユーザーに提供します。

ADIS16229のダイナミックレンジ、帯域幅、サンプルレート、およびノイズ性能は、広範なマシン健全性および生産設備監視システムによく適しています。 このデバイスはまた、多くのワイヤレス構成パラメータを提供し、電池寿命と通信周波数間のトレードオフ管理において幅広いレベルの柔軟性を実現します。

このシステムの機械的部分には、（1つは固定でもう1つは可動の）2つの異なるフレームが含まれ、これらのフレームは、可変差動容量性ネットワークを形成するために一連のプレートを備えています。 重力または加速度に関連する力を経験すると、可動フレームは固定フレームに対してその物理的位置を変更し、結果として静電容量が変化します。 小型のスプリングは、固定フレームに可動フレームを結び付け、加速度と物理的移動の関係を支配します。 可動プレート上の変調信号は、各容量性パスを通じて固定フレームプレートおよび復調回路に供給され、これにより、デバイスに作用している加速度に比例する電気信号が生成されます。

ADIS16000モジュールは、37.8mm × 22.8mm × 8.8mmのマルチチップモジュールラミネート（MCML）構造で提供され、ADIS16229は、37.8mm × 22.8mm × 13.5mmのMCML構造で入手可能です。 両方とも、シンプルなアンテナ接続のためのSMAコネクタを備え、シンプルな取り付けのための2つの取り付け穴を持ち、-40°C～+85°Cの温度範囲にわたる動作をサポートします。 また、ADIS16000には、組み込みプロセッサシステムへの接続用の標準1mmの14ピンコネクタが含まれます。 ADIS16229は、バッテリリードとのシンプルな接続を実現するリード構造を提供します。

結論

異なるADCアーキテクチャを、センサとともに組み合わせることで、多くの場合、モノのインターネット向けの電池駆動のノードを開発するためのより低電力のアプローチが提供される一方で、ディスクリートADCはまた、消費電力を低減する技術を使用して、大幅な柔軟性を設計者にもたらしています。 監視および制御のためにインターネットに接続可能な低電力センシングネットワークを容易に提供するために、完全な独自のネットワークを使用するというオプションもあります。