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Bench Talk for Design Engineers | The Official Blog of Mouser Electronics


智能互联照明和物联网 Paul Golata

人类是充满智慧的,所以我们发明了能够为自己提供照明的装置。在世界各地大大小小的城市、城镇和村庄,人们利用自己创造的照明设备把黑暗的地方照亮。我们所处的文明社会各个方面都有着千丝万缕的联系,这是一种社会秩序,推动着社会向前发展。这些照明设备能够将各个地方照亮,为我们提供一个更加光明的未来。

曾几何时人们采用的是简单的蜡烛来照明。如果要照亮一个大的房间并保持良好的照明条件,一定要花一番功夫。

然而目前物联网技术发展是能够开发一个智能互联照明系统,我们可以通过有线或者无线通信的方式将数据安全传输给智能照明系统。本文阐述的内容就是智能互联系统如何帮助我们实现一个光明的未来。

智能互联照明

一个变革的时代即将到来,物联网革命正初露端倪。智能传感器技术和射频(RF)无线互联相结合,会衍生出新的方式来感知和采集数据,并通过网络实现数据的传输。物联网使工业和个人(家庭)可以使用的建筑自动化系统成为可能,城市里的建筑和自动化设施正日益智能化。具体来说是通过协调和集成的方式设计电子系统,实现模仿甚至改进人类智能,从而实现一种具有一定智能水平的自动化系统。在这种情况下智能意味着具备能够完成一定任务的能力或者实现某一特定目标的能力。这些技术发展的目标是开发出一个更加智能且强大的系统,从而改善人们的生活条件,同时降低成本并减少对环境带来的负面影响。

互联照明系统包括三个关键的组成部分:

  • 光源,比如灯泡或LED灯

  • 灯具和机电组件,用于光源的连接并确保安全

  • 光源开关或控制器

在过去几年经历了从传统光源到发光二极管(LED)的快速发展,LED光源的采用是一个巨大的成功,是软件控制、智能、数字化以及互联照明系统发展的自然趋势。过去我们使用的是简单的上/下或按钮开关,现在我们把物联网和电子控制照明产品结合起来,使得智能互联的照明系统成为可能。

智能互联照明系统主要部署在智能建筑中,把包括运动传感器在内的多个电子系统和平台与各种照明控制方法相集成,从而为所有灯光控制需求提供解决方案。通过接入物联网,采用开放可配置的基础设施,我们可以采集数据并利用这些数据进行智能决策和高效运营。软件的高度灵活性、数字化设计和控制的简单性为智能照明系统提供了优势。目前领先的电子元件供应商正在为智能照明产品开发LED、LED驱动器传感器、电力电子和电子控制设备。这是一个明显的趋势,这些制造商正在努力确保他们的产品能够成功的与建筑自动化行业相融合。

按这种方式建立的自动化照明系统称为智能照明,未来企业与业主将越来越多的利用互联照明和物联网提供的优势。智能照明允许自动和采用程序来控制照明的亮度和颜色,同时确定何时对交通或建筑内照明条件进行调整,为用户和业主提供更优化的体验。无论是办公室照明、家庭照明,还是路灯、交通灯、行人灯,现代城市景观中随处可见的自动化智能照明,智能照明正迅速成为智能城市和智能自动化建筑的主流(图1)。

图1:中国上海的现代化智能建筑,利用照明系统的创新更明显(来源:贸泽电子)

有线和无线的通信方式

智能照明系统的控制要求有可靠的通信连接,将智能照明和物联网结合在一起的网络通信方式目前主要有两种:有线和无线。此外这两种主要的组网方法可以应用于各种协作组合中,使用各种通信方法和协议,比如蓝牙mesh网络;当然采用哪种方式主要取决于应用需求和工程师的选择。

有线网络依赖于网络中各节点之间直接的物理电气连接;无线网络不需要设备之间的物理连接、不需要硬连线,可以便捷地使用网络内的设备。两种方法都有优点和缺点,聪明的设计工程师会考虑对整个应用哪个是最好的,并可能设计出一种解决方案既能利用这两种网络方法各自的优势,又能避免它们各自的不足之处。

工程师结合物联网的智能互联照明系统要求,了解系统设计、网络速度、带宽以及低延迟规范等内容,按照特定的规格参数硬连接系统无疑具有最好的性能,但是照明装置和开关之间需要硬连接,这无疑降低了灵活性。无线设计的结合可能会牺牲一些性能,但是提供了配置和管理的灵活性,这些是在硬连接设计的限制下无法实现的,然而RF无线技术性能的持续改进提供了以前无法想象的性能和灵活性。

智能照明控制和物联网通常会采用无线拓扑网络,不同网络节点之间可以互相通信(图2)。这种所谓的“多对多”的拓扑结构提供了丰富的智能照明控制功能:主要是因为它们的冗余节点互联可以防止单点故障,同时保证低延迟、高速度和更高的效率。Zigbee和蓝牙是两种流行的协议。

图2:网状网络连接为智能照明控制系统提供了激动人心的发展潜力(来源:贸泽电子)

 

Zigbee和蓝牙

低功耗和基于标准的无线传感器网络(WSN)产品的采用可以满足智能连接照明应用的需求,拓扑网络支持系统部署在世界各地范围,安全连接各种智能设备,提供更加智能、环保和高效的解决方案。

Zibgee和蓝牙一样也是无线网络通信的一种协议规范。Zigbee技术具备低成本、低功耗、低占空比等特性,它是无线传感器网络(WSN)和其他低功耗网络的理想选择,它支持长距离的通信传输,Zigbee是建立在IEEE 802.15.4标准之上,但是添加了信标功能和路由协议等特性,支持星型网络和对等网络(例如网格和集群树)拓扑,使得Zigbee具有动态定、可伸缩性和分散性。Zigbee技术并不会与WiFi(IEEE 802.11)或蓝牙(IEEE 802.15.1)等技术产生竞争,相反Zigbee是为数据传输速率低、功率小、容量大等重要应用而设计的。

蓝牙网格网络技术(2017年7月推出)是一种基于低功耗蓝牙(BLE)的网络协议,应用于智能互联照明和物联网系统中,采用蓝牙无线电技术,支持100米到1000米距离内的网络通信。作为一个新的领域,它仍然试图展示出大规模部署、效率和优越性,各方面的技术人才和企业都在推动这一技术的发展。

数据

苏格拉底(公元前470-399)认为美德就是知识,佛朗西斯•培根(1561-1626)宣称知识带来力量。在未来的物联网应用中,数据的采集、存储和分析将驱动知识的扩展。物联网将利用数据驱动来帮助企业和个人做出决策。这一趋势将为实施和利用智能互联照明提供一系列新的方法,包括保护和监测电力故障,协助安排定期维护并保持最高水平的整体运行效率。人类对于低延迟、实时决策和响应(<0.05s)是无法察觉的。这将促使系统内集成更多的传感器用于采集数据。这些数据将会在智能终端设备中进行分析处理,提供最新最智能化的决策意见,同时增加新市场和价值创造的机会。智能互联照明将使基于数据的决策变为现实(图3)。

图3:智能物联网使得基于数据的决策行为成为现实(来源:贸泽电子)

安全

数据的传输必须保证在不利的突发情况下依然能够安全,所以需要可靠和安全的连接。有线连接系统可能被切断或者窃听,无线连接系统则可能会受到干扰、数据丢失甚至会被非法访问。智能互联照明系统和物联网使用多层的方法进行保护,在整个系统的多个不同部分进行安全防护。

这种多层设计方法的关键步骤是在兼容和受保护的操作系统(OS)中创建适当的凭据和访问授权密码,使用适当的协议将增强设备的连接能力,同时在各种操作条件下提供强大而健壮的性能和安全性。每一个连接的设备都应当被监测,并符合适当的软件和固件修订规范,从而利用最新的保护和保障措施。采集到的物联网数据应该在使用和处理较低级别数据之前进行有效的数据验证,这样可以防止云服务器或较高级别数据处理阶段发生安全问题(图4)。

图4:数据保护对于智能互联照明系统是必不可少的一部分。(来源:贸泽电子)

未来

季节在不断变化,科技也在不断发展。物联网打开了智能互联照明应用的大门,借助协调智能的方法有线和无线通信的连接方式能够将数据安全的传输给互联照明系统。这种智能互联照明系统和物联网是下一代照明系统需要的主要技术,回想一下自人类发现了火、烛光以及灯泡,我们经历了多少的进步!


MEMS技术的前世今生 David  Askew

什么是MEMS

微机电系统 (MEMS),在欧洲也被称为微系统技术,在日本则被称为微机械,是一类尺寸很小且制造方式特别的器件。MEMS器件的典型长度从1毫米到1微米不等,比人类头发的直径还小很多倍。

MEMS往往会采用常见的机械零件和工具所对应的微观模拟元件,例如它们可能包含通道、孔、悬臂、膜、腔以及其它结构。然而,MEMS器件加工技术并非机械式。相反,它们采用类似于集成电路批量处理的微制造技术。

今天很多产品都利用了MEMS技术,如微换热器、喷墨打印头、高清投影仪的微镜阵列、压力传感器以及红外探测器等。

为什么需要MEMS

“他们告诉我有一种小手指指甲大小的电动机。他们说,目前市场上有一种装置,通过它你可以在针头上写祷文。但这也没什么;这是最原始的,只是我打算讨论的方向上暂停的一小步,在其下就是一个惊人的小世界。公元2000年,当他们回顾当前阶段时,他们会想知道为何直到1960年,才有人开始认真地朝这个方向努力。”


          — 理查德·费曼,《底部仍然存在充足的空间》 (There's Plenty of Room at the Bottom) 发表于1959年12月29日于加州理工大学 (Caltech) 举办的美国物理学会年会上。

在这个经典的带预言性质的演讲《底部仍然存在充足的空间》中,理查德·费曼继续描述我们如何在针尖上写出《大英百科全书》的每一卷。但我们可能会问:为什么要在这样一个微小尺寸上操控这些对象?

 MEMS器件可以完成许多用宏观器件执行的任务,同时还有很多独特的优势。这其中第一个并且最明显的一个优势就是小型化。如前所述,MEMS尺寸的器件,小到可以使用与目前集成电路类似的批量生产工艺制造。如同集成电路产业一样,批量制造能显著降低大规模生产的成本。一般情况下,MEMS需要的生产材料也少得多,可进一步降低成本。          

除了价格更便宜,MEMS器件与比它们更大的对应器件相比,应用范围也更广。在智能手机、相机、气囊控制单元或类似的小型设备中,竭尽所能也设计不出金属球和弹簧加速度计;但将器件尺寸降低几个数量级后,MEMS器件就可以用在放不下传统传感器的应用中。

图1:TI的数字微镜像素,拆解视图。TEXAS INSTRUMENTS版权所有。

易于集成是MEMS技术的另一个优点。因为它们采用与ASIC制造相似的制造流程,MEMS结构可以更轻松地与微电子集成。将MEMS与CMOS结构集成在一个真正一体化的器件中虽然难度很大,但并非不可能,而且已在逐步实现。与此同时,许多制造商已经采用了混合方法来制造成功商用并具备成本效益的MEMS 产品。

 Texas Instruments 数字微镜器件 (DMD) 就是其中一个示例。DMD是TI DLP®; 技术的核心,它广泛应用于商用和教学用投影机装置以及数字影院中。每16平方微米微镜使用其与其下的CMOS存储单元之间的电势进行静电致动。灰度图像是在脉冲宽度所调制反射镜的开启和关闭状态之间产生的。颜色通过使用三芯片方案(每一基色对应一个芯片),或通过一个单芯片以及一个色环或RGB LED光源来加入。采用后一种技术的设计通过色环的旋转来实现DLP芯片同步,以连续快速的方式显示每种颜色,让观众看到一个完整光谱的图像。

 或许MEMS技术的一个最有趣特性是设计师得以展示在如此小尺寸的物理域中发掘物理独特性的能力 — 这一主题后面会再次谈及。

图2:简化的MEMS加速度计

基于各种原因,许多MEMS产品在商业上取得了巨大成功,其中有很多器件已经获得广泛应用。汽车工业是MEMS技术的主要推动力之一。例如MEMS振动结构陀螺仪,是一款相当便宜的新设备,目前用于汽车防滑或电子稳定控制系统中。Murata Electonics Oy SCX系列MEMS加速度计、陀螺仪和倾斜仪,以及集成了这些功能各种组合的芯片可助力特定的汽车应用 — 这些应用要求在狭小的空间内实现非常高的精度。基于MEMS的气囊传感器自上世纪90年代起在几乎所有汽车中已经普遍取代了机械式碰撞传感器。图2显示了一个简化的MEMS加速度计示例,同碰撞传感器中使用的类似。一个带有一定质量块的悬臂梁连接到一个或多个固定点以作为弹簧。当传感器沿梁的轴线加速时,该梁会移动一段距离,这段距离可以通过梁的“牙齿”与外部固定导体之间的电容变化来测量。

许多商用和工业用喷墨打印机使用基于MEMS技术的打印机喷头,保持墨滴并在需要时精确地放下这些墨滴 — 这种技术被称为按需投放 (DoD)。通过对压电材料(比如锆钛酸铅)组成的元件施加电压,让墨水变形。这增加了打印机喷头墨水室内的压力,让非常少量(相对不可压缩)的墨水从喷嘴中喷出。

3基于MEMS按需投放技术的打印机喷头

与此同时,其它一些MEMS技术才刚开始大规模进入市场。比如欧姆龙 (Omron) 开发的微机械继电器 (MMR),更快、更高效,片上集成度前所未有。欧姆龙发挥了自己的微机电系统专业优势,为市场带来新款温度传感器:D6T非接触式MEMS温度传感器。D6T在MEMS制造过程中集成了ASIC和热电堆元件,所以这种小型化的非接触式温度传感器大小仅为18 x 14 x 8.8mm(4x4元件类型)。

当然,现在的MEMS技术并不局限于单一的传感器设备。为什么要这样?考虑下人类的感官:一只眼睛给我们提供颜色、运动和(某些)位置信息,而两只眼睛则使我们能够通过双目视觉提高深度知觉。事实上,我们的许多感性经验都需要感官的结合才能有意义。我们的想法是,通过结合感官数据,我们可以弥补每个个体感官的弱点和缺点,并在某种程度上达到对环境的更好理解。对于人类来说,这被称为“多模集成”;在电子学中,这被称为传感器融合。传感器融合,特别是与MEMS相关的传感器融合,是移动设备传感器技术的重要发展。许多制造商已经提供了完整的解决方案,如飞思卡尔 (Freescale) 面向Windows® 8的12轴 Xtrinsic传感器平台。该平台将三轴加速度计、三轴磁强计、压力传感器、三轴陀螺仪、环境光传感器与ColdFire+ MCU集成在一起,作为一个整体硬件解决方案,然后再将其与专有的传感器融合软件结合。

随着MEMS器件的优势得到认可,MEMS市场继续加快增长的步伐。根据Yole Développement的2012年MEMS行业报告,MEMS“在未来六年将继续保持稳定、可持续的两位数增长”,到2017年全球市场规模将达到210亿美元。

MEMS设计与制造

“考虑一下这样小的机器会遇到什么问题很有趣。首先,如果各部件的压力维持相同强度,力随面积减小而变化,这样重量以及惯性等将相对无足轻重。换句话说,材料的强度所占比重将增加。比如,随着我们减小尺寸,只有旋转速度同比增加,飞轮离心力导致的压力和膨胀才能维持相同比例。“

          — 理查德·费曼,《底部仍然存在充足的空间》

缩放和小型化

在介绍MEMS 设计和制造时,往往会先回顾一下缩放和小型化。例如,如果我们问,为什么不能简单地将空气压缩机或吊扇压缩到跳蚤大小?答案是压缩定律。跳蚤大小的吊扇与相当于其1000倍大的正常大小风扇的运行方式不同,因为所涉及力之间的相互强度发生了变化。比例因子S,有助于理解这中间发生了什么变化。

请考虑一个矩形,其面积等于长度和宽度的乘积;如果该矩形按比例因子100倍进行缩小(即长度/ 100,宽度/ 100),那么该矩形的面积将缩小为原来的(1/100)^2= 1/10000。因此,面积的比例因子是S2。同样,体积的比例因子是S3 —因此随着压缩比例越来越高,体积受到的影响比表面(面积)更大。

在一个给定的规模上,谨慎考虑不同力的比例因子可以揭示其中最相关的物理现象。表面张力的比例因子是S1,压力以及静电相关的力是S2,磁场力是S3,重力为S4。这就解释了水黾(或称“水臭虫”)为什么可以在水面上行走,以及为何一对滚球轴承的表现与一个双星系统不同。虽然任何设计中都需要开发完整的数学模型,但比例因子有助于指导我们如何设计MEMS大小的器件。

子系统建模

由于亚毫米器件的直观性不强,模型对于MEMS设计来说尤为重要。一般来说,一个完整的微机电系统太过复杂,难以从整体上进行模型分析,因此,通常需要将模型划分为多个子系统。

子系统建模的其中一种方式是按功能进行部件分类,比如传感器、执行器、微电子元件、机械结构等。集总元件建模采用了这种方法,将系统的物理部件表示为特征理想化的分立元件。电子电路以同样的方式进行建模,使用理想化的电阻、电容、二极管以及各种复杂元件。据我们了解,电路建模时电气工程师会尽量使用大大简化的基尔霍夫电路定律,而不是使用麦克斯韦方程。

再次,如同电子领域一样,系统可以使用框图进行更抽象的建模。在这个层级,可以非常方便地将每个元件的物理特性放到一边,而仅使用传递函数来描述系统。这种MEMS模型将更有利于控制理论技术,这是用于实现最高性能设计的一套重要工具。

设计集成

尽管标准IC设计通常由一系列步骤组成,但MEMS设计则截然不同;设计、布局、材料以及MEMS封装本质上是交织在一起的。正因为如此,MEMS设计比IC设计更复杂 — 通常要求每一个设计“阶段”同步发展。

MEMS封装过程可能是与CMOS设计分歧最大的地方。MEMS封装主要是保护器件免受环境损害,同时还提供一个对外接口以及减轻不必要的外部压力。MEMS传感器经常需要进行应力测量,过大的应力会造成器件变形及传感器漂移,从而影响正常功能。

每个MEMS设计的封装往往是唯一的,并且必须进行专门设计。业内众所周知,封装成本会占总成本的很大一部分 — 在有些情况下会超过50%。

MEMS封装没有统一标准,仅最近就有多种封装技术涌现,其中包括MEMS晶圆级封装 (WLP) 和硅通孔 (TSV) 技术。

制造

与微电子一样,MEMS制造的优势在于批量处理。和其它产品也一样,MEMS器件的规模量产增加了它的经济效益。就像集成电路制造一样,MEMS制造中光刻方法往往最具成本效益,当然也最常用。不过同时兼具优点和缺点的其它工艺,也在使用,包括化学/物理气相沉积 (CVD / PVD)、磊晶和干法蚀刻。

尽管很大程度上取决于具体应用,但相比于其电子性能,MEMS器件中使用的材料更被看重的是它们的机械性能。所需的机械性能可能包括:高刚度,高断裂强度和断裂韧性,化学惰性,以及高温稳定性。微光学机电系统 (MOEMS) 可能需要透明的基底,而许多传感器和执行器必须使用一些压电或压阻材料。

要学习关于MEMS器件的更多知识,欢迎访问贸泽电子网站。另外,从振荡器、开关、麦克风和电容式触摸传感器到流量、位置、运动、压力、光学和磁性传感器,还有数百种MEMS器件。MEMS技术将继续发展,并且还将继续缩小技术实现的尺寸。


赛车直播中的实时数据哪里来?遥测技术走起! Lynnette Reese

在过去的十几年中,赛车以及其他各种在广播电视等媒介上转播的观赏性运动都发生着巨大变化。借助遥测技术,或者更直白的说法是远程监控技术,车迷可以直观地看到每个车队的具体表现,并通过无线电扫描仪或通过官方渠道订阅无线数据和流媒体视频源,来收听车手在车内的通话,还可以借助手机来观看赛车内各个摄像机位拍摄的影像。

 

在一辆赛车上,执行遥测的传感器很可能会超过80个,每一个都能够以每秒采样10到20次的速度向维修人员和车手发送数据,或者以每秒最多采样100次的高速度向车载数据记录器传输数据;这还只是监控单独一项数据的情况。这些信息会显示给车手、维修人员和车迷,并且记录在车载的数据记录仪和「黑匣子」中。将这些数据乘以80个或更多个传感器,就足以想见需要分析的数据量是多么的大;而分析这些数据的主要目的就是为了提升赛场上的表现。

 

贸泽的工程师采访了印地赛车KV车队的数据采集工程师Josh Fults和Matt Cummings,探讨了在赛车环境中使用电子产品的话题。他们俩不出意外地表示振动是最大的挑战之一,因为每条新赛道的振动特点都不一样,而车队需要在大半年时间里征战各地。当赛车以200MPH高速行驶时,每条新赛道上有关振动的小问题都会变得像路面坑洞那样糟糕,而且这些问题还会反复地发生。所以,赛车上的传感器必须足够坚固。

 

在印地赛场上,有哪些信息需要车队来监控,并实时地显示给相关人员,或者记录下来以供赛后分析?这些信息有发动机负载或歧管绝对压力(又称为「增压」)、发动机转速、油门位置、气温和水温、油量、胎压、排气氧含量(评估油气混合的一项指标)、防滚杆位置,以及诸如三轴加速度、机械位移和旋转速度等详细信息。

 

赛车行驶的速度高达200MPH,彼此之间却往往维持着触手可及的距离,为此赛事工作人员必须以几个厘米的精度来跟踪赛车位置。转播人员只需拨动一个开关,就可以让转播画面上弹出一系列叠加栏位,显示6、7项有关某个车手的统计信息,还可以让车迷看到相关的实时遥测数据,例如车速、转速、方向盘旋转位置,以及油门、制动强度和g力大小。如此一来,赛场上的现实通过虚拟的方式呈现给了车迷,因为车手此时体验的正是这些数据的真实效果;另一方面,车迷也通过虚拟的方式将自己代入现实中,他们自己仿佛就坐在车手的身后,分析车手将会采用何种超车策略,并与车手一同感受赛车自身的局限性。

图1:将赛车上的传感器传回的数据显示在视频转播画面上的图示

 

这样的观赛体验离不开遥测技术的支持。这些传感器必须承受种种恶劣环境的考验,包括发动机高温、持续振动、尘土、水和油等各种不利因素。要胜任这样的考验,就要采用专门制造的高性能耐高温电子产品,例如ADIADXL206 MEMS加速度计。该产品额定温度非常高,可以胜任环境温度高达175°C的地质勘探,还可以承受±5g的g力,线性度的表现也很不错。在某些赛道上,一些弯道的过弯g力可以轻松达到4.5g。此外,Murata提供了一款能承受6g的MEMS加速度计SCA3100-D07-1,该产品能够承受温度高达125°C的恶劣环境。Murata对其MEMS陀螺仪和加速度计进行了晶圆级的密封,从而保护其免受微粒和化学物质侵袭。

图2:九台ADXL206高温MEMS加速度计设备在不同温度下的x轴灵敏度(由ADI提供)

 

在印地500比赛中,车手必须在承受3g – 4g过弯的状态下抬直头部完成长达200圈的比赛,而车内的传感器全程都要承受高湿度和高达90度的温度。

非接触式传感器在赛车中也占有一席之地。Honeywell霍尔效应传感器是一系列小型、高灵敏度的传感设备,可以对南、北磁极交替变化做出响应,非常适合用于速度传感和转速测量,当然也可以用于位置传感。所有这些传感器都需要连接器和通信收发器才能工作,为此KV车队采用了CAN协议来组建车载网络。CAN为赛车的网络数据交换提供了协议和方法,只需借助位于绰号「织布机」的线束中的一条总线,就可以将发动机控制器的霍尔传感器所收集的数据发送到所需的地方,无需费心费力连接许多直连线路。Microchip英飞凌安森美半导体NXP都提供可在接近150°C的温度下运行的CAN收发器。

 

硬件和软件工程师将高科技带入了体育运动。他们现在可以直接从赛车中获取相关的传感器数据,并在电视转播画面上实时显示。因此,当您再次观看赛车赛事,并在屏幕上看到多种统计数据时,不妨设想一下,再过十年,您也许会坐在一个模拟器中,以虚拟的车内视角来观赛,而这个模拟器使用的数据,正是来自于那些渺小却又坚固的传感器。还有什么能比安全而又完全沉浸式的观赛体验更吸引人吗?凭借贸泽电子这样的分销商提供的新技术和新产品,工程师正不断将电子设计推向新的极限,持续为我们带来这样的机遇。贸泽电子拥有超过300万种产品SKU可供选择,KV车队正是采用贸泽分销的产品来创建自定义解决方案。你也可以。


与传统振荡器相比,MEMS振荡器究竟有哪些优势呢? Paul Pickering

简介

手机、计算机、收音机、手表和许多其他设备的成功都离不开电子振荡器。振荡器可生成精确稳定的输出频率,进而产生定时脉冲并同步事件。

便携式和可穿戴电子产品的兴起,推动了降低包括振荡器在内的各类电子元件的能耗和占地面积的需求。基于微机电系统(MEMS)技术的振荡器将精确的输出频率和低功耗相结合,在时钟电路中被广泛采纳。

本文将介绍MEMS技术、MEMS振荡器以及它们为什么能在便携式和非便携式应用中取代传统的解决方案。

传统振荡器类型概述

在MEMS器件出现之前,设计人员会根据应用的具体需求,通过多种方法来生成时钟信号。

成本最低的选择是RC振荡器,它使用无源元件网络和放大器,通过正反馈电路产生振荡信号。例如,相移振荡器使用三个累积相移为180°的级联RC,在添加到运放周围的反馈回路时,会产生正反馈,从而产生振荡输出。

集成硅振荡器也采用了类似的电路,但所有的元件都集成在一个芯片上,也可以提供更精确的操作和更高的温度性。硅振荡器可在出厂前预置工作频率。例如,Maxim Integrated MAX7375出厂时的预置工作频率为600 kHz至9.99 MHz,并具有2%的初始精度和±50ppm/°C温漂。

对于精密应用,传统的解决方案是采用基于振荡石英晶体的电路。这是一种压电器件;当对其施加电压时,就可以将它看作是一个具有精确谐振频率的RLC电路。陶瓷谐振器采用类似的工作原理,但其振动元件由钛酸铅锆(PZT)等陶瓷材料制成。

为了制作振荡器,需要将晶体或谐振器与以共振频率驱动的模拟电路结合起来。许多嵌入式处理器都有内部电路,可以轻松容纳任何类型的器件。晶振模块也可以将晶体和支持电路封装在一起。

1对各种传统振荡器进行了对比。

时钟源 精度 成本 注释
RC振荡器 超低 -- 可能对EMI和湿度敏感,温度稳定性差。
集成硅振荡器 低到中 - 对EMI、湿度和振动不敏感。小尺寸;无需其他组件。温度灵敏度优于RC,但不如晶体或陶瓷谐振器。
陶瓷谐振器 中等 + 对EMI、湿度和振动敏感。需要外部驱动电路。
晶体 中到高 ++ 对EMI、湿度和振动敏感。需要外部驱动电路。
晶振模块 +++ 对EMI、湿度不敏感。无需其他元件。功耗高、对振动敏感且尺寸大。

表1: 传统振荡器对比(来源:Maxim)

MEMS技术与振荡器

MEMS技术采用光刻、沉积和蚀刻等标准半导体制造工艺,生产出从小于1微米到几毫米不等的微型机电元件。

1965年,美国西屋电气公司的哈维·纳森森发明了第一款MEMS器件,这是一种用于微电子固态无线电的微型机械调谐器。20世纪90年代,MEMS压力传感器和加速度计开始广泛应用于汽车安全气囊和医用呼吸器等领域,推动了MEMS技术的蓬勃发展,并降低了MEMS技术成本。

MEMS谐振器结构小巧(0.1mm或更小),用于在静电激励下以高频振动。制造时,首先在绝缘体上的硅(SOI)层中蚀刻谐振器结构,然后通过用氧化物填充沟槽来对晶体表面进行平坦处理。接下来,形成接触孔,以便进行电气连接。最后,用氢氟酸除去氧化物,以产生具有振动能力的独立谐振器梁。

图1:根据所需频率不同,MEMS谐振器的尺寸和形状也会有所不同(来源:SiTime

MEMS谐振器的谐振频率与其尺寸成反比,现有kHz和MHz频率供选择。kHz级谐振器针对低功耗进行了优化,通常用于实时时钟等计时应用,或为电源管理系统提供睡眠和唤醒功能。MHz级谐振器用于为对数据传输速度要求极高的串行和并行通信提供精确的参考。

如图2所示,MEMS振荡器结合了MEMS谐振器裸片和可编程振荡器IC;谐振器由模拟振荡器IC上的电路块驱动。谐振器维持电路驱动谐振器产生机械振荡。两个裸片以堆叠裸片或倒装芯片的方式安装在一起,并以标准或芯片级封装形式封装起来。

图2: MEMS振荡器在单个封装中集成了谐振器和单独的振荡器裸片。对于精密应用,通常需要集成温度补偿 。(来源:SiTime

输出频率通过N分频锁相环 (PLL) 模块进行设置,该模块产生的输出信号是MEMS谐振器频率的N分频。片上一次性可编程 (OTP) 存储器用于存储配置参数。许多器件还具备可配置驱动强度的输出驱动器,用于匹配阻抗或减少辐射。

对于精密定时应用,MEMS振荡器通常可通过片上温度传感器进行温度补偿。

MEMS封装形式

与其他半导体器件一样,MEMS振荡器有多种封装形式。对于正在寻找替代石英振荡器的设计者来说,采用兼容2×1.2mm(2012)SMD封装的MEMS振荡器绝对是一个很好的选择。但由于MEMS振荡器需要两个额外的电源和接地引脚,所以特意将这些引脚放置在现有SMD端盖之间,如图3所示。

图3: 除了传统半导体封装,MEMS振荡器还提供SMD和CSP两种封装形式 (来源:SiTime

此外,利用芯片级封装 (CSP) 技术,MEMS振荡器可以与ASIC或微控制器等其它器件封装在一起。

MEMS振荡器性能

早期的MEMS谐振器不够稳定,不能用作定时基准,但目前的器件可以实现低至±5ppm的稳定性。对于便携式应用,低功耗器件还可实现±20ppm的频率容差和±100ppm的稳定性。

半导体封装的使用使MEMS振荡器能够承受高强度的冲击和振动,对于便携式和可穿戴设备(如数码相机、手机和手表)等容易掉落的设备,更是有着非凡的意义。

MEMS振荡器产品示例

一些制造商提供低功耗MEMS振荡器和支持产品。例如,SiTimeSiT1533是一款超小型超低功耗32.768kHz振荡器,针对移动和其他电池供电应用进行了优化。SiT1533的最大工作电流仅为1.4μA,使用推荐布局时,与现有2012 XTAL引脚和封装兼容。该器件的工厂可编程输出可降低电压摆幅,从而将功耗降至最低。1.2V-3.63VDC的工作电压使其适用于采用低电压纽扣电池或超级电容器作为备用电池的移动应用。

MicrochipDSC1001是基于MEMS的振荡器,在广泛的电源电压和温度范围内具有出色的抗抖动性和低至10ppm的稳定性。该器件的工作频率范围为1MHz至150MHz,电源电压为1.8至3.3VDC,温度为-40ºC至105ºC。

MEMS振荡器可在极宽的频率范围内工作。例如,Abracon ASTMK-0.001kHz可以低至1Hz的频率运行,容差为20ppm,电流消耗为1.4μA。而IDT的 4H系列超低抖动MEMS振荡器却可以625MHz的频率运行。

使用MEMS振荡器进行设计

为了与高频时钟保持一致,设计人员应遵循最佳实践布局技术,例如限制走线长度、注意布线、限制过孔的使用以及使用接地层等等。

此外,正确使用电容器还可提供以下功能

去耦:快速开关器件(如时钟振荡器)可能会对电源产生很大的影响,导致电压下降。靠近电源放置去耦电容可以充当本地储存器,以确保始终有足够的电荷。

旁路为了限制系统传播的噪声量,需要通过旁路电容来提供低阻抗路径,将这种瞬态能量分流到地。

降低电源噪声:在大多数应用中,电源电压和电源回路会之间接入一个0.1 μF 电容,将大部分电源噪声分流到地。为了进一步降低噪声,设计人员还可以运用RC或LC电源滤波策略

降低EMI的方法

随着处理器速度的提高以及在更小空间中容纳更多设备需求的增多,使电磁兼容性(EMC) 变得日益重要。

某个设备生成的信号可能会耦合到其他设备中,从而导致错误或发生故障。振荡器时钟通常是电磁干扰 (EMI) 的主要来源,因为它由具有高频谐波的重复方波组成,并且通常广泛分布在整个电路板上。

滤波、屏蔽和良好的布局可能会限制EMI,但会增加成本并占用电路板空间。另一种方法是通过随时间缓慢调制时钟频率来减少时钟产生的噪声,这种方法降低了基频和谐波频率中的峰值频谱能量,有助于进行FCC认证,这种认证方法使用特定带宽内的峰值功率来确定EMI。

可编程扩频MEMS振荡器(如SiT9003)通过用32kHz三角波调制其PLL来降低EMI,从而改变输出中心频率。扩频量可由用户选择;例如,在98MHz到100MHz之间调节输出频率可以使平均EMI降低13dB。

结论

MEMS振荡器拥有低功耗、小尺寸、高性能和物理稳健性等诸多出色的性能,成为了众多应用的理想选择,特别是便携式和可穿戴电子产品。

利用标准半导体制造和封装方法的能力意味着,MEMS振荡器的成本和性能将继续得以优化,进而占领传统上采用石英晶体和陶瓷谐振器的应用市场。

 

以太网浪涌防护应用方案 Tony Ping

 过去,工程师被要求把所有的设备都与网络连接起来。但是,以太网的协议的选择是多样的。有些方法在理论上看起来是可行的,但一旦应用到实际中,就会碰到意想不到的问题。

以太网的最初设计者无法想象我们对他们的“宝贝”做了什么。最初的目的是把计算机连接在一起。数据的传输速率是10M/s。对当时的计算机处理速度来说,这已经是足够快了。计算机通常被放置在一个单独的房间或者是数据中心中。这些连接的线缆长度通常都不长于10米。这样,数据房的工作条件得到了保证,因此ESD是一个非常小的威胁,一旦电脑连接好,它们就保持了恒定的物理连接。

今天,我们使用的是千兆以太网,或者在数百米的距离上至少运行100M的快速以太网。在我们工作大楼的墙壁或者其天花板或者其他隐蔽空间中放置数英里长的线缆。我们使用以太网供电方式(PoE)来为屋顶、信息亭、灯杆甚至通信塔上的设备供电并与之通信。当你的领导告诉你以太网来替换工厂中的IEEE-488总线链路时,他可能不理解IEEE-488链路的固有健壮和稳定性,也不知道你需要做哪些事情来保持你的以太网网络在工业环境中运行。这时,您还需要一个网络线路保护方案。作为网络的安全保障卫士,它可以提供多年的无故障服务。

从实际工作情况上来看,大多数以太网接口是不需要特殊保护的。因为大多数RJ-45以太网插孔后面的第一个电气部件是一个隔离变压器,它可以提供一些保护。这与大多数以太网PHY收发器集成电路中内置的ESD保护相结合,在大多数家庭和办公室环境中提供了足够的保护。问题是通常以太网接口暴露在严重威胁下的比例比较低。建筑物内的长电缆成为长天线,可以将雷击产生的能量耦合到网络中。如果将它们暴露在户外例如:信息亭,或屋顶或顶部的监控摄像头。这些“天线”甚至可以收集闪电能量。

当安全性、可靠性问题首次浮出水面时,有些电路保护公司开发了“加密狗”方案,提供额外的ESD过电压保护。当“加密狗”插入有问题的RJ-45插孔,并提供了一个防浪涌的RJ-45插孔。它们被添加到路由器或其他遇到故障的设备中,在一定程度上是有效的。

随着数据传输速率的提高,以及“PoE”技术的出现,这就需要有定制化的解决方案。以前单纯的“加密狗”方法往往是不够的。但是,“PoE” 技术也存在一些问题。因为,存在的直流电压会使专为2V以太网信号设计的收发器出现过电压保护跳闸。由于为10Base-T或100Base-T网络设计的保护方案的容性负载,千兆位数据速率可能会遭受严重的数据错误。虽然 “PoE” 提供了过电流保护功能,但对那些会损害其他类型电源设备的电气瞬态来说,这些系统也很易遭受同样的损害。

与10Base-T不同,千兆位以太网使用一种复杂的编码方案,它需要一个非常线性的通道才能长距离传输。根据外加电压的不同,硅二极管和晶闸管通常显示出非线性电容。千兆位以太网还使用比百兆以太网快10倍以上的时钟频率,这使得信号对电缆和任何使用的保护设备的电容更加敏感。

构建一个强大的以太网防护系统,通常需要一个“分层”设计的方法,采用电源+网络二合一集成设计,多级保护电路它由第一层、第二层和有时是第三层组成。每个层级对应不同任务:

第一层:晶闸管或硅工艺的装置。如LittelfuseSDP-Q38CB宽带SIDACtor保护型晶闸管。它可以提供所需的浪涌处理能力与最小的电容负载。SIDACtor保护型晶闸管对数据信号的影响极小。创新型硅设计可实现适用于高带宽应用的电容负载特性。具有SO-8占位的表面贴装QFN封装的浪涌能力超过了大部分全球应用最广泛的建筑物内部标准以及二次侧保护器浪涌承受力的建议标准。这些薄型晶闸管具有低失真和低插入损耗,虽然,初级层通过过高的电压,但它确实限制了浪涌的持续时间,因为大部分能量被分流到地面。对于“PoE”应用,保护装置的击穿电压必须高于“PoE”电源电压。此外,设计工程师必须确保在启动保护后,当连接到电源时,主保护系统 将“退出”或“复位”。通常,这需要一个可折回限流的“PoE”电源并且保护装置处于高保持电流状态。

1: Littelfuse SDP-Q38CB宽带SIDACtor®保护型晶闸管(来源:贸泽电子)

第二层:高频变压器隔离,不仅为PHY收发IC提供直流隔离,它们微小的磁芯容易饱和,限制了耦合到收发器电路中的能量。但是,线圈之间的隔离必须能够承受初级层的通电电压而不发生故障。请记住,GDT的直流击穿电压可能为90V,但在快速雷电冲击条件下可能会超过500V。线圈间电容也可以通过隔离栅耦合能量,但这通常比磁耦合能量小。

第三层:当初级和次级保护单元已经去除了“PoE”功率,并将最大电压和电流限制在可控的水平,其中许多技术从ESD保护装置技术中得到借用的。

安森美半导体NUP4114系列产品(2)用于保护电压敏感元件和高速数据免受ESD的影响。具有超低电容、出色的钳位能力、低漏电流和快速响应特性。

2: 安森美半导体ESD保护二极管和阵列(来源:贸泽电子)

如今要求苛刻的以太网应用远远超出了最初以太网概念的范围——在距离、数据速率和浪涌威胁等方面。通过仔细的工程设计,强大的以太网络可以应用于苛刻的环境中。


话说智慧城市 Tony Ping

随着全球人口的不断增长,越来越多的人口正移居到城市中,为社会和经济发展创造了大量机会。基础设施建设和现有物质资源将面临越来越大的挑战,为每个公民提供高质量的生活。城市化进程的加速及越来越先进的技术支持更好的生活方式导致了“智慧城市”的出现。

虽然我们都觉得科技将成为智能城市发展基石,但它本身无法驱动智慧城市的布局。要做到这一点,将取决于政府、企业界以及市民三者的结合。他们需要利用现有的技术来实现这个目标。关键的基础设施投资,需要深思熟虑的政策和广泛的公众参与度,这都将是城市环境转型的关键——以便实现持续的高水平,用以促进经济增长和提高生产力。

根据IDC的《智慧城市支出指南》报告指出,2019年,智慧城市的年度财政支出计划将达到950亿美元,到2022年将增至1580亿美元,其中包括智能室外照明、视频监控、先进公共交通和智能交通管理系统等四个方面。全球的研究人员和技术开发人员正在研究如何最大限度地发挥智慧城市的作用,同时有计划的将成本控制在最低水平。那么,实现这一目标的最佳方法是尽可能利用现有的基础设施进行改造。

智能解决方案:解决城市生活问题

在过去20年里,城市化进程的加速导致了大城市的迅速发展(人口超过1000万的城市如北京、广州和上海)。 随着需求不断上升,在这些地区提供能源和水资源供给等问题越来越具有挑战性。科技可以在为资源管理提供智能解决方案方面发挥重要作用。AMI系统结合了智能电表、传感器硬件、软件分析、数据网络和数据管理机制,使公用事业单位与客户之间能够进行双向通信。

远程传感技术的发展可以为居住者提供对水等资源消耗数据的实时访问,有助于建立可靠的数据模型,这样公用事业公司就可以减少资源浪费。交通拥挤也是人口高密度城市的另一个重要问题。为了解决这一问题,中国政府建立了协作平台,用以宣传人们对绿色出行和共享交通的认识,并鼓励使用公共交通工具。例如:最近,上海道路上推出智能交通灯和智能交通信号灯可以更好地管理和控制交通流量。这将依赖于各种响应灵敏的传感器,而不仅仅是简单的定时、计数器。

除了为通勤者生成实时交通更新信息,随着时间的推移,所获取的数据可以与人工智能(AI)平台一起用于预测典型的交通模式和优化交通流量。智能路灯可以适应行人、自行车和车辆的移动。当检测不到位移时,它可以变暗,当需要活动时,它可以变亮。从而节省能源,降低运行成本,延长照明设备的使用时间。

为减少犯罪的产生,进而减少犯罪对社会的影响,城市监控也非常重要。先进的数字影像系统帮助警察从集中控制室观察整个城市的情况。将模拟摄像机替换为IP高清摄像机带来了监控领域的重大技术变革,因为它可以连接到互联网络基础设施。此外,视频分析和算法(如声音检测和人流控制)的发展也证明了其巨大的应用潜力和价值。

尽管这里必须指出,虽然所有这些都有明显的安全好处,但同时也引起了对个人隐私的严重关切。这在未来智慧城市运营的其他方面肯定是一个反复出现的问题(因为各种不同的数据集都被编译,可能在不同的利益群体之间共享)。

科技的智慧城市

智慧城市的“智能化”方面来自已经采用的传感器、连接性和数据分析。物联网(IoT)技术和人工智能的工作就是将方方面面结合起来。物联网的基础设施相当于智能城市的“神经元”。作为数据获取和传输的机制,并提供一个平台,在此平台上可以提供一系列不同的服务。典型的智能系统是使用多个传感器进行系统设计,以便于同时监测各种状态。以前,街灯只用于照明公共区域,但随着技术的发展,这样就可以为智慧城市提供所需的物联网基础设施,同时尽可能的利用现有硬件条件。今天,我们开始看到普通的路灯演变成智能灯杆——具有动态、温度和空气质量传感功能,加上摄像(以四个或六个为一组方式获得多维度的视角)都被包含其中。还可以安装能量收集器(如太阳能电池或小型风力发电机)为这些设备提供电能,使其能够维持设备的正常运转。

智慧城市基础设施使用的通信协议将取决于所传输和处理的信号类型以及应用条件。典型的物联网设备通过有线连接(例如以太网)或无线连接(例如蓝牙或LoRa)连接到本地网络——网关或数据连接单元(DCU)。这种通过本地通信协议传输的数据然后被转换成IP并通过支持的回程网络。由于有许多可供选用的通信协议,以及与硬件需求和相关成本有关的影响,决定最佳的通信协议可能需要重点考虑。

工程师也可以根据需求选择带宽有限的短距离无线技术(如BLE和Zigbee)或低功耗广域网( LPWAN)技术(如LoRa、Wi-SUN、Sigfox和NB-IoT)。WIFI通常是最主要和直接的选择,因为它应用广泛和技术成熟。然而,由于该技术的功耗问题,意味着它不适用于大部分智慧城市功能(智慧家庭和智能建筑是主要的例外)。为了弥补WIFI的缺陷,产生了另一种技术,称为低功耗无线网络(6LoWPAN)上的IPV6。6LoWPAN协议能够处理小型节能的物联网传感器节点。并在智能电网和工业监控实施中,这已经得到广泛的应用。

虽然6LoWPAN的工作范围较短,但LoRa、Sigfox和NB-IoT是长距离LPWANs的主要参与者。由于这些协议功耗较低,实现了更长的电池使用寿命。因此当一天中需要多次发送相对较长距离的少量数据时,它们非常有效。LoRa和Wi-SUN这种新兴的协议,在智能公用事业市场中越来越受欢迎。这些协议属于非蜂窝LPWAN协议的范畴,可以在无许可频谱中工作,而NB-IoT则通过蜂窝频率传输(需要考虑相关成本因素)。NB-IoT所能提供的网络效率远远超出非蜂窝式LPWAN所能达到的水平——仅使用可用频谱的一部分就可以支持大量新连接的容量。这可以有效降低了功耗–支持超过10年的电池寿命。NB-IoT的覆盖范围也很广,覆盖范围可以达到地下和封闭空间(室内提供20+DB的覆盖范围)。

5G是智慧城市的催化剂

如果没有强大的网络支撑,智能城市许多解决方案都将无法实现。移动通信网将成为连接最终用户与居住城市之间的通道。5G技术的推广已经持续了一年多。现在,我们终于看到它即将商业化运作。5G所带来的优势包括提高网速度(最高10Gbps)、高带宽、低延时以及高可靠性。这可以用于处理更多设备接入。除此之外,另一个主要的好处是设备PING网络和它得到响应之间的延迟时间很短。

通过提供对高性能网络基础设施的访问,5G将为智能设备的应用开辟了新的途径。这样,更多任务将由系统自动来完成。然而,尽管有一些最初的设施部署,但5G网络的商用和它所承载的全部功能(通过毫米波传输、波束形成等)仍有较长的路要走。

大数据和人工智能

今天,有70亿台设备连接到互联网,而且这个数字一直在上升——随着移动用户和基于机器的连接之间的平衡越来越趋向于后者。 根据预测统计,到下一个十年中期,将有200亿到300亿台设备,这些数字可能会更大。高效的城市规划高度依赖于数据采集的准确性和复杂的数据分析。如果没有数据分析和人工智能来处理并从中创造有价值的信息,那么智能设备通过网络发送的大量数据将毫无用处。

在智慧城市建设中,人工智能已经发挥了重要作用。其中,智能停车、智能收费系统和自适应交通信号灯等都是主要的应用方面。另外一个成功的案例是在执法/反恐方面,也看到了其他成功的应用案例——使用人工智能技术通过视频录像和面部识别来标记正在接受调查的人,或者识别被盗车辆的车牌。总之,未来肯定会有一个更智慧的社会出现。

但是,还是需要有更多更先进的技术来实现这一目标。例如用于获取数据的传感器、用于传输其捕获的数据的无线/有线连接技术,以及用于根据实际需求处理这些数据的智能化系统。然而,在涉及数据隐私以及安全性时,仍有一些问题需要解决。因此,要充分发挥智慧城市的全部潜力还需要进一步的努力。


应用于工业4.0安全可靠的无线传感网络 Tony Ping

 

第四次工业革命(或工业4.0)正向我们走来——通过互联网、云计算、数据分析和工业物联网(IIOT)基础设施的出现而成为可能。尽管之前的工业技术使工厂、发电厂、炼油厂、天然气管道、铁路运输等各个系统的监测和控制成为可能,工业物联网通过采用工业无线传感器网络(WSN)来推动自动化技术的进一步发展。

将控制系统中的数据与物联网节点所获取的数据进行融合,可以提供更全面的数据集,使用户能够优化其整个价值链。例如,了解工厂关键设备的运行状态有助于预测问题可能发生的时间/地点,这样可以避免和减少停机的风险,每年为公司节省大量资金。这样还可以减少所需进行维护工作的频率,从而降低运营成本。

据估计,到2023年全球每年将有34亿台无线传感器网络芯片组出货(高于2018年的10亿台)。短距离无线通讯方式(如802.15.4、蓝牙、Wi-Fi和专有协议)目前占所有发货量的90%以上,但低功耗长距离通讯方式(SigFox、Lora和NB-IoT)正在以更快的速度增长。预计未来五年,无线传感器网络设备的相关领域(工业、农业和建筑)的年收入将超过130亿美元。

IIOT的神经网络

通常来说,控制系统通常更重视其安全和可靠性,而不是系统成本,这些系统有助于确保制造或加工场所的顺利和高效运行,因为任何错误、延迟或事故都将导致收入损失甚至人身伤亡。随着无线通信、能效、小型化和智能嵌入式计算技术的进步,以及更强健、低功耗的设计、长寿命的纽扣电池,这些均导致了可靠和安全的无线传感器节点的发展。这些节点能够满足严格的行业要求,并且能够在最极端的应用程序设置下工作。

由于无线传感器网络技术的成本较低,使得在整个系统中部署数百个甚至数千个传感器节点相对容易,也相当经济,从而形成了类人的物联网系统。这种可扩展性,再加上支持多种无线网络协议的能力,进一步提高了生态系统的可靠性,包括传感器节点、中继器和网关的广泛网络,所有这些都实现了工业4.0所必需的空间和通道冗余。

工业物联网的无线协议

除了恶劣或偏远的操作环境和工业设施的庞大规模外,工程师还应考虑到所有金属、混凝土和设备带来的干扰,以及来自内部和周围其他电子设备的电磁干扰。所有这些都决定了要实现的工业物联网节点类型,或者应该支持哪种组合无线协议,取决于具体应用。蓝牙低能耗(BLE)、ISA-100.11A、无线HART和ZigBee都是有效的选项。

Microchip的2.4GHz收发器模块具有极低的接收电流,这样可以延长电池寿命。IEEE802.1.1模块具有一个易于使用的API驱动程序接口,可以连接到公司免费的TCP/IP协议栈及其主流的PIC微控制器单元(MCU)。这些低功耗嵌入式Wi-Fi模块消除了从零开始开发RF电路并获得代理证书的复杂性和成本。RN1810型号包括一个板载TCP/IP网络栈、密码加速器、电源管理子系统、实时时钟、2.4GHz收发器和射频功率放大器。

图1: Microchip MRF24WB0MA/MRF24WB0MB无线模块(来源: 贸泽电子)

Panasonic的PAN9026模块将IEEE 802.11a/b/g/n支持与蓝牙BDR/EDR/LE功能结合在一起,为智能能源、家庭网关和物联网的应用提供灵活的连接选项。它具有动态快速通道切换(DRCS)功能,可在2.4GHz和5GHz下同时工作。 这两个独立运行的标准使数据速率达到150Mbps,再加上400mA(传输)和70mA(接收)的超低电流。通过集成电源管理、高速双核处理器(CPU)、802.11i安全标准支持和高速数据接口,它提供了物联网部署所需的速度和可靠性。

图2: Panasonic PAN9026 Wi-Fi和BLUETOOTH®无线电模块(来源: 贸泽电子)

智能无线传感器网络解决方案

Silicon Labs EM35X系列由完全集成的片上系统(SOC)组成,该系统具有2.4GHz、符合IEEE 802.15.4-2003标准的收发器、32位ARM Cortex-M3微处理器、闪存和RAM,以及许多对ZigBee系统设计者有价值的外围设备。收发器元件采用了一种有效的架构,超过了IEEE 802.15.4-2003标准规定的动态范围要求15分贝以上。集成接收通道过滤允许与2.4GHz频谱中的其他通信标准(如IEEE 802.11-2007和蓝牙)牢固共存。

ADI的 Smart Mesh IP无线解决方案,由嵌入式芯片和预认证的PCB模块组成。这些模块配有完全开发的、经过现场验证的智能无线网状网络软件。Smart Mesh无线传感器能够通过超低功耗、安全的无线通信提供强大的数据可靠性(>99.999%)。使得传感器可以放置在任意的IIOT环境中。Smart Mesh及其相关网络管理板的核心是Eterna IEEE 802.15.4e SoC,它采用了高度集成的低功耗2.4GHz无线电设计同时还具有 一个运行Smart Mesh网络软件的ARM Cortex-M3 32位微处理器。

图3: ADI. Smart Mesh® IP™无线解决方案(来源: 贸泽电子)

支持工业4.0技术发展所需的无线传感器网络硬件正在实现这一目标。现在,可以在市场上找到达到所需性能的组件和模块,同时还可以应对电源预算限制、具有挑战性的操作条件和一系列不同的安全威胁。因此,在未来几年中,自动化程度提高带来的诸多好处将开始在全球范围内实现。


汽车48V混动系统的发展驶入快车道 TDK

差不多五年前,美国政府就规定汽车制造商生产的新车和卡车平均油耗要达到54.5mpg(23.17公里/升),几乎是平均燃油经济性的两倍。随着电动车与混合动力技术进入快速发展通道,基于48V电源的所谓"微混动力"和"轻混动力"系统的发展也驶入了快车道,原来曾长期使用的12V汽车电气系统即将结束自己的历史使命。

48V技术为汽车制造商和驾驶员提供了诸多优势。它不仅可以减少环境污染,还能提高发动机性能,最重要的是,能够提高燃油效率。

随着新技术的出现,汽车中的电力负荷正呈指数级增长。远程1955年,汽车制造商推出了12V充电系统,取代了基于6V技术的旧系统。从1955年到二十世纪80年代,虽然一些高效交流发电机的输出功率最高可以达到0.7kW,但标准交流发电机的输出功率通常低于0.5kW。今天的汽车需要3.5kW的交流发电机输出,是原来最高输出功率的7倍多。

14V交流发电机产生250A的电流,导致最大效率仅为70%。因此,发动机必须额外提供5kW的功率。为了弥补这一点,需要较大的导体横截面来提供更大的电流,从而增加了车辆的成本和重量。而重量的增加降低了燃油效率,也提高了二氧化碳排放量。

48V系统

进入48V时代后,48V技术实现了一些在12V系统中不现实的功能,包括支持微混和轻混动力系统。这些可同时降低二氧化碳排放量和总体油耗的功能包括:

  • 功率超过5kW时的高性能能量回收
  • 扩展的启停功能,如航行或滑行
  • 涡轮增压器和电动助力转向系统等装置的电气化

48V系统不只是现有12V架构的简单扩展,它使用同时控制12V和48V电压级别的双向降压-升压转换器,让系统能够处理更高的负载(图1)。可以把下图视为油电混动汽车的2.5版。

图112V/48V组合式板载电源的架构(资料来源:TDK)

 

在这个2.5版本中,12V电源使用标准铅基电池,48V电源使用锂离子电池。发电机设置在48V级别,有助于实现更高和更高效的输出级别。新的实践经验规定将双层电容器并联以提高储电能力。

降压-升压转换器

如上所述,12V/48V组合系统的核心部件是降压-升压转换器,它控制两个电压级别之间的双向能量流(图2)。大多数降压-升压转换器设计用于2kW到5kW之间的输出功率。

图212V/48V组合系统的降压-升压转换器电路图(资料来源:TDK)

 

降压-升压转换器在普通模式下作为降压转换器工作,因此在48V系统上产生的功率被正确输出到12V系统。如果需要的得到48V级别的输出,将使用升压模式。通常使用6相或8相的串联系统将电压和纹波电流保持在最小值。
 
为了使降压-升压转换器在恶劣的汽车环境中正常工作,设计师必须使用高质量、可靠的开关晶体管、功率电感和存储电容。例如,对于转换器中的存储和平滑扼流圈,如果设计中需要功率电感,则应使用SMD陶瓷功率电感。除了用于绕组的两个焊盘外,电源扼流圈还应具有第三个焊盘,以增加PCB上组件的机械稳定性。如果不可能使用SMD电感,也可以使用带PTH终端的电感。所有组件的工作温度应设计在-40°C至150°C之间。

抗振电容器

对于降压-升压转换器中的存储和平滑扼流圈,除电感外,还有其他关键元件,即稳健的铝电解电容器,这些电容器也应在最高150°C的温度下工作。

这些电容器应符合汽车电子产品的严格要求,如TDKB41689B41789系列。这些铝电解电容器的特点是其高达60g的振动强度和焊接星设计。有些电容器两端都有阴极板触点,以实现低ESL值的优化安装。
 

指定的电容器还应具有低等效串联电阻(ESR)值,从而提高纹波电流能力并降低损耗。电容器的电容范围从360µF到4500µF,额定电压应为25V、40V(对于12V系统)和63V(对于48V系统)。有了这些电压,它们就能够用于同时支持两种电压水平的新板载电源系统。

电动涡轮增压器

48V技术提供更多的优点,让电动涡轮增压器能够更高效地驱动发动机(图3)。直到最近,传统涡轮增压器都是由发动机排出的废气驱动,这意味着随着发动机转速的提高,它们的性能会更好。传统涡轮增压器的一个缺点是从踩下油门到车子启动的时间稍有延迟。这种延迟被称为涡轮延迟。

48V系统通过使用电动充电器消除了这一缺陷,使得涡轮增压器能够立即做出响应,在较低的速度下也能工作,无论在城市道路还是高速公路上,都能提高整体效率。

图3:电动涡轮增压器提高了发动机效率(资料来源:TDK)

 

事实上,将传统涡轮增压器与电动涡轮增压器相结合,可以进一步提高充电压力,在发动机转速较高时关闭电动充电器,从而节省动力并提高整体效率。

48V技术不仅提高了发动机的性能和效率,而且对那些想要降低油耗的驾驶员也很有吸引力。它可以帮助打造真正装备精良的汽车,在48V下以0mph到60mph或0kmph到96.56kmph的速度行驶。了解了这项技术提供的所有好处,就不难理解48V电气系统为何发展得如此之快。


为什么说网关是部署物联网的关键?让我们一探究竟 Sravani Bhattacharjee

在互联网刚刚兴起时,“网关”一词实质上是指能够转换协议的硬件。随着互联网的发展,路由器和交换机成为了主要的网络设备,我们几乎忘记了网关的存在,直到最近物联网(IoT)的出现。
 
今天,几乎所有的物联网项目都离不开网关。根据体系结构范围,有可能需要多个网关,每个网关扮演不同的角色。因此不难想象,快速扩张的物联网网关市场预计到2021年出货量将超过1.39亿台,这一数字来自ABI Research 2019年第3季度关于M2M/IoT路由器和网关的调查报告。
 

是什么让网关对物联网如此重要?

物联网网关不仅仅是“网关”

简单来说,物联网网关可能只是一块硬件或软件,用于从传感器等I/O设备收集和聚合数据。然后,将数据传送到本地数据中心或云服务器。在这种简化的上下文中(例如,在MQTT中),网关充当“代理”功能。
 

然而,据Gartner®Inc.预计到2020年将有200亿个物联网设备投入使用,而供应商也在大力宣传各种网关功能,到那时就会很容易混淆物联网网关的作用。为此,我们需要先来认识一下网关在物联网中的基本功能。

边缘/雾计算8V系统

物联网网关最常见的用途是作为边缘设备,少数供应商将其作为“边缘”网关进行销售。如下圖所示,边缘网关可以直接连接物联网现场设备(传感器、执行器等),也可以通过可编程逻辑控制器(PLC)、分布式控制系统(DCS)、工业控制系统/监控和数据采集 (ICS/SCADA)等聚合现场数据。这些网关需要支持多种I/O接口,包括有线、无线甚至是串行连接(如RS-232)。

在这种情况下,网关主要用于:

  1. 通过提供工业级连接,将更多的“物”连接起来
  2. 支持Modbus、BACnet、Zigbee、Wi-Fi、4G/5G等多种协议

物联网体系结构的多个层级都会用到网关 (来源:Practical Industrial Internet of Things Security)

 

边缘网关的主要作用是在本地提供按需定制计算。发送到云的每一位数据都要花费金钱,占用带宽,并带来延迟。边缘网关不是将所有数据发送到云,而是在本机CPU或跨雾节点分配处理任务,只将有意义的数据发送到云。
 
边缘网关通常具备处理能力(例如,戴尔使用英特尔的双核Atom处理器)以及用于过滤、分析和安全功能的智能软件。

工业4.0与“棕地”环境

在工业企业中,传统设备是部署物联网的主要障碍。由于工业设备的使用寿命长,与其替换传统设备,不如将传统设备集成到工业物联网(IIoT)架构中。但是应该怎么做呢?

传统产品的一些常见问题是:

  • 使用专有软件栈、操作系统和协议
  • 缺乏定期升级软件和固件的能力
  • 缺乏内在的安全性

为了便于在棕地环境中部署IoT,或者在具有传统系统的信息技术环境中引入新软件,可以采用IIoT网关,因为它可以转换专有协议、清理传入数据、向数据添加上下文,并充当“代理”以促进固件更新、数据访问和执行其他安全功能。

网段与垂直市场的互操作性

在工业站点中,不同的网段通常使用不同的专有协议。随着时间的推移,工业信息系统(即数据记录系统、资产管理器、生产实施系统等)开始使用各种IP和以太网标准。然而,这些变体只支持特定的行业垂直市场。例如,电力公司使用DNP3、DC-BUS连接协议,而楼宇自动化则依赖于MODBUS、DAC网络连接协议。
 
这种网络分段会影响跨垂直领域的互操作性。例如,在智能城市项目中,楼宇自动化和公用事业必须相互关联。跨不同垂直领域的连通性是网关可以填补的另一关键空白,而且网关还可以连接工业站点内的各个网络。

高级功能

在高端领域,物联网网关作为内部部署和云之间的接口,无需连接云端,即可执行以下操作:对传入数据运行复杂的分析算法和机器学习模型,实现工厂自动化,执行身份识别和验证服务,进行预测性分析等。这类网关通常会模糊网关和物联网平台之间的界限。

物联网网关深度解析

物联网网关由软件和硬件组成。软件可以在专用或虚拟化平台上运行。软件栈可执行各种功能,如协议转换、数据处理、存储、聚合和分析。
 
随着物联网应用的发展,物联网网关的作用也将越发的重要。设计与平台无关的网关软件是未来创新的一项基本任务。使用与平台无关的网关软件可避免供应商锁定,并能轻松添加新功能。AWS Greengrass和Microsoft® IoT Edge就是两个很好的例子。
 
由于网关暴露在室外条件下,因此非常有必要设计用于极端环境的网关。这就要求硬件具备防篡改功能,并支持广泛的工作温度范围。“无风扇”网关耗电量较少,适合于资源受限的设置。
 

结论

作为物联网体系结构的重要组成部分,物联网网关的市场正在迅速扩大。主要推动者有惠普企业、英特尔、思科、戴尔、富士通、微软、IBM、红帽、甲骨文、VMware、华为、Pivotal等企业。

 

随着新物联网连接技术和标准的出现,该行业完全有能力推出适合新角色的网关,也将迎来网关电子元件和软件创新与实施的伟大时刻。

 

要点:

  1. 不使用网关几乎不可能实现物联网用例。
  2. 快速扩张的物联网网关市场预计到2021年出货量将超过1.39亿台。
  3. 除了边缘聚合,网关在工业4.0棕地场景和智能城市应用中发挥着关键作用。
  4. 网关设计需要特别注意资源受限和极端物联网环境中操作的安全性。
 

 


如何精确预测电池电量?看完这篇你就懂了! Robert Huntley

电池是便携式电子设备的唯一电力来源。无论是使用智能手机、健身追踪器、运动相机、室外导航设备、相机还是手持式收发器,都会遇到意想不到的低电量警告。大多数情况下,这类警告信息只会带来不便,但对于安全和应急设备来说,可能会造成严重的后果。

通过电量计确定电池充电状态

由于电池材料、化学成分和环境温度都会发生变化,因此只通过电量计检测电池电压所得到的结果并不可靠。此外,电池阻抗也会随着充电状态和电池老化程度而变化,实现精确测量更是难上加难。每种电池的化学特性都会产生一种独特的放电特征,有些比较适合表示基于电压的充电状态,而有些电压和负载电流放电曲线几乎是一条直线,使得电量计只能显示100%或一条平坦的曲线。

所以需要引入另一种能够测量电池充放电电流的方法,即所谓的库仑计法来确定充电状态。这种方法考虑到了电池老化和自放电特性。

充电状态对安全和消费者体验的重要性

随着消费者对技术的日益了解,能否精确地指示电池充电状态成为了衡量手持消费电子设备的关键指标。为了准确地预测电池充电状态,许多制造商会根据特定的应用和用例来定制化电池,导致产品延迟上市,有些情况下还需向第三方供应商发货。然而,国家对于锂离子等电池的运输监管法规越来越严格,对运输方式和剩余电量均有明确的规定。

除了电池运输法规外,为了便于日常使用和储存,还需要在设计中加入其他监测电子设备,以使相对易挥发的电池(许多电池能够提供数百安培的电流)能在安全的参数范围内运行。售后电池供应商为了节省成本往往会忽略电池安全问题,因此需要设备制造商在其电池和终端产品设计中增加电池加密认证技术,以免出现安全问题。

测量充电状态所面临的挑战

如上所述,能够准确测量电池充电状态并将其显示在电量计上,不仅需要考虑运行期间的功耗,还需考虑待机期间的功耗。在运输和仓储过程中,还需要考虑设备放在橱柜中或“箱子里”时所产生的静态电流。电量计本身也会消耗能量,因此,在计算电池可携带多少电量,以及消费者收到电池后是否有足够的电量来工作时,需要考虑到这一点。作为消费者,我们喜欢产品在收到后无需充电即能工作。而为了保持电量计指示准确,相关电路必须始终处于接通状态。在消费者使用产品之前关闭电量计,会造成充电状态指示不够准确。请注意,为确保运输和仓储期间的安全,如果温度过高或部件故障导致出现短路情况,请谨慎启用蓄电池保护功能(温度、电流和电压监测)。

精确的充电状态测量解决方案

Maxim Integrated MAX1730x低功耗系列就是一个很好的示例,它在3mm×3mm的封装中集成了电量计、保护和认证功能。MAX17301用于测量锂离子电池或锂聚合物电池的充电状态,当激活输出FET时,具有24µA的超低静态电流,休眠期间更是低至18µA;禁用FET时,电流可降至0.1µA。此IC提供了一系列全面的电池健康状态和安全保护功能,包括过压(取决于温度)、过充电流、电池欠/过温、欠压和过放电/短路。MAX1730x还具有用于与主微控制器通信的单线/I2C接口,以便读取MAX1730x的数据和控制寄存器(1)。

1:Maxim Integrated MAX1730x方框图(来源:Maxim Integrated

 

电池健康状态和保护要求由电压、电流和温度决定。Maxim的ModelGauge m5算法可用于计算电池的充电状态,既具有库仑计出色的短期高精度、高线性度特性,又具有电池开路电压测量出色的长期稳定性。此温度补偿算法的附加输入可产生精确的充电状态读数(2)。该算法计算的是电池的开路电压,包括带载情况。

2:使用ModelGauge m5算法计算Maxim MAX1730x的校正充电状态(来源:Maxim Integrated

 

MAX1730x通过电池老化特性和放电率来补偿电量计读数。它提供了各种工作条件下的充电状态百分比或毫安时 (mAh) 读数。该算法还可提供满充时间和老化预测功能,以预测电池何时开始因老化和使用而导致容量下降。数据记录功能使用非易失性存储器记录电池寿命周期内的多达13个参数,包括自首次通电以来的时间。图3演示了ModelGauge m5算法的工作原理。

3:详细说明Maxim Integrated ModelGauge m5算法的原理图表(来源:Maxim Integrated

结论

能够在电量计中准确显示电池的充电状态,而无需对蓄电池进行耗时的特性描述,是衡量一个产品是否成功的关键。Maxim采用ModelGauge m5算法的电量计IC MAX1730x不仅实现了这一功能,而且通过结合保护和认证功能,节省了宝贵的电路板空间和材料清单 (BOM)。
 


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