CN108736945A - 基于时间片轮询的单天线无源数据发射系统及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于时间片轮询的单天线无源数据发射系统及其实现方法，该系统系统包括天线ANT，能量收集单元EC，能量管理单元EM，能量存储单元ES，计时器TIM，晶体振荡器XO，频率综合器FS，射频合成SYN，数字基带DB等部件；该系统复杂度和能耗低。

Description

基于时间片轮询的单天线无源数据发射系统及其实现方法

技术领域

本发明涉及电子通信系统领域，更具体地，涉及一种基于时间片轮询的单天线无源数据发射系统及其实现方法。

背景技术

从技术层面而言，物联网感知层用来感知客观物理世界，获取物理世界的信息量。客观世界的物理量多种多样，不可穷尽。不同的应用场景关心不同的物理量，因此对传感系统和应用系统也有多种多样的要求。背景要求不同，其硬件平台、软件系统和网络协议必然会有很大差别。但近年来的发展趋势表明，低功耗的数据上行传输模块，甚至完全依赖于环境中的射频无线电波信号作为能量来源，对于无线传感器网络的部署具有至关重要的意义。

传感器节点体积微小，通常携带能量十分有限的电池。由于传感器节点个数多、成本要求低廉、分布区域广，而且部署区域环境复杂，有些区域甚至人员不能到达，所以传感器节点通过更换电池的方式来补充能源是不现实的。高效使用外界的无线电磁波所携带的能量来最大化网络生命周期，通过自动化和信息化实现无人值守具有重大的实用意义。

另一方面，传感器网络节点的数据流量绝大部分以上行为主，而当前的无线传感数据传输模，无论是底层芯片实现，还是协议传输层和应用层的软件部署往往以具备双向数据传输为基本条件。这为无源数据发射系统的控制逻辑优化了留下了巨大的潜在空间。首先，不需要部署复杂的信号接收电路和芯片，实现代价较小的同时功耗也较小；其次，不需要被动监听，仅在数据发射时激活相关电路，系统工作模式从被动变为主动，也可以在降低功耗上有所作为。

发明内容

本发明提供一种基于时间片轮询的单天线无源数据发射系统，该系统该系统复杂度和能耗低。

本发明的又一目的在于提供一种基于时间片轮询的单天线无源数据发射系统的实现方法。

为了达到上述技术效果，本发明的技术方案如下：

一种基于时间片轮询的单天线无源数据发射系统，包括天线ANT，能量收集单元EC，能量管理单元EM，能量存储单元ES，计时器TIM，晶体振荡器XO，频率综合器FS，射频合成器SYN，数字基带DB；所述天线阵列ANT与能量收集单元EC连接，能量收集单元EC还分别与能量管理单元EM和能量存储单元ES连接，能量管理单元EM还与计时器TIM连接，计时器TIM还分别与晶体振荡器XO和能量存储单元ES连接，晶体振荡器XO还与频率综合器FS连接，频率综合器FS还分别与射频合成器SYN和数字基带DB连接，数字基带DB还与射频合成器SYN连接，射频合成器SYN还与天线ANT连接；能量存储单元ES向计时器TIM、晶体振荡器XO、频率综合器FS、射频合成器SYN和数字基带DB系统能量。

进一步地，所述能量存储单元ES受计时器TIM的使能信号PSO控制；当PSO为关时，ES不再向数据发射的电路输送能量。

进一步地，所述晶体振荡器XO为有源形式，用于产生稳定的低频时钟，并为计时器TIM和频率综合器FS提供低频率的参考时钟CLKREF_LF。

进一步地，频率综合器FS根据输入的参考时钟CLKREF_LF生成高频的无偏斜时钟CLKREF_HF，并输入到射频合成器SYN和数字基带DB中。

进一步地，能量管理单元EM内置了稳压电路来保证能量存储单元ES输出稳定的电压信号，还向能量存储单元ES征询当前的能量存储状态S，如果S状态从未知变为阈值S_L，则能量管理单元EM控制TIM和XO的开启；以及当存储状态S低于阈值S_L时，进行计时器TIM和晶体振荡器XO的关断。

一种基于时间片轮询的单天线无源数据发射系统的实现方法，包括以下步骤：

S1：天线ANT持续稳定地从外界收集能量到能量收集单元EC，并存储到能量存储单元ES中，且能量管理单元EM追踪当前能量水平S；

S2：当能量水平S到达阈值S_L时，定时器TIM和晶体振荡器XO开启；

S3：定时器TIM按照时间片T进行能量水平S的轮询，当能量水平S满足关系S_L<S<S_H时，返回步骤S3；当能量水平S满足S>S_H时，进入步骤S4；

S4：频率综合器FS、射频合成器SYN、数字基带DB开始工作，天线ANT停止能量收集，天线ANT进入数据发射模式；能量水平S随着数据发送而持续降低，此时能量水平S满足S_L<S<S_H，返回步骤S3；

S5：如果能量输入中断或异常，能量水平S降低到阈值S_L以下，则定时器TIM和晶体振荡器XO断电。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

本发明中，天线阵列ANT持续稳定地从外界收集能量到能量收集单元EC，并存储到能量存储单元ES中，且能量管理单元EM追踪当前能量水平S；当能量水平S到达阈值S_L时，定时器TIM和晶体振荡器XO开启；定时器TIM按照时间片T进行能量水平S的轮询，当能量水平S满足关系S_L<S<S_H时，定时器TIM继续按照时间片T进行能量水平S的轮询；当能量水平S满足S>S_H时，频率综合器FS、射频合成器SYN、数字基带DB开始工作，天线ANT停止能量收集，天线ANT进入数据发射模式；能量水平S随着数据发送而持续降低，此时能量水平S满足S_L<S<S_H。该系统仅依靠简单的时间片轮询以完成数据传输的功能，以降低系统复杂度和能耗。

附图说明

图1为本发明系统的结构图；

图2为本发明能量收集单元EC结构图；

图3本发明方法流程图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例1

如图1所示，一种基于时间片轮询的单天线无源数据发射系统，包括天线ANT，能量收集单元EC，能量管理单元EM，能量存储单元ES，计时器TIM，晶体振荡器XO，频率综合器FS，射频合成器SYN，数字基带DB；所述天线阵列ANT与能量收集单元EC连接，能量收集单元EC还分别与能量管理单元EM和能量存储单元ES连接，能量管理单元EM还与计时器TIM连接，计时器TIM还分别与晶体振荡器XO和能量存储单元ES连接，晶体振荡器XO还与频率综合器FS连接，频率综合器FS还分别与射频合成器SYN和数字基带DB连接，数字基带DB还与射频合成器SYN连接，射频合成器SYN还与天线ANT连接；能量存储单元ES向计时器TIM、晶体振荡器XO、频率综合器FS、射频合成器SYN和数字基带DB系统能量。

能量存储单元ES受计时器TIM的使能信号PSO控制；当PSO为关时，ES不再向数据发射的电路输送能量；晶体振荡器XO为有源形式，用于产生稳定的低频时钟，并为计时器TIM和频率综合器FS提供低频率的参考时钟CLKREF_LF；频率综合器FS根据输入的参考时钟CLKREF_LF生成高频的无偏斜时钟CLKREF_HF，并输入到射频合成器SYN和数字基带DB中；能量管理单元EM内置了稳压电路来保证能量存储单元ES输出稳定的电压信号，还向能量存储单元ES征询当前的能量存储状态S，如果S状态从未知变为阈值S_L，则能量管理单元EM控制TIM和XO的开启；以及当存储状态S低于阈值S_L时，进行计时器TIM和晶体振荡器XO的关断。

如图2所示，能源收集电路EC的实现具有三个部分，预整流滤波器Pre-FILTER，整流电路RECTIFIER和后整流滤波器POST-FILTER。预整流滤波器Pre-FILTER即谐波抑制滤波器，其作用是抑制整流器工作时二极管的非线性特性产生的高次谐波，使谐波能量反弹到整流器二次整流；整流电路RECTIFIER将射频能量高效转换为直流能量，主要由肖特基整流二极管组成。二极管模式在设计中具备高转换效率、低插入损耗、尺寸小、易于集成的特性；能量在经过射频整流器后，大部分转换为直流能量，小部分由于肖特基二极管的非线性转换为高次谐波能量，还有极小部分为二极管一次整流剩余的基频能量。后整流滤波器POST-FILTER为Dc Pass结构的带阻滤波器，将高频信号与负载路径进行隔离。后整流滤波器的主要功能是滤除在大信号载波生成器工作时产生的高次谐波，提高调制信号的信噪比。

频率综合器FS根据输入的参考时钟生成高频的无偏斜时钟CLKREF_HF，并输入到射频合成器SYN和数字基带DB中。频率综合器FS的结构一般是锁相环PLL或者数字锁相环DLL。数字基带DB将外部输入的信号按照通信协议的需要进行编码。射频合成器SYN包含了一个混频器，用以将编码后的信号进行调制，其基频由FS产生。频率综合器FS，射频合成器SYN和数字基带DB可以由分立元件实现，也可以进行有机组合，在独立的SOC芯片中进行整合。采用低功耗的设计方法改进后，能耗相对TIM和XO仍然较高，需要能量指标S到达较高阈值S_H才可以正常工作。

如图3所示，一种基于时间片轮询的单天线无源数据发射系统的实现方法，包括以下步骤：

S1：天线ANT持续稳定地从外界收集能量到能量收集单元EC，并存储到能量存储单元ES中，且能量管理单元EM追踪当前能量水平S；

S2：当能量水平S到达阈值S_L时，定时器TIM和晶体振荡器XO开启；

S3：定时器TIM按照时间片T进行能量水平S的轮询，当能量水平S满足关系S_L<S<S_H时，返回步骤S3；当能量水平S满足S>S_H时，进入步骤S4；

S4：频率综合器FS、射频合成器SYN、数字基带DB开始工作，天线ANT停止能量收集，天线ANT进入数据发射模式；能量水平S随着数据发送而持续降低，此时能量水平S满足S_L<S<S_H，返回步骤S3；

S5：如果能量输入中断或异常，能量水平S降低到阈值S_L以下，则定时器TIM和晶体振荡器XO断电。

本发明使用天线ANT持续稳定地从外界收集能量到能量收集单元EC，并在能量存储ES中进行储存，能量管理EM追踪当前能量水平S；到达较低阈值S_L时，开启定时器TIM和晶体振荡器XO；定时器TIM在较低运行频率下每隔时间T向EM轮询当前能量存储水平S；当到达较高阈值S_H时，TIM向ES发送控制信号PSO，开启频率综合器FS、数字基带DB和射频合成器SYN，数据DATA由DB进行编码，SYN进行调制，并发送到天线ANT，完成数据包的传输，之后能量存储水平S必将降低到S_H以下；TIM依照时间T轮询能量存储水平S，向ES发送PSO信号关闭频率综合器FS，数字基带DB和射频合成器SYN；之后照上述逻辑循环；如果能量输入中断，能量水平S降低到阈值S_L以下，则TIM和XO自动断电。

相同或相似的标号对应相同或相似的部件；

附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于时间片轮询的单天线无源数据发射系统，其特征在于，包括天线ANT，能量收集单元EC，能量管理单元EM，能量存储单元ES，计时器TIM，晶体振荡器XO，频率综合器FS，射频合成器SYN，数字基带DB；所述天线阵列ANT与能量收集单元EC连接，能量收集单元EC还分别与能量管理单元EM和能量存储单元ES连接，能量管理单元EM还与计时器TIM连接，计时器TIM还分别与晶体振荡器XO和能量存储单元ES连接，晶体振荡器XO还与频率综合器FS连接，频率综合器FS还分别与射频合成器SYN和数字基带DB连接，数字基带DB还与射频合成器SYN连接，射频合成器SYN还与天线ANT连接；能量存储单元ES向计时器TIM、晶体振荡器XO、频率综合器FS、射频合成器SYN和数字基带DB系统能量。

2.根据权利要求1所述的基于时间片轮询的单天线无源数据发射系统，其特征在于，所述能量存储单元ES受计时器TIM的使能信号PSO控制；当PSO为关时，ES不再向数据发射的电路输送能量。

3.根据权利要求2所述的基于时间片轮询的单天线无源数据发射系统，其特征在于，所述晶体振荡器XO为有源形式，用于产生稳定的低频时钟，并为计时器TIM和频率综合器FS提供低频率的参考时钟CLKREF_LF。

4.根据权利要求3所述的基于时间片轮询的单天线无源数据发射系统，其特征在于，频率综合器FS根据输入的参考时钟CLKREF_LF生成高频的无偏斜时钟CLKREF_HF，并输入到射频合成器SYN和数字基带DB中。

5.根据权利要求4所述的基于时间片轮询的单天线无源数据发射系统，其特征在于，能量管理单元EM内置了稳压电路来保证能量存储单元ES输出稳定的电压信号，还向能量存储单元ES征询当前的能量存储状态S，如果S状态从未知变为阈值S_L，则能量管理单元EM控制TIM和XO的开启；以及当存储状态S低于阈值S_L时，进行计时器TIM和晶体振荡器XO的关断。

6.一种如权利要求5所述的基于时间片轮询的单天线无源数据发射系统的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：天线ANT持续稳定地从外界收集能量到能量收集单元EC，并存储到能量存储单元ES中，且能量管理单元EM追踪当前能量水平S；

S2：当能量水平S到达阈值S_L时，定时器TIM和晶体振荡器XO开启；

S3：定时器TIM按照时间片T进行能量水平S的轮询，当能量水平S满足关系S_L<S<S_H时，返回步骤S3；当能量水平S满足S>S_H时，进入步骤S4；

S4：频率综合器FS、射频合成器SYN、数字基带DB开始工作，天线ANT停止能量收集，天线ANT进入数据发射模式；能量水平S随着数据发送而持续降低，此时能量水平S满足S_L<S<S_H，返回步骤S3；

S5：如果能量输入中断或异常，能量水平S降低到阈值S_L以下，则定时器TIM和晶体振荡器XO断电。